Националният център за композити на Обединеното кралство (НКЦ) разработи демонстратор на космически резервоар за съхранение на течен водород, който е с дължина 750 мм, диаметър 450 мм и побира над 96 литра течен водород.

Резервоарът е проектиран и произведен с номинална дебелина на стената от 4,0 до 5,5 мм, което му позволява да издържа на налягане от 85 бара. Композитното тяло от въглеродни влакна тежи само 8 килограма и е планирано допълнително оптимизиране на теглото. НКЦ използва 300 мм широк MTC510 епоксиден препрег от въглеродни влакна. MTC510 е система от епоксидна смола, предназначена да се втвърдява между 80°C и 120°C и е закалена, за да подобри устойчивостта на повреди. BINDATEX предостави препрег лентата, която беше прецизно нарязана до 6,35 мм ширина и върната като 22 000 метра материал за използване в оборудване за автоматизирано поставяне на влакна на Кориолис (AFP). Устройството Кориолис AFP беше използвано за увиване на 6,35 мм препрег лента около миеща се форма, като процесът на навиване се контролира от специализиран софтуер за управление както на спираловидно, така и на обръчно навиване. Процесът на навиване, с над 24 слоя и дебелина до 5,5 мм, може да се регулира, за да се оптимизират специфичните изисквания за налягане или натоварване на резервоара.

Формата на сърцевината с дебелина на стената 30 мм беше отлята на две части и след това залепена заедно. Инструментът включва три вътрешни подсилващи пръстена, които могат да се мият, проектирани да издържат на очакваните торсионни натоварвания по време на автоматично поставяне на композитен слой и налягането, прилагано по време на втвърдяване в автоклав. Отворите за метални клапани за флуиди са интегрирани в миещата се сърцевина, елиминирайки необходимостта от вторично сглобяване и операции по свързване на крайния продукт. Тези портове са свързани с въглеродния композит в по-късните етапи на производствения процес. След навиване резервоарът се проверява за дефекти и промени в дебелината, втвърдява се в автоклав при 100°C и се проверява отново. Тестването без разрушаване след втвърдяване (NDT) с помощта на ултразвуково С-сканиране и термография се сравнява за идентифициране на всякакви дефекти като разслоявания и порьозности. Накрая формата на вътрешната сърцевина се промива със студена вода под налягане, за да се гарантира, че кухината на резервоара е чиста.

Защо да използваме течен водород в гражданските самолети?

Водородът има тегловна енергийна плътност от 33,3kWh/килограма в сравнение с 12kWh/килограма на керосина. При нормално налягане и температура водородът има плътност от 0,090 килограма/m³. При 700 бара (700 пъти нормалното атмосферно налягане), плътността на водорода е 42 килограма/m³, което позволява резервоар от 125 L да съхранява 5 килограма водород. При -252,87°C и 1,013 бара, течният водород има плътност, близка до 71 килограма/m³, което позволява резервоар от 75 L да съхранява 5 килограма водород. Съхраняването на течен водород в нискотемпературни резервоари спомага за допълнително намаляване на обема.

• 3000 литра газообразен водород при нормална температура и налягане е еквивалентен по енергия на 1 литър авиационен керосин.

• 6 литра газообразен водород при 700 бара е еквивалентен по енергия на 1 литър авиационен керосин.

• 4 литра (1,05 галона) течен водород при -252,87°C и 1,013 бара осигуряват същата енергия като 1 литър авиационен керосин.

От тези данни става ясно, че съхранението на течен водород (-252,87°C) изисква най-малкия обем на резервоара за съхранение. По-малките обеми на резервоара са по-лесни за интегриране в аеродинамичната форма на самолета.

Ключови технически проблеми на нискотемпературни (-252,87°C) резервоари за съхранение на течен водород:

1. Поддържане на течния водород в резервоара под -253°C:В момента се използва вакуумно изолирана конструкция между вътрешния и външния резервоар. Вътрешният резервоар е направен от подсилени с въглеродни влакна композитни смоли, докато външният резервоар съдържа множество слоеве специална изолация.

2. Инсталиране и поддръжка на вътрешни системи в резервоара:Предизвикателството да инсталирате и поддържате тръбопроводи и системни компоненти вътре в резервоара, ако използвате текущия процес на намотаване на влакна.

3. Избор на материал за резервоара и неговите вътрешни компоненти:Въздействието на нискотемпературната среда (-252,87°C) върху материалите, използвани за резервоара и неговите вътрешни компоненти.

4. Техники за изпитване при ниска температура и технологии за управление на разпръскване на гориво.

5. Издръжливост на чести излитания и кацания:Резервоарът за водород трябва да издържи приблизително 20 000 излитания и кацания.

Въздействие върху конструкцията на самолета

Горивните резервоари в структурата на крилото на самолета са кухини, използвани за съхранение на гориво. Резервоар за крила A320 може да съхранява приблизително 20 тона авиационен керосин (подобно на Боинг 737 и COMAC C919). Заменяйки керосина с течен водород, 94m³ цилиндричен резервоар за течен водород може да бъде монтиран само в задната част на фюзелажа, което изисква значително удължаване на фюзелажа. Задната част на фюзелажа е конусовидна с максимален диаметър по-малък от 4 метра. Простото разширяване на фюзелажа, за да побере резервоар от 94 m³, е непрактично; следователно диаметърът на фюзелажа също трябва да бъде увеличен.

В новия дизайн на A320 кръгъл и коничен резервоар са монтирани в задната част на фюзелажа. Все още обаче не е ясно дали диаметърът на фюзелажа ще бъде увеличен, но е вероятно. Обединеното кралство представи дизайн на граждански самолет, задвижван с течен водород, с тесния корпус „FZN-1E“, който ще замени сегашния A320. Този нов дизайн удължава фюзелажа с 10 м, увеличава диаметъра с 1 м, има оформление на кабината с две пътеки, преработени крила, добавени"предни планове"на носа и двигатели, монтирани на опашката.

Напредък

Двигателите за граждански самолети се предлагат в два вида: турбовитлови двигатели и турбореактивни двигатели. За самолети с турбовитлови двигатели водородът генерира електричество чрез горивни клетки за захранване на генератори, задвижващи витлата. Този тип двигател се инсталира главно на регионални самолети с 10 до 70 места и малки самолети на общата авиация. Първоначалните изследвания с водородно гориво започнаха с тези типове самолети. На 12 април германски 4-местен водородно-електрически самолет "HY-4" успешно прелетя от Щутгарт до Фридрихсхафен. По-късно тази година може да видим в небето 19-местни "Дорние" и 75-местни "Q-400" и "ATR72-600" водородно-електрически самолети. През април 1988 г. Съветският съюз извърши изпитателен полет на модифициран Ту-155 с течноводороден турбореактивен двигател. След разпадането на Съветския съюз Русия не продължи това изследване.

В момента само четири компании в световен мащаб произвеждат и разработват граждански самолети с над 100 места: Боинг, Еърбъс, COMAC и Русия. Според скорошен доклад на чуждестранни медии, само Боинг и Еърбъс провеждат действителни изследвания за прилагане на граждански самолети с течен водород. Проектът на Боинг, осъществен преди повече от десетилетие на малък"Димона"витлов планер, беше предварителен. Еърбъс е напред, като е започнал полетни изпитания на голяма надморска височина на турбовентилаторни двигатели, захранвани с течен водород. Те също така са предоставили предварителни проекти за три типа самолети: витлови самолети, 150-местни самолети и широкофюзелажни самолети. Налична е повече информация за 150-местния самолет, който трябва да замени еднокорабния 150-местен A320, който е на пазара от близо 40 години. Еърбъс планира да пусне a"нов А320"между 2030 и 2035 г. Новият самолет ще разполага с"албатрос"аеродинамична конфигурация с ултрависоко аспектно съотношение, сгъваеми, махащи върхове на крилата и без клапи на обтекателя. Използваните материали ще бъдат термореактивни композити от епоксидна смола, подсилени с въглеродни влакна за крилата и високоефективни термопластични композити от въглеродни влакна за фюзелажа. Този нов самолет ще използва течен водород вместо авиационен керосин, с цел проектиране и производство за производство на 70-100 самолета на месец. Еърбъс е много по-напред от Боинг в разработването на самолети, работещи с течен водород (няма информация за това, че Боинг заменя 737 с течен водород).

Какво можем да направим?

Използването на водород вместо изкопаеми горива не само се справя с въглеродните емисии, но също така има стратегическо значение за страните, които нямат петролни ресурси. Китай е най-големият производител на водород в света с годишно производство от около 33 милиона тона. Няколко компании участват в производството на течен водород, а Китай е вторият по големина производител на въглеродни влакна в световен мащаб. По този начин разработването и производството на композитни резервоари за съхранение на водород имат солидна материална основа.

Различните аерокосмически и авиационни резервоари за съхранение на течен водород, обсъдени в тази статия, показват, че резервоарите за съхранение са проектирани и произведени, за да отговорят на специфичните нужди и структурни пространства на различни продукти. В момента много промишлени продукти все още използват изкопаеми горива или електричество от мрежата. Те могат да обмислят преминаване към водородна енергия. Има огромен набор от продукти, които трябва да бъдат разработени в областта на съхранението на водород, и много задачи ни очакват.

Някои данни в тази статия, получени от интернет, са многократно проверени за точност. Тези данни могат да се използват за оценка на първоначалните проектни размери и капацитет на резервоарите за съхранение на водород.