氢能飞机振翅欲飞

2024-02-29 22:12:15

空客在德国推进氢能飞机技术：新ZEDC专注于创新氢储罐开发

 

根据《航空周刊》和airliners.de报道，空中客车公司正在德国斯塔德开设一个新的ZEROe开发中心（ZEDC），以开发氢气技术。ZEROe项目的目标是未来由空中客车公司制造的零排放飞机，将使用液态氢（LH2）代替传统燃料，计划在2035年投入服务。斯塔德的ZEDC将专注于使用纤维增强复合材料的成本有效的轻质氢气系统，例如低温LH2储罐。“这个ZEDC将受益于复合材料研发的更广泛生态系统，比如空中客车子公司复合材料技术中心和斯塔德的CFK NORD研究中心，以及来自航天和海洋活动的进一步协同效应，”空中客车公司首席技术官Sabine Klauke说。斯塔德还是空中客车公司复合材料密集的垂直尾翼（VTP）的生产地。斯塔德的团队将与在金属储罐方面工作的ZEDC合作，特别是德国不来梅和法国南特的团队。工作将包括部件设计和制造，以及测试装配方法。它还将为其他ZEDC的工作做出贡献，包括西班牙马德里和英国菲尔顿。

《航空周刊》指出，在STOHYC（低温氢储存）示范计划下，金属LH2储罐的技术准备水平（TRL）达到TRL4，而通常在产品开发前需要达到TRL6，SOHYC计划的合作伙伴之一Aresia，是传统金属储罐的专家，认为长期来看，更轻的复合材料是一个选项。这种观点也被氢动力飞机推进先驱ZeroAvia所持有。事实上，空中客车公司已经投资于ZeroAvia，并同意在H2动力系统的认证方法上进行合作。双方宣布将在多个关键技术领域进行合作，包括H2燃料储存、燃料电池推进系统的飞行和地面测试，以及开发H2加注基础设施和运营。
airliners.de补充说，斯塔德的ZEDC得到了下萨克森州的支持，也通过德国资助的项目，如LuFo航空研究计划，得到了资助。它还将与德国政府计划在北部建立的氢气创新和技术中心相联系。根据《航空周刊》和airliners.de报道，空中客车公司正在德国斯塔德开设一个新的ZEROe开发中心（ZEDC），以开发氢气技术。ZEROe项目的目标是未来由空中客车公司制造的零排放飞机，将使用液态氢（LH2）代替传统燃料，计划在2035年投入服务。斯塔德的ZEDC将专注于使用纤维增强复合材料的成本有效的轻质氢气系统，例如低温LH2储罐。“这个ZEDC将受益于复合材料研发的更广泛生态系统，比如空中客车子公司复合材料技术中心和斯塔德的CFK NORD研究中心，以及来自航天和海洋活动的进一步协同效应，”空中客车公司首席技术官Sabine Klauke说。斯塔德还是空中客车公司复合材料密集的垂直尾翼（VTP）的生产地。斯塔德的团队将与在金属储罐方面工作的ZEDC合作，特别是德国不来梅和法国南特的团队。工作将包括部件设计和制造，以及测试装配方法。它还将为其他ZEDC的工作做出贡献，包括西班牙马德里和英国菲尔顿。
《航空周刊》指出，在STOHYC（低温氢储存）示范计划下，金属LH2储罐的技术准备水平（TRL）达到TRL4，而通常在产品开发前需要达到TRL6，SOHYC计划的合作伙伴之一Aresia，是传统金属储罐的专家，认为长期来看，更轻的复合材料是一个选项。这种观点也被氢动力飞机推进先驱ZeroAvia所持有。事实上，空中客车公司已经投资于ZeroAvia，并同意在H2动力系统的认证方法上进行合作。双方宣布将在多个关键技术领域进行合作，包括H2燃料储存、燃料电池推进系统的飞行和地面测试，以及开发H2加注基础设施和运营。
airliners.de补充说，斯塔德的ZEDC得到了下萨克森州的支持，也通过德国资助的项目，如LuFo航空研究计划，得到了资助。它还将与德国政府计划在北部建立的氢气创新和技术中心相联系。

 

 

低温压缩氢：让氢动力飞机航程比液态氢提高40%

 

ZeroAvia 正与旧金山创业公司 Verne 合作，为清洁航空领域带来一种能量密度更高的氢。与低温液态氢相比，低温压缩氢气可以降低成本、加快燃料添加速度，并使飞行距离增加 40%。
氢气是相当麻烦的燃料，它很难储存和运输，需要超低温或高能耗的压缩才能将其转化为有用的体积。制造氢气的能效很低，而且本身也没有配送网络。
但如果想让航空业彻底脱碳，它目前是唯一可选的燃料。它所携带的能量可能不如喷气燃料，但与锂电池相比，它能极大地提升能量密度。因此，像 ZeroAvia 这样的公司正在夜以继日地工作，以便对其在商用飞机上的使用进行测试和验证。气态氢燃料电池的试飞已在顺利进行，甚至在小型客机上也已开始，去年还首次实现了以液态氢为燃料的载人飞行。
现在，ZeroAvia 希望将第三种形式的氢燃料带入人们的视野，这种燃料能够携带更多能量。低温压缩氢（CcH2）的概念已经存在了 25 年之久。十多年前，宝马公司为乘用车开发了低温压缩氢（CcH2）系统原型，而 Cryomotive 公司则是目前希望将低温压缩氢（CcH2）技术应用于长途卡车运输的众多公司之一，该公司承诺，低温压缩氢（CcH2）是一种零排放燃料，每公斤可存储超过 3000 瓦时，具有柴油的续航能力和快速加油时间。
那么它到底是什么呢？CcH2 有效地将用于液化氢气的低温冷却与用于储存气态氢气的部分压缩技术相结合。液态氢在环境压力下需要低于 20 K (-253 °C/-423 °F)的温度，而气态氢在环境温度下往往需要压缩到 700 bar 的范围。
假设将氢气保持在 20 K，然后压缩到 240 bar。根据 Langmi 等人的研究，氢气的容积存储量将从 70 克/升增加到 87 克/升。但同时也大大减少，甚至有可能几乎消除液态氢储存中特有的沸腾损失。此外还可以以液体转移的速度加注氢气，而无需在每个加气站安装价值数百万美元的压缩机设备。
劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）和凡尔纳的代表与凡尔纳的 CcH2 储存系统合影，该系统可按比例安装在半挂卡车上使用。正如《复合材料世界》所解释的那样，使用时还可以使用更轻的储罐，或者用更便宜的材料制造储罐，因为不需要处理 700 巴的压力水平，也不需要在载具内提供主动冷却，隔热油箱可以自行保持低温，因为每次使用燃料时，剩余的燃料都会膨胀到油箱中，热力学原理会帮助降低温度。
ZeroAvia 与 Verne 签订谅解备忘录后，Verne 公司去年与劳伦斯-利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Labs）合作，展示了一个在未公开的压力和温度水平下运行的 CcH2 系统，该系统能够比同等规模的液态氢系统多储存 27% 的氢气。
Verne 公司相信，其 CcH2 技术的可用氢密度"比液氢高出 40%"，目前正与 ZeroAvia 公司合作，"共同评估"CcH2 在航空领域的应用机会，并对机场快速加氢所需的地面基础设施进行调查。
在《复合材料世界》的一次采访中，Cryomotive 的托比亚斯-布鲁纳（Tobias Brunner）解释说，他的公司认为其 CcH2 储存技术"非常适合航空业"--但仅限于小型飞机，因为一旦你使用容纳数百或数千公斤燃料的大型油箱，液氢就会在系统层面重新成为更轻质的解决方案。

开发世界上最大的氢动力零排放电动飞机

 

据外媒报道，美国两家公司共同宣布，将联合为“科纳（Kona）”货运无人机开发氢电动力发动机。如果项目进展顺利，这款无人机将成为世界上最大的氢动力零排放电动飞机。
“科纳”作为美国最大的商业无人机，翼展26米，可从800米长的跑道起飞，携带3.8吨货物和燃料，航程1667千米，预计2024年开始试飞。该机采用翼身融合设计，机舱内空间更大，可携带更多货物，同时为安装氢动力系统提供了足够空间。
电动飞机是指依靠电动机而非内燃机驱动的飞机。依据电力推进系统不同，电动飞机分为太阳能电动飞机、蓄电池电动飞机、燃料电池电动飞机和混合动力飞机。“科纳”货运无人机属于燃料电池电动飞机。
世界上第一架电动飞机出现于1957年，使用永磁电动机和银锌电池驱动。近年来，随着新材料、电池等技术不断取得突破，电动飞机的发展势头更加迅猛。美、日、欧盟等发达国家和地区纷纷将电动飞机作为航空运输业的新兴力量，大力推动其发展。
从技术上看，电动飞机具有零排放、低噪音、乘坐舒适性好、安全可靠等优势。波音、空客等飞机制造公司已经在探索电动飞机在公共出行、城市物流、智慧医疗、抢险救援等方面的应用潜力。在军事领域，电动飞机以低噪隐身、便于机动等特点受到青睐。据报道，美国空军不久前与一家航空初创公司签订合同，计划采购9架“电动垂直起降飞机”，首批两架将于2024年交付爱德华兹空军基地。另外，美国空军自2020年以来一直研究电动垂直起降飞机，满足其在物资运输、紧急医疗响应等方面的需求。
从目前发展现状看，电动飞机面临以下技术挑战。一方面，电池技术瓶颈难以突破。由于电池能量密度低，因此需要庞大的电池组，导致电力推进系统体积庞大、占用空间多、开发成本高。同时，电池性能受温度影响大，在低温环境下容易出现电力不足、续航力下降等问题。另一方面，对天气和环境的适应能力差。目前电动飞机只能在良好的天气条件下运行，遇到雨雪、雷电等恶劣天气情况则无法飞行。尽管如此，随着技术进步，在各种技术难题逐步得到解决后，电动飞机将迎来飞速发展阶段，有望成为绿色航空的“新选择”。

美国加州初创公司Natilus与氢电发动机公司ZeroAvia联合开发，Kona采用碳纤维、翼身融合（BWB）设计，增加了氢气存储量与载货量，可将货运成本降低60%，又能实现碳的零排放。它能帮助航运公司在大型飞机不能覆盖的偏远地区开辟新兴市场，运送更多的电子商务包裹，为边远地区提供所需的药品、食品和其他重要物品。

Natilus目前有超过68亿美元的订单承诺，以及460多架飞机的预订，订单主要来自主要航空公司和集成商：Ameriflight、Volatus Aerospace、Flexport、Astral、Aurora International和Dymond。
Natilus公司经过三年的风洞测试，对一架四分之一比例的Kona原型机进行了飞行测试，验证了BWB设计的性能。ZeroAvia在英国和美国都有基地，目前已经在一架19座的测试飞机上对其原型发动机ZA600进行多次试飞。BWB设计的主要挑战之一是稳定性，试飞验证了 Natilus 配置可以在没有复杂自动驾驶系统帮助的情况下飞行。
“我们完全专注于完成全尺寸 Kona 原型”，Natilus 联合创始人兼首席执行官 Aleksey Matyushev 说。“我们的 Kona 遥控无人飞机将能够运载超过 9000 磅的货物，并将在全球开辟新市场。Natilus 开发自主货运飞机的进展改变了物流行业的游戏规则，为跨洋运输货物提供了高效且具有成本效益的解决方案。”