Что такое самолет на топливных элементах?
Самолет на водородных топливных элементах
Авиационная промышленность активно пытается снизить потребление топлива. В настоящее время проводятся обширные исследования и анализ, чтобы определить водород как жизнеспособную альтернативу. Концептуальные проекты и модели были продемонстрированы некоторыми ведущими авиационными компаниями, поэтому важно, чтобы мы обновляли свои исследования. Начнем с терминологии «Самолет на топливных элементах».
Самолет, использующий водородное топливо в качестве основного источника энергии, называется самолетом на топливных элементах. Либо реактивный двигатель, либо другой тип двигателя внутреннего сгорания может сжигать водород или использовать их для питания топливного элемента для выработки энергии для пропеллера. В отличие от большинства самолетов, в которых используются крылья для хранения топлива, самолеты с водородными топливными элементами обычно устанавливаются в фюзеляже в водородных топливных баках.
Что такое водородный топливный элемент?
Водородный топливный элемент
Это важная технология с потенциалом, которая предлагает широкий спектр промышленности, в том числе автомобильной и тяжелой трансмиссии, значительные преимущества в области энергоэффективности и обезуглероживания. Сегодня технология водородной нефти используется для различных целей, в том числе для обеспечения аварийной резервной мощности для критически важных объектов, таких как больницы, замены сетевого электричества для основных объектов нагрузки, таких как центры обработки данных.
Можно ли использовать водородные топливные элементы в самолетах? | Используют ли самолеты топливные элементы ?
В ближайшем будущем все, от низкоуглеродных городских районов до портативных компьютеров и до будущих самолетов на топливных элементах с нулевым уровнем выбросов, потенциально может работать. Различные исследования показали, что строительство крупных коммерческих самолетов на водородных топливных элементах возможно в течение 2020 года. Однако, вероятно, он будет эксплуатироваться только ближе к 2030 году. Интерес к использованию самолетов на топливных элементах в качестве личных самолетов возрос в ближайшем будущем.
В европейском исследовательском проекте техническая и механическая осуществимость, перспективы безопасности, экологическая совместимость и экономическая целесообразность использования жидкого водорода (H2) в качестве авиационного топлива были оценены в сотрудничестве с Airbus и 33 партнерскими организациями, содержащимися в топливе. сотовый самолет и получивший название CRYOPLANE, подробный отчет был опубликован в 2003 году.
Как появился водородный топливный элемент?
История водородных топливных элементов
Сэр Уильям Гроув, судья, ставший ученым, в 1838 году придумал уникальную идею: построить ячейку с двумя независимыми герметичными отсеками, каждое из которых работает на водороде или кислороде. В то время он назвал свое устройство «газовой батареей». К сожалению, он не вырабатывал достаточно электроэнергии, чтобы быть полезным. Через некоторое время им заинтересовался английский инженер Фрэнсис Томас Бэкон, который в 1932 году создал первый в мире водородно-кислородный топливный элемент, который воплотил его в жизнь, который сегодня используется для создания концепции самолета на топливных элементах. Топливный элемент Бэкона стал успешным в космической отрасли, где он использовался для питания спутников и ракет для операций по исследованию космоса, таких как Аполлон-11.
В феврале 1957 года был проведен эксперимент с NACA Martin B-57B, и он в течение 20 минут летал на водороде вместо реактивного топлива для одного из двух двигателей Wright J65. Ту-155, модернизированный авиалайнер Ту-154, впервые поднялся в воздух 15 апреля 1988 года как первый экспериментальный самолет на водородных топливных элементах.
Самолет Boeing на водородных топливных элементах | Самолет на топливных элементах Boeing
В 2008 году компания Boeing произвела и эксплуатировала первый в мире самолет с водородным двигателем. Во время взлета и набора высоты топливные элементы одноместного самолета пополнялись электричеством от литий-ионных батарей. Phantom Eye (предназначенный для выполнения четырехдневных разведывательных миссий на высоте 20,000 XNUMX метров), беспилотный летательный аппарат на жидком водороде, был представлен четыре года спустя. Однако Boeing не смог продать БПЛА военным, и теперь он выставлен в музее только как летательный аппарат, работающий на жидком водороде.
камеры топливных элементов для самолетов
Почему топливные элементы не заменяют реактивные двигатели?
Использование водорода в качестве авиационного топлива было продемонстрировано компанией Boeing в своей концепции Phantom Eye. Однако, по словам Майка Синнетта (вице-президент по разработке продуктов, Boeing Aviation), необходимы дополнительные исследования, чтобы оценить фактор безопасности конструкции самолета и топливных баков, чтобы они могли функционировать так же надежно, как и современные авиалайнеры.
Это означает, что водородное топливо не будет использоваться в самолетах Boeing на топливных элементах более чем через два десятилетия, и что двигатели для самолетов через десять лет уже строятся.
Развитие Призрачного Глаза
Phantom Eye разработал предыдущее достижение Boeing - поршневой Boeing Condor, который установил несколько рекордов высоты и выносливости в конце 1980-х годов.. Компания Boeing также работала над БПЛА Phantom Ray в качестве летающего испытательного стенда для инновационных технологий, а также над более крупным беспилотным летательным аппаратом HALE, который может летать более десяти дней и нести полезную нагрузку 900 кг и более.
Двигательная установка Phantom Eye (спроектированная вместе с двигательной установкой и воздушной рамой) прошла 80-часовое испытание в высотной камере 1 марта 2010 года. Ball Aerospace, Aurora Flight Sciences, Ford Motor Company и MAHLE Power train совместно работали над развитием технологий, чтобы создать Phantom Eye, который был наконец представлен 12 июля 2010 года.
Дэррил Дэвис, глава отдела передовых идей компании Boeing Phantom Works, считает, что «Демонстратор Phantom Eye» представляет собой масштабную модель объективной системы с точностью 60-70%. Всего с четырьмя самолетами прототип Phantom Eye может привести к системе объективов, способной обеспечить круглогодичное покрытие большой площади.
Как будет работать водородный топливный элемент?
Обычный водородный топливный элемент для самолета на топливных элементах состоит из двух электродов (анода и катода), отделенных электролитической мембраной. Это работает следующим образом:
- Водород поступает в топливный элемент через анод. Электроны и протоны образуются в результате разделения атомов водорода в результате их реакции с катализатором. Катод, с другой стороны, пропускает кислород из соседнего воздуха.
- Положительно заряженные протоны движутся к катоду через проницаемую электролитную мембрану. Отрицательно заряженные электроны выходят из ячейки, обеспечивая ток, способный питать электрическую или гибридную электрическую двигательную установку.
- Протоны и кислород соединяются на катоде с образованием воды.
Свойства водорода
Удельная энергия водорода в три раза больше, чем у обычного реактивного топлива, хотя у него более низкая плотность энергии. Баки из углеродного волокна, которые выдерживают давление 700 бар, используются в самолетах. Также можно использовать криогенный жидкий водород.
Предположим, что водород легко получить из низкоуглеродных источников энергии, таких как ветер или атомная энергия. В этом случае он будет выделять меньше парниковых газов, включая водяной пар и небольшое количество оксида азота в самолетах, чем в существующих случаях. В настоящее время лишь небольшое количество H2 производится с использованием низкоуглеродного источника энергии, и существуют различные серьезные препятствия для использования водорода в самолетах. Водород дороже ископаемого топлива из-за метода его производства и его относительной неэффективности при использовании современных технологий.
LH2 одна из самых эффективных технических охлаждающих жидкостей. Было предложено охлаждать забираемый воздух для очень быстроходных самолетов или даже саму обшивку самолета, особенно для самолетов с аварийным реактивным двигателем.
Вес и плотность энергии
Независимо от того, находится ли он в газообразной или жидкой форме, дополнительный вес, необходимый для хранения топлива, является основным препятствием для полета на водороде в самолетах на топливных элементах. Создание легких резервуаров с вакуумной изоляцией, в которых жидкий водород будет ниже точки кипения 20 Кельвинов, будет проблемой для жидкого водорода. Поскольку баллоны должны выдерживать высокое давление от 250 до 350 бар, газ имеет более высокую потерю веса.
Плотность энергии жидкого водорода в 2.8 раза выше, чем у авиационного бензина. Однако, по данным Аргоннской национальной лаборатории, авиационное топливо в 1.6 раза превосходит водород по совокупному весу топлива и бака. В отличие от авиационного топлива, которое составляет примерно 78% от общего веса бака и топлива, жидкий водород составляет только 18% от общего веса в современных системах хранения. Утверждается, что массовая доля топлива должна составлять не менее 28%, чтобы конкурировать с ископаемым топливом. Жидкий водород имеет намного меньшую энергию на единицу объема, чем углеводороды.
Однако, по словам Филиппа Анселла, директора Иллинойского университета в Центре высокоэффективных электрических технологий для самолетов в Шампейне, финансируемого НАСА, Урбана, различные части самолета, такие как крылья и фюзеляж, могут быть изменены индивидуально или вместе, чтобы противостоять увеличение аэродинамического сопротивления в результате дополнительной внешней поверхности, необходимой для размещения резервуаров с водородом большего размера.
Преимущества водородных топливных элементов
Топливные элементы (которые используют чистый водород, следовательно, не содержат углерода) являются чистым источником энергии, поскольку они производят электричество в результате электрохимической реакции. Ниже приведены еще несколько важных преимуществ топливных элементов:
- Топливные элементы, в отличие от батарей, не требуют подзарядки и могут продолжать вырабатывать энергию, пока доступен источник топлива (водород).
- Отдельные топливные элементы можно «складывать» для создания более крупных систем, которые могут генерировать больше энергии, что обеспечивает масштабируемость. Пакеты топливных элементов могут быть соединены в крупномасштабные системы мощностью в несколько мегаватт, в то время как один топливный элемент способен вырабатывать достаточно электроэнергии для обеспечения возможностей конкретного приложения.
- Топливные элементы тихие и надежные, поскольку в них нет движущихся частей.
Является ли водород жизнеспособным топливом для самолетов?
Компания Airbus разработала три уникальных концепции самолетов на водородных топливных элементах, которые могут перевозить до 200 пассажиров и покрывать дальность полета до 2000 морских миль (3700 километров). Каждая из них представляет собой концептуальную гибридную систему, содержащую турбины внутреннего сгорания и двигатели с приводом от топливных элементов. В турбоэлектрической системе газовая турбина, работающая на водороде, приводит в действие электрогенератор, а электродвигатель приводит в движение вентилятор.
Airbus планирует использовать в своих будущих дальнемагистральных авиалайнерах от 300 до 400 мест синтетическое топливо, получаемое из возобновляемых источников, а не водород. Адаптация водорода к самолетам, которые будут опорожняться и пополняться много раз в день, станет новой проблемой для корпорации, даже если она уже имеет опыт работы с топливом в аэрокосмической отрасли.
Ремонт топливных элементов самолетов | Техническое обслуживание топливных элементов самолета
Наличие пролитого топлива на днище самолета обычно является первым признаком утечки. При поиске источника утечки необходимо учитывать, что топливо может пройти довольно большое расстояние, прежде чем достигнет места выхода. В результате этого может быть трудно определить источник утечки. Прежде чем откликнуться на какие-либо подозрения, необходимо проследить путь утечки, не предполагая, что протекающий топливный элемент находится в непосредственной близости от видимой утечки.
Следует проверить герметичность соединений, шлангов и вентиляции. Также стоит отметить, что утечка топливного элемента не вызывает необходимости его замены. На топливном элементе есть некоторые утечки, которые можно устранить, например:
- Хомуты слишком ослаблены
- Ослаблены винты на передатчике.
- Неисправные прокладки
- Болты с незакрепленной пластиной или заливной горловиной
- На заливной горловине или трубке есть трещины.
Соединения топливных элементов с двойным зажимом позволяют избежать утечек в старых элементах, но это также полезно для новых элементов с большими межсоединениями. Резина осядет после того, как зажимы будут затянуты. В результате через час после первоначальной установки рекомендуется повторно затянуть все зажимы.
Лента топливного элемента для самолета
Осмотрите область вокруг отсека топливных элементов на предмет коррозии. Удалите оставшуюся ленту и остатки. МЕК можно использовать для легкого удаления остатков ленты. Удалите все FOD, особенно металлическую стружку, которая может быстро повредить недавно установленный топливный элемент.
Будьте осторожны, используя ленту топливных элементов при приклеивании лайнера. Пригодность изоленты или изоленты не оправдывает замену ленты топливных элементов. Лента и клей, используемые в топливном элементе, остаются на удивление неповрежденными во время разлива топлива, в этой ситуации изолента, изолента и другие ленты не будут работать.
Все заклепки и края должны быть заклеены лентой для топливных элементов. Работать с короткими отрезками ленты (длиной около 6 дюймов) обычно легче, чем с длинными отрезками, особенно если скотч находится в труднодоступных местах вслепую. В сложных местах зеркало также может помочь вам увидеть, что вы делаете.
Очиститель топливных элементов для самолетов
Очистите топливный элемент от остатков топлива перед упаковкой для перевозки. Согласно Hartwig Aircraft Fuel Cell Repair, топливный элемент следует очищать теплой водой и жидким мылом для посуды. После очистки и сушки необходимо сложить и упаковать ячейку для отправки в ремонтную мастерскую. Перед отправкой некоторые механики добавляют масляную пленку к ячейке, чтобы сохранить ячейку. Eagle Fuel Cells настоятельно не рекомендует этого делать, заявляя, что не требуется покрывать элемент маслом за счет дополнительных трудозатрат.
Сварка авиационных топливных элементов | Сварка авиационных алюминиевых топливных элементов
Обычная кислородно-топливная горелка (кислородно-топливная сварка или OFW) была важной опорой в процессе соединения алюминия. В 1850-х годах кислородно-водород, созданный путем электролиза, использовался для газовой сварки металлов с низкой температурой плавления, таких как золото, серебро, медь и платина. Открытие ацетилена примечательно, потому что оно было связано с поиском нового метода производства металлического алюминия.
В авиационной промышленности кислородно-водород чаще связывают с OFW, чем оксиацетилен, но не из-за каких-либо технических преимуществ. Ацетилен был нормирован специально для использования на верфи из-за экономических соображений, оставив водород в качестве единственной альтернативы. Поскольку смешивание остатков ацетилена с газообразным водородом может привести к аварийной ситуации, использование водорода в качестве топлива требует целого отдельного резервуара, регулятора, шланга и горелки.
Кроме того, водород не образует сажу, которая может быть использована в качестве индикатора температуры во время отжига алюминиевого листа. Затраты на производство топлива (с возможной установкой электролиза) и несколько более чистый внешний вид зоны сварного шва (из-за отсутствия углерода в зоне пламени) могут быть преимуществами водорода.
Каков срок хранения топливного элемента?
Срок годности авиационных топливных элементов
Большинство самолетов, используемых сегодня, изжили свой проектный срок службы. Многие из этих самолетов претерпели одно или несколько изменений планера или авионики. С другой стороны, срок службы топливного элемента часто упускается из виду, поскольку он не включен в многочисленные правительственные документы, руководства по эксплуатации самолетов или технические требования к самолетам.
Ключевыми факторами, варьирующимися среди флотов, являются часы полета, условия окружающей среды, а также циклы демонтажа и повторной установки. В результате невозможно спрогнозировать срок службы топливного элемента. Восстановленные, отремонтированные или отремонтированные топливные элементы невозможны. Изображение топливных элементов как таковых ошибочно.
Однако мы можем сказать, что любой топливный элемент, которому более 15 лет в самолете на топливных элементах, должен быть оценен на предмет замены. Это особенно важно, если самолет претерпевает какие-либо серьезные модификации, требующие удаления ячейки. Следует подчеркнуть, что в зависимости от программы самолета американские силы пришли к выводу, что типичный срок службы должен составлять от 10 до 12 лет. В общем, капитальный ремонт любого топливного элемента старше 12 лет, который должен оставаться в эксплуатации более 12 месяцев, является пустой тратой денег.
Какое будущее топливо для самолетов?
Новое авиационное топливо
Недавно стало известно о преимуществах водорода, и авиационная отрасль обратила на это внимание. По словам Fymat, Airbus хочет произвести 1 в миреst коммерческий самолет с нулевым уровнем выбросов к 2035 году.
Согласно источникам, американская фирма ZeroAvia к 20 году хочет произвести самолет на водородных топливных элементах примерно для 2024 пассажиров. Она уже получила 5 миллионов долларов в виде субсидий по трем правительственным программам Великобритании и успешно привлекла интерес 12 региональных перевозчиков. из Великобритании, США и Европейского Союза.
Теперь, когда вы узнали о водороде как о перспективном авиационном топливе, перейдите, чтобы узнать о системе хранения топлива: Система топливного бака самолета.
