.jpg/1280px-CCCP-85035_Tupolev_Tu.155_(7286104458).jpg)
Самолет на водородном топливе — это самолет , который использует водородное топливо в качестве источника энергии. Водород может сжигаться в реактивном двигателе или другом виде двигателя внутреннего сгорания , или может использоваться для питания топливного элемента для выработки электроэнергии для питания электрического движителя. Его нельзя хранить в традиционном мокром крыле , и водородные баки должны размещаться в фюзеляже или поддерживаться крылом.
Водород, который может быть получен из низкоуглеродной энергии и может производить нулевые выбросы , может снизить воздействие авиации на окружающую среду . Boeing признает потенциал технологии, а Airbus планирует запустить первый коммерческий самолет на водородном топливе к 2035 году. [1] McKinsey & Company прогнозирует выход водородных самолетов на рынок в конце 2030-х годов и их масштабирование до 2050 года, когда они смогут обеспечить треть спроса на энергию в авиации. [2]
Водород имеет удельную энергию 119,9 МДж/кг, по сравнению с ~43,5 МДж/кг для обычного жидкого топлива , [3] 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) он достигает 4500 кДж/л, [3] все еще в 7 раз ниже, чем у жидкого топлива. Охлажденный до 20 К (−253 °C), жидкий водород имеет плотность энергии 8491 кДж/л, [3] в 3,7 раза ниже, чем у жидкого топлива.
Низкая объемная плотность энергии водорода создает проблемы при проектировании самолета, где решающее значение имеют вес и открытая площадь поверхности. [4] Для уменьшения размера баков будет использоваться жидкий водород , что потребует криогенных топливных баков . [4] [5] Цилиндрические баки минимизируют поверхность для минимального веса теплоизоляции , что приводит к размещению баков в фюзеляже, а не в мокрых крыльях, как в обычных самолетах. [4] [5] Объем самолета и сопротивление будут несколько увеличены за счет более крупных топливных баков. [6] Более крупный фюзеляж добавляет больше сопротивления трения поверхности из-за дополнительной смоченной площади . Дополнительный вес бака компенсируется значительно меньшим весом жидкого водородного топлива.
Газообразный водород может использоваться для самолетов ближнего следования. [7] Жидкий водород может потребоваться для самолетов дальнего следования.
Высокая удельная энергия водорода означает, что ему потребуется меньше топлива для той же дальности полета, игнорируя последствия дополнительного объема и веса бака. [5] Поскольку доля топлива в максимальном взлетном весе авиалайнеров составляет от 26% для среднемагистральных рейсов до 45% для дальнемагистральных рейсов, максимальный вес топлива может быть снижен до 9% - 16% от максимального взлетного веса.
Топливные элементы имеют смысл для авиации общего назначения и региональных самолетов, но эффективность их двигателей ниже, чем у больших газовых турбин . Они более эффективны, чем современные турбовинтовые авиалайнеры с 7–90 пассажирами, такие как DASH 8. [6] Эффективность самолета на водородном топливе является компромиссом между большей площадью смачивания, меньшим весом топлива и дополнительным весом бака, который варьируется в зависимости от размера самолета. [ необходима цитата ] Водород подходит для авиалайнеров малой дальности. В то время как для самолетов большей дальности требуются новые конструкции самолетов. [8]
Жидкий водород является одним из лучших охладителей, используемых в технике, и предварительно охлажденные реактивные двигатели были предложены для использования этого свойства для охлаждения всасываемого воздуха гиперзвуковых самолетов или даже для охлаждения самой обшивки самолета, особенно для самолетов с гиперзвуковыми прямоточными воздушно-реактивными двигателями. [9]
Исследование, проведенное в Великобритании NAPKIN (New Aviation, Propulsion Knowledge and Innovation Network) в сотрудничестве с аэропортом Хитроу , Rolls-Royce , GKN Aerospace и Cranfield Aerospace solutions, изучило потенциал новых конструкций самолетов на водородном топливе для снижения воздействия авиации на окружающую среду. [10] Разработчики самолетов предложили ряд концепций самолетов на водородном топливе, вместимостью от 7 до 90 мест, исследуя использование водорода с топливными элементами и газовыми турбинами для замены обычных авиационных двигателей, работающих на ископаемом топливе . Результаты показывают, что в Великобритании самолеты на водородном топливе могут стать коммерчески жизнеспособными для ближнемагистральных и региональных рейсов ко второй половине 2020-х годов, а авиакомпании потенциально смогут заменить весь региональный флот Великобритании водородными самолетами к 2040 году. [10] Однако в отчете подчеркивается, что национальные поставки и цена зеленого жидкого водорода по сравнению с ископаемым керосином являются критическими факторами, определяющими внедрение водородных самолетов операторами авиакомпаний. Моделирование показало, что если цены на водород приблизятся к 1 доллару США за кг, то использование водорода в самолетах может покрыть почти 100% внутреннего рынка Великобритании. [10]
Водородные самолеты, использующие конструкцию топливных элементов , имеют нулевые выбросы в процессе эксплуатации, тогда как самолеты, использующие водород в качестве топлива для реактивного двигателя или двигателя внутреннего сгорания, имеют нулевые выбросы 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→ Н
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 количестве из низкоуглеродной энергии, такой как ветер или ядерная энергия, его использование в самолетах будет производить меньше парниковых газов , чем современные 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 Clean Sky 2 и Fuel Cells and Hydrogen 2, показало, что к 2035 году водород может использоваться в качестве топлива для самолетов малой дальности . [8] Самолет малой дальности (<2000 км, 1100 морских миль) с гибридными топливными элементами /турбинами может снизить воздействие на климат на 70–80% за 20–30% дополнительных затрат, среднемагистральный авиалайнер с турбинами H2 может снизить воздействие на климат на 50–60% за 30–40% дополнительных затрат, а дальнемагистральный самолет (>7000 км, 3800 морских миль) также с турбинами H2 может снизить воздействие на климат на 40–50% за 40–50% дополнительных затрат. [8] Потребуются исследования и разработки в области авиационных технологий и инфраструктуры, правил и стандартов сертификации водорода. [8]
Водяной пар является парниковым газом – фактически, большая часть общего парникового эффекта на Земле обусловлена водяным паром. [13] Однако в тропосфере содержание водяного пара определяется не антропогенными выбросами, а естественным круговоротом воды , поскольку вода не остается долго статичной в этом слое атмосферы. [14] Это отличается в стратосфере , которая – без вмешательства человека – была бы почти полностью сухой и по-прежнему оставалась бы относительно лишенной воды. [15] Если сжигать водород и полученный водяной пар высвобождается на стратосферных высотах ( крейсерская высота некоторых коммерческих рейсов находится в пределах стратосферы – сверхзвуковой полет происходит почти полностью на стратосферной высоте), содержание водяного пара в стратосфере увеличивается. Из-за длительного времени пребывания водяного пара на этих высотах долгосрочные эффекты в течение лет или даже десятилетий не могут быть полностью сброшены со счетов. [16] [17]
В феврале 1957 года самолет Martin B-57 B NACA совершил полет на водороде в течение 20 минут для одного из своих двух двигателей Wright J65 вместо реактивного топлива. [18] 15 апреля 1988 года Ту-155 впервые поднялся в воздух как первый экспериментальный самолет с водородным двигателем, [19] адаптированный авиалайнер Ту-154 .
Boeing переоборудовал двухместный Diamond DA20 для работы на топливных элементах, разработанных и построенных Intelligent Energy . [20] Первый полет состоялся 3 апреля 2008 года. [21] Antares DLR-H2 — это работающий на водороде самолет от Lange Aviation и Немецкого аэрокосмического центра . [22] В июле 2010 года Boeing представил свой работающий на водороде беспилотный летательный аппарат Phantom Eye , который использует два переоборудованных поршневых двигателя Ford Motor Company . [23]
В 2010 году Rapid 200FC завершил шесть летных испытаний на газообразном водороде . Самолет и электрическая и энергетическая система были разработаны в рамках проекта Европейского Союза ENFICA-FC, координируемого Политехническим университетом Турина . [24] Водородный газ хранится при давлении 350 бар, питая топливный элемент мощностью 20 кВт (27 л. с.), который питает электродвигатель мощностью 40 кВт (54 л. с.) вместе с литий-полимерным аккумулятором мощностью 20 кВт (27 л. с.) .
11 января 2011 года беспилотный летательный аппарат AeroVironment Global Observer совершил свой первый полет с использованием двигательной установки на водородном топливе. [25]
Разработанный немецким Институтом инженерной термодинамики DLR , четырехместный самолет DLR HY4 был оснащен водородным топливным элементом, его первый полет состоялся 29 сентября 2016 года. [26] Он имеет возможность хранить 9 кг (20 фунтов) водорода, 4 топливных элемента по 11 кВт и 2 аккумулятора по 10 кВт·ч. [27] [ нужен лучший источник ]
19 января 2023 года компания ZeroAvia запустила свой испытательный самолет Dornier 228 с одним турбовинтовым двигателем, замененным в салоне прототипом водородно-электрической силовой установки, состоящей из двух топливных элементов и литий-ионной батареи для пиковой мощности. [28] 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). [28]
2 марта 2023 года Universal Hydrogen запустила испытательный самолет Dash 8 на 40 пассажиров с одним двигателем, работающим на их водородно-электрической силовой установке. Компания получила заказ от Connect Airlines на переоборудование 75 самолетов ATR 72-600 с их водородными силовыми установками. [29]
8 ноября 2023 года компания Airbus подняла в воздух модифицированный планер Schempp-Hirth Arcus-M, получивший название Blue Condor, впервые оснащенный двигателем внутреннего сгорания на водороде, использующим водород в качестве единственного источника топлива. [30]
24 июня 2024 года демонстрационный образец S4 eVTOL компании Joby Aviation , переоборудованный в мае водородно-электрической силовой установкой, совершил рекордный беспосадочный полет протяженностью 523 мили, что более чем в три раза превышает дальность полета версии с питанием от батареи. Он приземлился с 10% жидкого водородного топлива, оставшегося в его криогенном топливном баке, и единственным выбросом в полете был водяной пар. Система водородных топливных элементов обеспечивала питание шести электрических роторов eVTOL во время полета, а небольшая батарея обеспечивала дополнительную взлетную и посадочную мощность. [31] [32]
В 1975 году компания Lockheed подготовила исследование дозвукового транспортного самолета, работающего на жидком водороде, для NASA Langley, изучая авиалайнеры, перевозящие 130 пассажиров на расстояние 2780 км (1500 морских миль); 200 пассажиров на расстояние 5560 км (3000 морских миль); и 400 пассажиров на расстояние 9265 км (5000 морских миль). [33]
В период с апреля 2000 года по май 2002 года Европейская комиссия финансировала половину исследования Cryoplane под руководством Airbus , оценивая конфигурации, системы, двигатели, инфраструктуру, безопасность, экологическую совместимость и сценарии перехода. [34] Было предусмотрено несколько конфигураций: 12-местный бизнес-джет с дальностью полета 3500 морских миль (6500 км), региональный авиалайнер на 44 пассажира на расстояние более 1500 морских миль (2800 км) и 70 пассажиров на расстояние более 2000 морских миль (3700 км), узкофюзеляжный самолет средней дальности на 185 пассажиров на расстояние более 4000 морских миль (7400 км) и широкофюзеляжный самолет большой дальности на 380–550 пассажиров на расстояние более 8500 морских миль (15700 км). [35]
В сентябре 2020 года Airbus представила три концепции ZEROe на водородном топливе, нацеленные на коммерческую эксплуатацию к 2035 году: [36] 100-местный турбовинтовой, 200-местный турбовентиляторный и футуристический дизайн, основанный на корпусе смешанного крыла . [37] Самолеты оснащены газовыми турбинами, а не топливными элементами. [38]
В декабре 2021 года Институт аэрокосмических технологий Великобритании (ATI) представил свое исследование FlyZero , посвященное криогенному жидкому водороду, используемому в газовых турбинах для конструкции на 279 пассажиров с дальностью полета 5250 морских миль (9720 км). [39] 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 стратегию по водороду. Этот отчет включал предлагаемую стратегию для самолетов на водороде и других видов транспорта. [40] [ важность? ]
В марте 2022 года компания FlyZero представила три концептуальных самолета:
В марте 2021 года компания Cranfield Aerospace Solutions объявила, что проект Fresson перешел с аккумуляторных батарей на водород для модернизации девятиместного самолета Britten-Norman Islander с демонстрацией в сентябре 2022 года. [42] 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 и проектом турбинного двигателя с промежуточным охлаждением и впрыском водорода (HySIITE), чтобы избежать выбросов углекислого газа, сократить выбросы NOx на 80% и сократить расход топлива на 35% по сравнению с текущим реактивным топливом PW1100G, для ввода в эксплуатацию к 2035 году с совместимым планером. [43] 21 февраля 2022 года Министерство энергетики США через схему OPEN21, проводимую его Агентством перспективных исследовательских проектов в энергетике (ARPA-E), выделило P&W 3,8 миллиона долларов на двухлетнюю исследовательскую инициативу ранней стадии для разработки камеры сгорания и теплообменника , используемого для рекуперации водяного пара в потоке выхлопных газов, впрыскиваемого в камеру сгорания для увеличения ее мощности, а также в компрессор в качестве промежуточного охладителя и в турбину в качестве охлаждающей жидкости. [43]
В феврале 2022 года Airbus объявила о демонстрации турбовентиляторного двигателя, работающего на жидком водороде, а CFM International модифицировала камеру сгорания, топливную систему и систему управления GE Passport , установленного на пилоне фюзеляжа прототипа A380 , для первого полета, ожидаемого в течение пяти лет. [44]