.jpg/1280px-CCCP-85035_Tupolev_Tu.155_(7286104458).jpg)
Самолет с водородным двигателем — это самолет , в котором в качестве источника энергии используется водородное топливо . Водород можно либо сжигать в реактивном двигателе или двигателе внутреннего сгорания другого типа , либо использовать для питания топливного элемента для выработки электроэнергии для питания электрического движителя. Его нельзя хранить в традиционном «мокром крыле» , а баки с водородом приходится размещать в фюзеляже или поддерживать на крыле.
Водород, который можно производить из низкоуглеродной энергии и производить нулевые выбросы , может снизить воздействие авиации на окружающую среду . Boeing признает технологический потенциал, а Airbus планирует выпустить первый коммерческий самолет с водородным двигателем к 2035 году . энергетические потребности авиации. [2]
Водород имеет удельную энергию 119,9 МДж/кг по сравнению с ~43,5 МДж/кг для обычных жидких топлив [3] , что в 2,8 раза выше. Однако он имеет плотность энергии 10,05 кДж/л при нормальном атмосферном давлении и температуре по сравнению с ~31293 кДж/л для жидкого топлива [3] в 3114 раз ниже. При давлении 690 бар (10 000 фунтов на квадратный дюйм) оно достигает 4500 кДж/л, [3] что все еще в 7 раз ниже, чем у жидкого топлива. Охлажденный до 20 К (-253 °С) жидкий водород имеет плотность энергии 8491 кДж/л, [3] в 3,7 раза ниже, чем жидкое топливо.
Низкая объемная плотность энергии водорода создает проблемы при проектировании самолета, где вес и площадь открытой поверхности имеют решающее значение. [4] Для уменьшения размеров баков будет использоваться жидкий водород , что потребует баков с криогенным топливом . [4] [5] Цилиндрические баки минимизируют площадь поверхности для минимального теплоизоляционного веса, что приводит к тому, что баки располагаются в фюзеляже , а не в мокрых крыльях в обычных самолетах. [4] [5] Объем и лобовое сопротивление самолета будут несколько увеличены за счет увеличения топливных баков. [6] Увеличенный фюзеляж увеличивает сопротивление трения обшивки из-за дополнительной смачиваемой площади . Дополнительный вес бака компенсируется значительно меньшим весом жидкого водородного топлива.
Газообразный водород может использоваться для ближнемагистральных самолетов. [7] Жидкий водород может потребоваться для дальнемагистральных самолетов.
Высокая удельная энергия водорода означает, что для того же диапазона потребуется меньший вес топлива, игнорируя последствия увеличения объема и веса бака. [5] Поскольку доля топлива в максимальной взлетной массе авиалайнеров составляет от 26% для среднемагистральных рейсов до 45% для дальнемагистральных, максимальный вес топлива может быть снижен до 9–16% от максимальной взлетной массы.
Топливные элементы имеют смысл для авиации общего назначения и региональных самолетов, но эффективность их двигателей меньше, чем у больших газовых турбин . Они более эффективны, чем современные турбовинтовые авиалайнеры на 7–90 пассажиров, такие как DASH 8. [6] Эффективность самолета, работающего на водородном топливе, представляет собой компромисс между большей смачиваемой площадью, меньшим весом топлива и дополнительным весом бака. варьируется в зависимости от размера самолета. [ нужна цитата ] Водород подходит для авиалайнеров ближнего действия. А дальнемагистральным самолетам нужны новые конструкции самолетов. [8]
Жидкий водород является одним из лучших охлаждающих жидкостей, используемых в технике, и в предварительно охлажденных реактивных двигателях было предложено использовать это свойство для охлаждения всасываемого воздуха гиперзвуковых самолетов или даже для охлаждения самой обшивки самолета, особенно для самолетов с прямоточным воздушно-реактивным двигателем. [9]
Исследование, проведенное в Великобритании, NAPKIN (Новая сеть знаний и инноваций в области авиации, двигательной техники) в сотрудничестве с аэропортом Хитроу , Rolls-Royce , GKN Aerospace и Cranfield Aerospace Solutions, изучило потенциал новых конструкций самолетов с водородными двигателями для снижения воздействие авиации на окружающую среду. [10] Авиаконструкторы предложили ряд концепций самолетов, работающих на водородном топливе, от 7 до 90 мест, исследуя возможность использования водорода в топливных элементах и газовых турбинах для замены обычных авиационных двигателей, работающих на ископаемом топливе . Результаты показывают, что в Великобритании самолеты с водородными двигателями могут стать коммерчески жизнеспособными для ближнемагистральных и региональных рейсов ко второй половине 2020-х годов, а авиакомпании потенциально смогут заменить весь региональный парк Великобритании водородными самолетами к 2040 году . В докладе подчеркивается, что национальные поставки и цена зеленого жидкого водорода по сравнению с ископаемым керосином являются решающими факторами, определяющими использование водородных самолетов авиакомпаниями. Моделирование показало, что, если цены на водород приблизится к 1 доллару за кг, потребление водородных самолетов может охватить почти 100% внутреннего рынка Великобритании. [10]
Водородные самолеты, использующие конструкцию топливных элементов , имеют нулевой уровень выбросов при эксплуатации, тогда как самолеты, использующие водород в качестве топлива для реактивного двигателя или двигателя внутреннего сгорания, имеют нулевой уровень выбросов CO 2 ( парниковый газ , который способствует глобальному изменению климата ), но не NO. x (местный загрязнитель воздуха ). Сжигание водорода в воздухе приводит к образованию NO x , т. е . H
2+ ½ О
2→ Ч
2Реакция O в среде, богатой азотом, также приводит к образованию NO x . [11] Однако при сгорании водорода образуется на 90 % меньше оксидов азота, чем при сжигании керосина, и исключается образование твердых частиц . [5]
Если водород доступен в большом количестве из низкоуглеродной энергетики, такой как ветровая или ядерная, его использование в самолетах будет производить меньше парниковых газов , чем нынешние самолеты: водяной пар и небольшое количество оксида азота. В настоящее время очень мало водорода производится с использованием низкоуглеродных источников энергии. [12] [ не удалось проверить ]
Исследование, проведенное в 2020 году совместными предприятиями ЕС « Чистое небо 2» и «Топливные элементы и водород 2», показало, что к 2035 году водород может использоваться в самолетах ближнего радиуса действия . [8] Самолет ближнего действия (< 2000 км, 1100 морских миль) с гибридными топливными элементами /турбинами может снизить воздействие на климат на 70–80% при дополнительных затратах в 20–30%, авиалайнер средней дальности с турбинами H 2 может иметь снижение воздействия на климат на 50–60% при завышенных затратах на 30–40%, а самолет дальнего действия (> 7000 км, 3800 морских миль) также с турбинами H 2 может снизить воздействие на климат на 40–50% за 40–50% % Дополнительная стоимость. [8] Потребуются исследования и разработки в области авиационных технологий и водородной инфраструктуры, правил и стандартов сертификации. [8]
В феврале 1957 года самолет Martin B-57 B из NACA в течение 20 минут летал на водороде для одного из двух двигателей Wright J65 , а не на реактивном топливе. [13] 15 апреля 1988 года Ту-155 впервые поднялся в воздух как первый экспериментальный самолет с водородным двигателем, [14] адаптированный авиалайнер Ту-154 .
Boeing переоборудовал двухместный Diamond DA20 для работы на топливных элементах , разработанных и изготовленных Intelligent Energy . [15] Первый полет он совершил 3 апреля 2008 года. [ 16] Antares DLR-H2 — это самолет с водородным двигателем от Lange Aviation и немецкого аэрокосмического центра . [17] В июле 2010 года компания Boeing представила свой БПЛА Phantom Eye с водородным двигателем, в котором используются два переоборудованных поршневых двигателя Ford Motor Company . [18]
В 2010 году Rapid 200FC завершил шесть летных испытаний на газообразном водороде . Самолет, а также электрическая и энергетическая система были разработаны в рамках проекта Европейского Союза ENFICA-FC, координируемого Туринским политехническим институтом . [19] Водород хранится под давлением 350 бар и питает топливный элемент мощностью 20 кВт (27 л.с.), приводящий в действие электродвигатель мощностью 40 кВт (54 л.с.), а также литий-полимерный аккумулятор мощностью 20 кВт (27 л.с.) .
11 января 2011 года беспилотный самолет AeroVironment Global Observer совершил свой первый полет с силовой установкой, работающей на водороде. [20]
Четырехместный самолет DLR HY4 , разработанный немецким институтом инженерной термодинамики DLR , был оснащен водородным топливным элементом. Его первый полет состоялся 29 сентября 2016 года. [21] Он имеет возможность хранить 9 кг (20 фунтов) топлива. водород, 4 топливных элемента по 11 кВт и 2 батареи по 10 кВтч. [22] [ нужен лучший источник ]
19 января 2023 года компания ZeroAvia провела испытательный стенд Dornier 228 , в котором один турбовинтовой двигатель заменен прототипом водородно-электрической трансмиссии в кабине, состоящей из двух топливных элементов и литий-ионной батареи для максимальной мощности. [23] Цель состоит в том, чтобы к 2025 году иметь сертифицированную систему для питания планеров, перевозящих до 19 пассажиров на расстояние более 300 морских миль (560 км). [23]
2 марта 2023 года компания Universal Hydrogen запустила испытательный стенд Dash 8 на 40 пассажиров с одним двигателем, оснащенным водородно-электрической трансмиссией. Компания получила заказ от Connect Airways на переоборудование 75 самолетов ATR 72-600 с водородными силовыми агрегатами. [24]
В 1975 году компания Lockheed подготовила для НАСА в Лэнгли исследование дозвукового транспортного самолета, работающего на жидком водороде , исследуя авиалайнеры, перевозящие 130 пассажиров на расстояние 2780 км (1500 морских миль); 200 пассажиров на расстояние более 5560 км (3000 миль); и 400 пассажиров на расстояние более 9 265 км (5 000 миль). [25]
В период с апреля 2000 г. по май 2002 г. Европейская комиссия профинансировала половину исследования криоплана под руководством Airbus , в ходе которого оценивались конфигурации, системы, двигатели, инфраструктура, безопасность, экологическая совместимость и сценарии перехода. [26] Было предусмотрено несколько конфигураций: бизнес-джет на 12 пассажиров с дальностью полета 3500 миль (6500 км), региональный авиалайнер на 44 пассажира с дальностью более 1500 миль (2800 км) и 70 пассажиров с дальностью полета более 2000 миль (3700 км), самолет средней дальности. для 185 пассажиров на расстояние более 4000 морских миль (7400 км) и самолетов дальнего действия на 380–550 пассажиров на расстояние более 8500 морских миль (15700 км). [27]
В сентябре 2020 года Airbus представил три концепции ZEROe , работающие на водородном топливе, которые будут введены в коммерческую эксплуатацию к 2035 году: [28] турбовинтовой самолет на 100 пассажиров, турбовентиляторный двигатель на 200 пассажиров и футуристический дизайн, основанный на корпусе смешанного крыла . [29] Самолет приводится в движение газовыми турбинами, а не топливными элементами. [30]
В декабре 2021 года Британский институт аэрокосмических технологий (ATI) представил исследование FlyZero по криогенному жидкому водороду , используемому в газовых турбинах для конструкции на 279 пассажиров и дальности полета 5250 морских миль (9720 км). [31] ATI поддерживается Airbus, Rolls-Royce, GKN, Spirit, General Electric, Reaction Engines, Easyjet, NATS , Belcan , Eaton , Mott MacDonald и MTC.
В августе 2021 года правительство Великобритании заявило, что оно первым разработало водородную стратегию. В этот отчет включена предлагаемая стратегия в отношении самолетов с водородными двигателями, а также других видов транспорта. [32] [ важность? ]
В марте 2022 года FlyZero подробно рассказала о трех своих концептуальных самолетах:
В марте 2021 года Cranfield Aerospace Solutions объявила , что проект Fresson перешел с батарей на водород для модернизации девятиместного самолета Britten-Norman Islander для демонстрации в сентябре 2022 года. [34] Проект Fresson поддерживается Институтом аэрокосмических технологий в партнерстве с Министерством бизнеса, энергетики и промышленной стратегии Великобритании и Innovate UK .
Pratt & Whitney хочет связать свою архитектуру турбовентиляторного двигателя с редуктором со своим проектом турбинного двигателя с впрыском пара и промежуточным охлаждением водорода (HySIITE), чтобы избежать выбросов углекислого газа, сократить выбросы NO x на 80 % и снизить расход топлива на 35 % по сравнению с нынешнее реактивное топливо PW1100G, которое будет введено в эксплуатацию к 2035 году с совместимым планером. [35] 21 февраля 2022 года Министерство энергетики США через схему OPEN21, проводимую Агентством перспективных исследовательских проектов в области энергетики (ARPA-E), выделило P&W 3,8 миллиона долларов на двухлетнюю исследовательскую инициативу на ранней стадии, направленную на разработку камеры сгорания и теплообменник используется для рекуперации водяного пара в потоке выхлопных газов, впрыскиваемого в камеру сгорания для увеличения ее мощности, в компрессор в качестве промежуточного охладителя и в турбину в качестве охлаждающей жидкости. [35]
В феврале 2022 года Airbus объявил о демонстрации турбовентиляторного двигателя, работающего на жидком водороде, при этом CFM International модифицировала камеру сгорания, топливную систему и систему управления GE Passport , установленного на пилоне фюзеляжа прототипа A380 , для первого полета, который ожидается в течение пяти лет. годы. [36]