具有低溫儲存的氫動力燃料電池發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)可能 會出現(xiàn)在一架全新的零排放飛機(jī)中，該飛機(jī)將于2035年投入使用?？罩锌蛙嚬疽呀?jīng)在不到四年的時(shí)間里設(shè)計(jì)、 建造和演示這樣一個兆瓦級的推進(jìn)系統(tǒng)……

兩年前，空中客車公司推出了幾種可能的飛機(jī)概念， 統(tǒng)稱為“zeroe” ，這有助于定義世界上第一架零排放商 用客機(jī)，該客機(jī)可能在 2035 年投入使用。雖然這些概念 探索了各種尺寸類別、空氣動力學(xué)布局和推進(jìn)系統(tǒng)架構(gòu)， 但它們都有一個共同點(diǎn)：它們是氫燃料的。其中三家公司的發(fā)動機(jī)使用氫氣燃燒來驅(qū)動燃?xì)廨啓C(jī)——類似于 今天渦輪風(fēng)扇和渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)燃燒煤油的方式，但沒有后者的二氧化碳和顆粒物排放。

與此同時(shí)，第四架ZEROe概念飛機(jī)代表了一架高翼100座支線客機(jī)，其發(fā)動機(jī)吊艙上安裝了六個八葉螺旋槳，這一配置最近獲得了空中客車公司的專利。雖然表面上類似于渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)，但這些吊艙實(shí)際上包含氫燃料電池，氫燃料電池通過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電力，為電動機(jī)提供動力。正是在這種背景下，空中客車公司 一直在進(jìn)行可行性研究和實(shí)驗(yàn)室測試，以實(shí)現(xiàn)一種完全 工作的兆瓦級燃料電池發(fā)動機(jī)和演示機(jī)，該發(fā)動機(jī)和演示器可以在本十年中期（2026年左右）進(jìn)行飛行測試。

該演示機(jī)于今年11月30日在空中客車峰會上首次公開宣布，將使用空客的多模態(tài)飛行測試平臺——標(biāo)志性的A380 MSN001。這架飛機(jī)將在外部進(jìn)行改裝，以搭載燃料電池發(fā)動機(jī)吊艙，而在飛機(jī)的后機(jī)身內(nèi)部，空中客車公司將安裝一個獨(dú)特的低溫罐來容納液化氫。

它的工作原理

對于這個概念驗(yàn)證演示器，來自低溫罐的液態(tài)氫被轉(zhuǎn)化為氣態(tài)。然后，通過從油箱延伸的供應(yīng)線，并通過外部“短柱”空氣動力學(xué)和承載支撐結(jié)構(gòu)，將其分配到燃料電池，到達(dá)發(fā)動機(jī)吊架接口。

（視頻截屏）

 

 

 

 

 

 

 

氣態(tài)氫從那里進(jìn)入吊艙內(nèi)的燃料電池，其中的氧分子也由來自周圍大氣的受控氣流提供。燃料電池內(nèi)部產(chǎn) 生的反應(yīng)產(chǎn)生直流電（DC），該直流電隨后通過逆變器轉(zhuǎn)換為交流電（AC）。吊艙前部附近的電動機(jī)通過將扭 矩傳遞給減速箱將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。在推進(jìn)鏈的末端， 螺旋槳提供推力。燃料電池產(chǎn)生的熱能需要通過液體冷卻系統(tǒng)輸送到熱交換器，在熱交換器中熱能消散到環(huán)境空氣中。水也是電化學(xué)反應(yīng)的副產(chǎn)物，從吊艙后部的出口排出。

（視頻截屏）

 

 

 

 

 

 

改裝A380

A380是氫燃料電池發(fā)動機(jī)演示機(jī)的“主機(jī)” ?？湛土阊菔竞蜏y試主管 Mathias Andriamisaina表示：“它 內(nèi)部有足夠的空間，因此在容納我們所需的一切以及測試多種配置方面沒有任何限制。” 。“就空氣動力學(xué)而言，A380是一架非常穩(wěn)定的飛機(jī)。因此，通過短柱連接到后機(jī)身的吊艙不會造成太大問題。此外，吊艙及其螺旋槳的氣流不會影響 A380尾翼表面 的氣流， ”他補(bǔ)充道。

“對于A380，我們還有一架已經(jīng)完全配備了儀器的飛機(jī)。飛行測試儀器是該項(xiàng)目的重要組成部分，在成本和規(guī)劃方面可能是一個很大的驅(qū)動因素。因此MSN001（這架A380出廠編號）非常適合我們。”

團(tuán)隊(duì)確定的總體概念是在A380內(nèi)部進(jìn)行最小數(shù)量的結(jié)構(gòu)改造。他指出：“我們只是加固機(jī)身的兩個框架， 然后從外部安裝這個短柱。然后我們安裝一個經(jīng)過特殊改裝的掛架，將吊艙的結(jié)構(gòu)連接到這個短柱上?？偟膩碚f，它將能夠支撐高持續(xù)的靜態(tài)和動態(tài)載荷。”

雖然大多數(shù)設(shè)備都安裝在飛機(jī)外部，但在飛機(jī)內(nèi)部有團(tuán)隊(duì)所說的“帳篷-tent”——一個10米長、4米寬、 截面呈拋物線狀的外殼，將由南特技術(shù)中心的空中客車 大西洋團(tuán)隊(duì)用碳纖維復(fù)合材料制成。在該結(jié)構(gòu)內(nèi)部可以 容納多達(dá)四個包含液氫的低溫罐。在飛行測試期間，帳篷內(nèi)的實(shí)際空氣將與飛機(jī)外的壓力相同。換句話說，安裝在這個帳篷里的設(shè)備只能“看到”大氣中沒有壓力的環(huán)境。這包括來自儲罐的氫氣供應(yīng)線，該供應(yīng)線直接從帳篷到支柱（也在南特制造），然后到外部安裝的吊艙 （將在空客位于圖盧茲圣埃洛伊的工廠組裝）。

Mathias解釋道：“使用這種方法可以避免任何氫氣進(jìn)入 A380的主要加壓內(nèi)部的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)閮拗械乃袣錃饴肪€也將位于我們的保護(hù)性帳篷環(huán)境中。還有緊急排氣管線，因此如果需要，我們可以將氫氣從應(yīng)急管線中排出。”

空客的其他“第一”

Mathias熱情地說道：“與配送中心和電機(jī)控制器有 關(guān)的一切都是在內(nèi)部生產(chǎn)的——這是一項(xiàng)‘空客’活動。” “此外，推進(jìn)系統(tǒng)、相關(guān)變速箱和變槳控制是 由我們自己的空客直升機(jī)公司以及國防和航天部門的同事開發(fā)的。這是空客公司第一次自己制造這樣的發(fā)動機(jī)，這是一個巨大的挑戰(zhàn)。” 空客公司的其他首次包括采用高達(dá)1000伏直流電 的高壓分布式電氣架構(gòu)，以及創(chuàng)建定制的發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)——這將把機(jī)組人員指揮的推力轉(zhuǎn)化為實(shí)際軸功率。

接下來的工作

廣泛的地面測試活動已經(jīng)在順利進(jìn)行。示例包括電氣工作臺、熱管理系統(tǒng)和幾個燃料電池集成工作臺。從2024年起，將有更多的集成測試臺，如：一個燃料電池系統(tǒng)集成臺，具有 200kW的燃料電池堆和一個氣候室；用于發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)的功能集成臺（FIB- functional integration bench），以驗(yàn)證真實(shí)接口和致動器；以及螺旋槳集成工作臺（PIB-Propeller Integration Bench ）。后者將探索螺旋槳變槳驅(qū)動齒輪箱集成、齒輪箱耐久性和部分葉片釋放測試。同時(shí)，新開發(fā)的燃料電池飛行演示機(jī)電源中心和電源轉(zhuǎn)換器將連接到A380“鐵鳥”試驗(yàn)臺，以便將其與傳統(tǒng)的A380ATA第24章硬件（電源）集成。

同年晚些時(shí)候，還將有一個“鐵吊艙” 。該試驗(yàn)臺將首次匯集各種關(guān)鍵成分：為兩臺電動機(jī)提供800kW的燃料電池功率；電動機(jī)控制單元；變速箱；新的高壓配電和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)；“飛行”空氣供應(yīng)和液體冷卻系統(tǒng)。

到2026年，在各種集成臺架測試之后，團(tuán)隊(duì)將能夠在集成測試臺架（ITB-integrated test bench )中測試整個系統(tǒng)。這將包括飛行標(biāo)準(zhǔn)燃料電池艙，包括所有各種系統(tǒng)，當(dāng)然還有螺旋槳。ITB 將于2024年建造，將連接到與A380 MSN001相同的飛行測試儀器，還將有一個位于同一地點(diǎn)的控制室，用于機(jī)組人員培訓(xùn)。

Mathias宣稱：“從現(xiàn)在到2026年的飛行測試，我們面臨著很多挑戰(zhàn)，不僅在設(shè)計(jì)方面，而且在測試方面！” 。

附 圖 ：

 

 

注：根據(jù)網(wǎng)上資料新編輯。楊超凡 2023.9.10