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          專家解讀航空航天復合材料液氫存儲罐

          放大字體  縮小字體 發布日期:2022-05-10  瀏覽次數:577
          核心提示:英國國家復合材料中心(NCC-National Composites Centre) 太空液氫存儲罐演示器長750毫米,直徑450毫米,儲液容量超過96升。存
               英國國家復合材料中心(NCC-National Composites Centre) 太空液氫存儲罐演示器長750毫米,直徑450毫米,儲液容量超過96升。
           
              存儲罐的設計和制造標稱壁厚為4.0至5.5mm,這將使該罐能夠承受85巴的壓力。碳纖維復合材料主體只有8公斤的材料質量,存儲罐還有進一步優化減重的設計。NCC使用300mm寬的MTC510環氧碳纖維預浸料(由SHDComposites提供)。MTC510是一種環氧樹脂系統,專門設計用于在80°C和120°C之間固化,并經過增韌處理以增加其損傷容限。
           
              由BINDATEX公司為纏繞儲罐,將預浸帶進行了窄寬度的精密切割,并以6.35mm的格式返回了長的22000m的材料,用于科里奧利(Coriolis)自動纖維鋪放(AFP)設備。使用科里奧利(Coriolis)AFP設備的張緊纖維纏繞操作,將6.35mm的預浸帶纏繞到可清洗(washable)模具上。纏繞過程使用專用軟件,控制螺旋和環形纏繞。纏繞將超過24層、厚度達5.5mm。纏繞過程可以增加或減少這種復合材料的壁厚,并改變纏繞角度和鋪層結構,以充分優化儲罐的特定壓力或負載要求。
           
              芯模壁厚為30毫米,分兩部分鑄造,然后粘合。該工具有三個(可清洗- washable)內部加強環,其設計和制造有助于承受自動復合材料鋪層過程中預期的扭轉載荷和高壓釜固化過程中施加的壓力。將金屬流體閥端口包括在可清洗的芯模中,以消除最終產品所需的任何二次組裝和粘接操作。這些流體閥端口固定在新型工具中,使它們能夠在制造過程的后期與碳復合材料共同粘合。纏繞完成后,立即檢查是否存在缺陷和厚度變化。然后在100°C下對其進行熱壓罐固化,并在之后重新檢查。固化后使用超聲波C掃描和熱成像無損檢測(NDT)技術,并對這些方法進行比較和對比,以確定是否適合檢查未來儲罐的缺陷,如分層和氣孔。最后,在完成無損檢測質量評估后,用加壓冷水沖洗內部芯模,使儲罐空腔保持清空。
           
              美國CTD公司曾公布一款叫“冰球-CryoSphere”的太空液氫存儲罐。采用記憶泡沫材料制成的芯模。
           
              美國航空航天工程研發公司GTL(GloyerTaylorLaboratories)與多家公司合作,開發一款超輕液氫存儲罐。長2.4米,直徑1.2米,重12公斤。帶裙板和真空杜瓦瓶殼,整個系統重67公斤,但可容納150公斤以上的液態氫,使其儲存率至少達到50%,比目前最先進的復合儲氫罐高出10倍。此存儲罐用于雙發螺旋槳支線民機。 
           
          綜述:
           
          1. 民機為什么要用液氫?    
           
              氫的重量能量密度為33.3kWh/kg,而煤油為12kWh/kg。正常壓力和溫度條件下,氫的密度為 0.090kg/m³。在700bar(是正常大氣壓的700倍)下,氫的密度為 42kg/m³。在這個壓力下,一個125L的油箱可以儲存5kg的氫氣。在-252.87°C和1.013bar下,液態氫的密度接近 71kg/m³。在這個壓力下,一個 75L的油箱可以儲存 5kg的氫氣。
           
          儲存在低溫罐中的液態氫有助于進一步減少體積。
           
            (1)常溫、常壓下 3000 升的氣態氫,相當于1升航空煤油相同的能量。
           
            (2)常溫、700巴壓力下 6 升的氣態氫,相當于1升航空煤油相同的能量。
           
            (3)-252.87°C和1.013巴壓力下 4 升(1.05加侖)的液氫足以提供與1升航空煤油相同的能量。
           
              從以上數據可以看出,在相同能量前提下,存儲液氫(-252.87°C)所需的存儲罐體積最小。由于民機外形受空氣動力的約束,儲罐體積越小越便于在飛機內部安裝。
           
          2. 低溫(-252.87°C)液氫存儲罐主要技術問題?
           
             (1)保持罐內液氫不超過-253°C。為此,目前采取熱水瓶式,內、外罐之間抽真空結構。內罐由碳纖維增強樹脂復合材料制成。外罐含有多層特殊絕熱層。
           
              這種結構引申出一個問題。外罐給整個液氫系統增加了可觀的重量。 例如,GTL液氫存儲罐,復合材料內罐重12公斤。但是外罐和其他系統卻有55公斤。減少這部分重量的關鍵在于多層特殊絕熱層的材料選擇和結構設計。
           
          (2)內罐若用現在使用的纖維帶纏繞工藝。罐內的管路、系統件如何安裝、維護?
           
          (3)低溫(-252.87°C)環境對內罐和內罐中零件選材的影響?
           
          (4)低溫測試技術和和燃料晃動管理方面的技術。
           
          (5)儲氫罐必須承受大約20000次起飛和降落。
           
          3. 低溫(-252.87°C)液氫存儲罐對民機結構的影響?
           
          民機機翼結構的空腔,就是存儲燃油的油箱。A320機翼油箱可大約存儲20噸航空煤油(波音737和商飛C919同此量級)。若用液氫代替航空煤油,94m³容積、圓柱形的液氫存儲罐只能安裝在客艙后面、加長的機身尾段里。機身尾段在此處是前大后小的錐體。錐體最大直徑不超過4m。僅加長機身來安裝 94m³容積的液氫存儲罐,需要增加的長度太長,是不可行的。因此,勢必在增加機身長度的同時,增加機身的直徑。
           
          空客新A320明顯看出,是在機身尾段安裝一個圓形、一個錐形兩個儲罐。但機身直徑是否增加還看不出。我估計它的直徑會增加。
           
          英國公布了使用液氫的民機設計方案,其中窄體飛機“FZN-1E”將代替現A320。新設計方案:機身加長10m、直徑增加1m;客艙成雙通道布局;機翼重新設計;增加機頭處的“前水平安定面”;發動機改為尾吊布局。
           
          4 進展態勢
           
              民機安裝的發動機有兩種類型:渦輪螺旋槳發動機和渦輪噴氣發動機。
           
              對于渦槳發動機的飛機,氫通過燃料電池發電,驅動發電機帶動螺旋槳工作。此類發動機主要安裝在十幾到七十多座的支線飛機,以及小型通航飛機上。最初氫代替燃油研發工作,就是從此類飛機開始。今年4月12號,德國一架4座“HY-4”氫-電飛機,成功完成了從斯圖加特到弗里德里希沙芬航線飛行。在今年內有望能看到19座“道尼爾”和75座“Q-400”、“ATR72-600”氫-電飛機在天空飛行。前蘇聯于1988年4月,一架經改裝、適合液氫燃料渦噴發動機Tu-155升空試飛。幾年后,隨著蘇聯的解體,俄羅斯沒有繼承這項研發工作。
           
              目前全球100座以上,民機的研發生產只有4家:波音、空客、中國商飛和俄羅斯。根據最近外媒一篇報道,這4家公司中僅只有波音、空客兩家,從事液氫民機實際應用研發工作。波音這項目工作還是十多年前,在一架小型、“迪莫納-DIMONA”螺旋槳滑翔機上進行的??湛鸵呀涍M入了,渦扇發動機使用液氫燃料的高空飛行試驗工作。同時,初步給出了三類飛機的外形:螺槳飛機、150座級和雙通道民機。這其中對150座級民機,披露了較多的信息。單通道、150座級的A320,進入市場快40年了??湛鸵呀浻媱澯?2030-2035 年,推出一款“新A320”。新民機機翼采用“信天翁”氣動部局:超大展弦比、折疊,可搧動翼尖、無整流罩襟翼。
           
              制造材料用熱固性碳纖維增強環氧樹脂基復合材料。機身用高性能的熱塑性碳纖維復合材料制造。新民機使用液氫代替航空煤油。設計、制造的目標,能滿足每月制造出70-100架飛機。從以上可以看出在使用液氫代替航空煤油的研發工作,空客遠遠走在波音的前面了(至今在國外媒體的報道中,還沒有看到波音使用液氫燃料替換737的信息)。
           
          5. 你、我、他能做點什么?
           
               用氫代替石化燃油,不僅僅是解決一個碳排放問題。它對缺少石油國家更具有戰略意義。我國是世界最大制氫國,年制氫產量約3300萬噸。液氫的生產也有多家企業介入。我國又是碳纖維產量,世界第二大國。因此,研發、生產復合材料儲氫罐,具有豐厚的物質基礎。
           
               從本文介紹的航天、航空液氫存儲罐,可以看出不同的工業產品,儲罐有球形的,有圓柱形的、存儲液氫從幾公斤到幾百公斤不等。因此,儲罐總是結合產品的需求、結構空間,設計、制造的。
           
               當前,許多工業產品還使用石化能源、電網供電。他們都可以考慮使用氫動力。在氫存儲這個領域,有大量產品待開發。有許多工作等著你、我、他。
           
          本文中一些從網上獲得的數據,經過反復核準??晒﹥涔蕹跏荚O計時估算尺寸、容量。
               
          楊超凡簡介:飛機制造高級專家,近年專攻民機復合材料。原航空工業部首批研究員級高級工程師,享受國務院特殊津貼。
           
           
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