专家解读航空航天复合材料液氢存储罐

 

    存储罐的设计和制造标称壁厚为4.0至5.5mm，这将使该罐能够承受85巴的压力。碳纤维复合材料主体只有8公斤的材料质量，存储罐还有进一步优化减重的设计。NCC使用300mm宽的MTC510环氧碳纤维预浸料（由SHDComposites提供）。MTC510是一种环氧树脂系统，专门设计用于在80°C和120°C之间固化，并经过增韧处理以增加其损伤容限。

 

    由BINDATEX公司为缠绕储罐，将预浸带进行了窄宽度的精密切割，并以6.35mm的格式返回了长的22000m的材料，用于科里奥利（Coriolis）自动纤维铺放（AFP）设备。使用科里奥利（Coriolis）AFP设备的张紧纤维缠绕操作，将6.35mm的预浸带缠绕到可清洗（washable）模具上。缠绕过程使用专用软件，控制螺旋和环形缠绕。缠绕将超过24层、厚度达5.5mm。缠绕过程可以增加或减少这种复合材料的壁厚，并改变缠绕角度和铺层结构，以充分优化储罐的特定压力或负载要求。

 

    芯模壁厚为30毫米，分两部分铸造，然后粘合。该工具有三个（可清洗- washable）内部加强环，其设计和制造有助于承受自动复合材料铺层过程中预期的扭转载荷和高压釜固化过程中施加的压力。将金属流体阀端口包括在可清洗的芯模中，以消除最终产品所需的任何二次组装和粘接操作。这些流体阀端口固定在新型工具中，使它们能够在制造过程的后期与碳复合材料共同粘合。缠绕完成后，立即检查是否存在缺陷和厚度变化。然后在100°C下对其进行热压罐固化，并在之后重新检查。固化后使用超声波C扫描和热成像无损检测（NDT）技术，并对这些方法进行比较和对比，以确定是否适合检查未来储罐的缺陷，如分层和气孔。最后，在完成无损检测质量评估后，用加压冷水冲洗内部芯模，使储罐空腔保持清空。

 

    美国CTD公司曾公布一款叫“冰球-CryoSphere”的太空液氢存储罐。采用记忆泡沫材料制成的芯模。

 

    美国航空航天工程研发公司GTL（GloyerTaylorLaboratories）与多家公司合作，开发一款超轻液氢存储罐。长2.4米，直径1.2米，重12公斤。带裙板和真空杜瓦瓶壳，整个系统重67公斤，但可容纳150公斤以上的液态氢，使其储存率至少达到50%，比目前最先进的复合储氢罐高出10倍。此存储罐用于双发螺旋桨支线民机。 

 

1. 民机为什么要用液氢？    

 

    氢的重量能量密度为33.3kWh/kg，而煤油为12kWh/kg。正常压力和温度条件下，氢的密度为 0.090kg/m³。在700bar（是正常大气压的700倍）下，氢的密度为 42kg/m³。在这个压力下，一个125L的油箱可以储存5kg的氢气。在-252.87°C和1.013bar下，液态氢的密度接近 71kg/m³。在这个压力下，一个 75L的油箱可以储存 5kg的氢气。

 

储存在低温罐中的液态氢有助于进一步减少体积。

 

  （1）常温、常压下 3000 升的气态氢，相当于1升航空煤油相同的能量。

 

  （2）常温、700巴压力下 6 升的气态氢，相当于1升航空煤油相同的能量。

 

  （3）-252.87°C和1.013巴压力下 4 升（1.05加仑）的液氢足以提供与1升航空煤油相同的能量。

 

    从以上数据可以看出，在相同能量前提下，存储液氢（-252.87°C）所需的存储罐体积最小。由于民机外形受空气动力的约束，储罐体积越小越便于在飞机内部安装。

 

2. 低温（-252.87°C）液氢存储罐主要技术问题？

 

   （1）保持罐内液氢不超过-253°C。为此，目前采取热水瓶式，内、外罐之间抽真空结构。内罐由碳纤维增强树脂复合材料制成。外罐含有多层特殊绝热层。

 

    这种结构引申出一个问题。外罐给整个液氢系统增加了可观的重量。 例如，GTL液氢存储罐，复合材料内罐重12公斤。但是外罐和其他系统却有55公斤。减少这部分重量的关键在于多层特殊绝热层的材料选择和结构设计。

 

（2）内罐若用现在使用的纤维带缠绕工艺。罐内的管路、系统件如何安装、维护？

 

（3）低温（-252.87°C）环境对内罐和内罐中零件选材的影响?

 

（4）低温测试技术和和燃料晃动管理方面的技术。

 

（5）储氢罐必须承受大约20000次起飞和降落。

 

3. 低温（-252.87°C）液氢存储罐对民机结构的影响？

 

民机机翼结构的空腔，就是存储燃油的油箱。A320机翼油箱可大约存储20吨航空煤油（波音737和商飞C919同此量级）。若用液氢代替航空煤油，94m³容积、圆柱形的液氢存储罐只能安装在客舱后面、加长的机身尾段里。机身尾段在此处是前大后小的锥体。锥体最大直径不超过4m。仅加长机身来安装 94m³容积的液氢存储罐，需要增加的长度太长，是不可行的。因此，势必在增加机身长度的同时，增加机身的直径。

 

空客新A320明显看出，是在机身尾段安装一个圆形、一个锥形两个储罐。但机身直径是否增加还看不出。我估计它的直径会增加。

 

英国公布了使用液氢的民机设计方案，其中窄体飞机“FZN-1E”将代替现A320。新设计方案：机身加长10m、直径增加1m；客舱成双通道布局；机翼重新设计；增加机头处的“前水平安定面”；发动机改为尾吊布局。

 

4 进展态势

 

    民机安装的发动机有两种类型：涡轮螺旋桨发动机和涡轮喷气发动机。

 

    对于涡桨发动机的飞机，氢通过燃料电池发电，驱动发电机带动螺旋桨工作。此类发动机主要安装在十几到七十多座的支线飞机，以及小型通航飞机上。最初氢代替燃油研发工作，就是从此类飞机开始。今年4月12号，德国一架4座“HY-4”氢-电飞机，成功完成了从斯图加特到弗里德里希沙芬航线飞行。在今年内有望能看到19座“道尼尔”和75座“Q-400”、“ATR72-600”氢-电飞机在天空飞行。前苏联于1988年4月，一架经改装、适合液氢燃料涡喷发动机Tu-155升空试飞。几年后，随着苏联的解体，俄罗斯没有继承这项研发工作。

 

    目前全球100座以上，民机的研发生产只有4家：波音、空客、中国商飞和俄罗斯。根据最近外媒一篇报道，这4家公司中仅只有波音、空客两家，从事液氢民机实际应用研发工作。波音这项目工作还是十多年前，在一架小型、“迪莫纳-DIMONA”螺旋桨滑翔机上进行的。空客已经进入了，涡扇发动机使用液氢燃料的高空飞行试验工作。同时，初步给出了三类飞机的外形：螺桨飞机、150座级和双通道民机。这其中对150座级民机，披露了较多的信息。单通道、150座级的A320，进入市场快40年了。空客已经计划于 2030-2035 年，推出一款“新A320”。新民机机翼采用“信天翁”气动部局：超大展弦比、折叠，可搧动翼尖、无整流罩襟翼。

 

    制造材料用热固性碳纤维增强环氧树脂基复合材料。机身用高性能的热塑性碳纤维复合材料制造。新民机使用液氢代替航空煤油。设计、制造的目标，能满足每月制造出70-100架飞机。从以上可以看出在使用液氢代替航空煤油的研发工作，空客远远走在波音的前面了（至今在国外媒体的报道中，还没有看到波音使用液氢燃料替换737的信息）。

 

5. 你、我、他能做点什么？

 

     用氢代替石化燃油，不仅仅是解决一个碳排放问题。它对缺少石油国家更具有战略意义。我国是世界最大制氢国，年制氢产量约3300万吨。液氢的生产也有多家企业介入。我国又是碳纤维产量，世界第二大国。因此，研发、生产复合材料储氢罐，具有丰厚的物质基础。

 

     从本文介绍的航天、航空液氢存储罐，可以看出不同的工业产品，储罐有球形的，有圆柱形的、存储液氢从几公斤到几百公斤不等。因此，储罐总是结合产品的需求、结构空间，设计、制造的。

 

     当前，许多工业产品还使用石化能源、电网供电。他们都可以考虑使用氢动力。在氢存储这个领域，有大量产品待开发。有许多工作等着你、我、他。

 

     

杨超凡简介：飞机制造高级专家，近年专攻民机复合材料。原航空工业部首批研究员级高级工程师，享受国务院特殊津贴。