Vätgasdrivna flygplan

Den vätgasdrivna Tu-155- prototypen gjorde sin första flygning den 15 april 1988.

Ett vätgasdrivet flygplan är ett flygplan som använder vätebränsle som kraftkälla. Vätgas kan antingen förbrännas i en jetmotor eller annan typ av förbränningsmotor , eller kan användas för att driva en bränslecell för att generera elektricitet för att driva en propeller . Den kan inte förvaras i en våt vinge , och voluminösa vätgastankar måste inrymmas i flygkroppen eller stödjas av vingen.

Vätgas, som kan produceras från energi med låga koldioxidutsläpp och kan ge nollutsläpp , kan minska flygets miljöpåverkan . Boeing erkänner teknikpotentialen och Airbus planerar att lansera ett första kommersiellt vätgasdrivet flygplan till 2035. McKinsey & Company förutspådde att vätgasflygplan skulle komma in på marknaden i slutet av 2030-talet och skala upp till 2050, då de kan stå för en tredjedel av flygets energibehov .

Vätgas egenskaper

Energitäthet för bränslen: horisontell per massa, vertikal per volym. Fotogen är markerat i rött och väte i blått.

Vätgas har en specifik energi på 119,9 MJ/kg, jämfört med ~43,5 MJ/kg för vanliga flytande bränslen, 2,8 gånger högre. Den har dock en energitäthet på 10,05 kJ/L vid normalt atmosfärstryck och temperatur, jämfört med ~31293 kJ/L för flytande bränslen, 3114 gånger lägre. När den trycksätts till 690 bar (10 000 psi) når den 4 500 kJ/L, fortfarande 7 gånger lägre än flytande bränslen. Kylt vid 20 K (−253 °C) flytande väte en energitäthet på 8 491 kJ/L, 3,7 gånger lägre än flytande bränslen.

Flygplansdesign

Vätgas låga energitäthet innebär utmaningar när man designar ett flygplan, där vikt och volym är avgörande. För att minska storleken på tankarna flytande väte användas, vilket kräver kryogena bränsletankar . Cylindriska tankar minimerar ytan för minimal värmeisoleringsvikt , vilket leder mot tankar i flygkroppen snarare än våta vingar i konventionella flygplan. Detta leder till en längre, bredare flygkropp; lägga till mer hudfriktionsmotstånd och vågmotstånd på grund av det extra blöta området ; extra tankvikt; och vikt- och balansvariationer under flygning. [ citat behövs ]

Vätgas höga specifika energi innebär att det skulle behöva mindre bränslevikt för samma intervall, bortser från återverkningarna av ökad volym och tankvikt. Eftersom flygplan har en bränsleandel av MTOW mellan 26 % för medeldistans till 45 % för långdistanser, kan den maximala bränslevikten minskas till 9 % till 16 % av MTOW, men detta skulle bara vara fallet för de ovanliga maximalt bränslefall för avvägningen mellan nyttolast och intervall . [ citat behövs ]

Effektiviteten hos ett vätgasdrivet flygplan är en avvägning av den större blöta ytan, lägre bränslevikt och tillsatt tankvikt, varierande med flygplanets storlek. Vätgas är bättre lämpat för flygplan med kort räckvidd, medan längre räckvidder kan behöva nya flygplansdesigner som blandad vingkropp .

Flytande väte är ett av de bästa kylmedierna som används inom teknik, och förkylda jetmotorer har föreslagits att använda denna egenskap för att kyla insugningsluften från hypersoniska flygplan, eller till och med för att kyla själva flygplanets hud, särskilt för scramjet-drivna flygplan.

Utsläpp och miljöpåverkan

Vätgasflygplan som använder en bränslecellsdesign är nollutsläpp i drift, medan flygplan som använder väte som bränsle för en jetmotor eller en förbränningsmotor har nollutsläpp för CO 2 (en växthusgas som bidrar till globala klimatförändringar ) men inte för NO x (en lokal luftförorening ). Förbränning av väte i luft leder till produktion av NO x , dvs. H 2
av + ½ O
2 → H
2 O -reaktionen i en kväverik miljö orsakar också produktion NO x . Men väteförbränning producerar upp till 90 % mindre kväveoxider än fotogenbränsle, och det eliminerar bildningen av partiklar .

Om väte är tillgängligt i mängd från energi med låga koldioxidutsläpp som vindkraft eller kärnkraft, kommer dess användning i flygplan att producera färre växthusgaser än nuvarande flygplan: vattenånga och en liten mängd kväveoxid. För närvarande produceras väldigt lite väte med energikällor med låga koldioxidutsläpp. [ misslyckad verifiering ]

En studie från 2020 av EU:s gemensamma företag Clean Sky 2 och Fuel Cells and Hydrogen 2 fann att vätgas kan driva flygplan till 2035 för flygplan med kort räckvidd . Ett flygplan med kort räckvidd (< 2 000 km, 1 100 nmi) med hybridbränslecell / turbiner skulle kunna minska klimatpåverkan med 70-80% för en merkostnad på 20-30%, ett medeldistansflygplan med H 2 -turbiner skulle kunna ha 50 -60 % minskad klimatpåverkan för en 30-40 % överkostnad, och ett långdistansflygplan (> 7 000 km, 3 800 nmi) också med H 2 -turbiner skulle kunna minska klimatpåverkan med 40-50 % för en 40-50 % extra kostnad . Forskning och utveckling skulle krävas inom flygplansteknik och vätgasinfrastruktur, föreskrifter och certifieringsstandarder.

Historia

Demonstrationer

Den vätgasdrivna Boeing Phantom Eye UAV flög första gången den 1 juni 2012
den vätebränslecellsdrivna HY4 gjorde sin första flygning 2016

I februari 1957 flög en Martin B-57 B från NACA på vätgas i 20 minuter för en av sina två Wright J65- motorer istället för flygbränsle. Den 15 april 1988 Tu-155 först som det första vätgasdrivna experimentflygplanet, ett anpassat Tu-154 flygplan.

Boeing konverterade en 2-sits Diamond DA20 för att köras på en bränslecell designad och byggd av Intelligent Energy . Det flög först den 3 april 2008. Antares DLR-H2 är ett vätgasdrivet flygplan från Lange Aviation och det tyska flygcentret . I juli 2010 presenterade Boeing sin vätgasdrivna Phantom Eye UAV, som använder två konverterade Ford Motor Company- kolvmotorer.

Under 2010 avslutade Rapid 200FC sex flygtest som drivs med gasformigt väte . Flygplanet och el- och energisystemet har utvecklats inom EU: s ENFICA-FC- projekt koordinerat av Politecnico di Torino . Vätgas lagras vid 350 bar och matar en 20 kW (27 hk) bränslecell som driver en 40 kW (54 hk) elmotor längs ett 20 kW (27 hk) litiumpolymerbatteri .

Den 11 januari 2011 genomförde ett obemannat flygplan från AeroVironment Global Observer sin första flygning som drivs av ett vätgasdrivet framdrivningssystem.

Utvecklad av Tysklands DLR Institute of Engineering Thermodynamics, DLR HY4 fyrsitsiga drevs av en vätebränslecell, dess första flygning ägde rum den 29 september 2016. Den har möjlighet att lagra 9 kg (20 lb) väte, 4x11 kW bränsleceller och 2x10 kWh batterier. [ bättre källa behövs ]

Den 19 januari 2023 flög ZeroAvia sin Dornier 228 testbädd med en turboprop ersatt av en prototyp väteelektrisk drivlina i kabinen, bestående av två bränsleceller och ett litiumjonbatteri för toppeffekt. Målet är att senast 2025 ha ett certifierbart system för att driva flygplan som kan transportera upp till 19 passagerare över 300 nmi (560 km).

Flygplansprojekt

1975 förberedde Lockheed en studie av subsoniska transportflygplan som drivs med flytande väte för NASA Langley, och utforskade flygplan som transporterade 130 passagerare över 2 780 km (1 500 nmi); 200 passagerare över 5 560 km (3 000 nmi); och 400 passagerare över 9 265 km (5 000 nmi).

Mellan april 2000 och maj 2002 finansierade Europeiska kommissionen hälften av den Airbus -ledda Cryoplane Study, som utvärderade konfigurationer, system, motorer, infrastruktur, säkerhet, miljökompatibilitet och övergångsscenarier. Flera konfigurationer förutsågs: ett affärsjet för 12 passagerare med en räckvidd på 3 500 nmi (6 500 km), ett regionalt flygplan för 44 passagerare över 1 500 nmi (2 800 km) och 70 passagerare över 2 000 nmi (3 700 km), ett flygplan med 18 medeldistanspassagerare över 4 000 nmi (7 400 km) och långdistansflygplan för 380 till 550 passagerare över 8 500 nmi (15 700 km).

I september 2020 presenterade Airbus tre ZEROe vätgasdrivna koncept som syftar till kommersiell trafik till 2035: en turboprop för 100 passagerare, en turbofläkt för 200 passagerare och en futuristisk design baserad på en blandad vingkropp . Flygplanen drivs av gasturbiner snarare än bränsleceller.

I december 2021 presenterade UK Aerospace Technology Institute (ATI) sin FlyZero - studie av kryogent flytande väte som används i gasturbiner för en design för 279 passagerare med 5 250 nmi (9 720 km) räckvidd. ATI stöds av Airbus, Rolls-Royce, GKN, Spirit, General Electric, Reaction Engines, Easyjet, NATS , Belcan , Eaton , Mott MacDonald och MTC.

I augusti 2021 hävdade den brittiska regeringen att den var den första som hade en vätestrategi. Denna rapport inkluderade ett förslag till strategi för vätgasdrivna flygplan tillsammans med andra transportsätt. [ viktighet? ]

I mars 2022 presenterade FlyZero sina tre konceptflygplan:

  • det regionala flygplanet FZR-1E med 75 säten har sex elektriska framdrivningar som drivs av bränsleceller, en storlek jämförbar med ATR 72 med en större flygkroppsdiameter på 3,5 m (11 fot) jämfört med 2,8 m (9 fot 2 tum) för att rymma väte lagring, för en kryssning på 325 kn (601 km/h) och en räckvidd på 800 nmi (1 480 km);
  • dess FZN-1E narrowbody har bakmonterade vätebrännande turbofläktar, en T-tail och nosmonterade canards , en 10 m (33 fot) längre flygkropp än Airbus A320neo som blir upp till 1 m (3 ft 3 in) bredare vid den bakre för att rymma två kryogena bränsletankar och ett större vingspann som kräver hopfällbara vingspetsar för en räckvidd på 2 400 nmi (4 400 km) med en 450 kn (830 km/h) kryssning;
  • den lilla widebody FZM-1G är jämförbar med Boeing 767-200ER , som flyger 279 passagerare över 5 750 nmi (10 650 km), med en 6 m (20 fot) bred flygkroppsdiameter närmare A350 eller 777X , en 52 m (171 fot) ) vingspann inom flygplatsens gränser , undervingsmotorer och tankar framför vingen.

Framdrivningsprojekt

I mars 2021 tillkännagav Cranfield Aerospace Solutions att Project Fresson bytte från batterier till vätgas för den nio passagerare Britten-Norman Islander eftermonteringen för en demonstration i september 2022. Project Fresson stöds av Aerospace Technology Institute i samarbete med UK Department for Business, Energy & Industrial Strategy och Innovate UK .

Pratt & Whitney vill associera sin växlade turbofläktarkitektur med sitt Hydrogen Steam Injected, Inter-Cooled Turbine Engine (HySIITE)-projekt för att undvika koldioxidutsläpp, minska NOx- utsläppen med 80 % och minska bränsleförbrukningen med 35 % jämfört med nuvarande jet-fuel PW1100G, för en serviceinträde 2035 med en kompatibel flygkropp. Den 21 februari 2022 tilldelade USA:s energidepartement genom OPEN21-systemet som drivs av dess Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) P&W 3,8 miljoner dollar för ett tvåårigt forskningsinitiativ i tidigt skede, för att utveckla förbrännaren och värmeväxlaren används för att återvinna vattenånga i avgasströmmen, injiceras i brännkammaren för att öka dess effekt, och in i kompressorn som en mellankylare och in i turbinen som kylvätska.

I februari 2022 tillkännagav Airbus en demonstration av en turbofläkt som drivs med flytande vätgas, med CFM International som modifierar brännkammaren, bränslesystemet och kontrollsystemet för ett GE Passport , monterat på en flygkroppsmast på en A380 -prototyp, för en första flygning som förväntas inom fem år.

Föreslagna flygplan och prototyper

Historisk

Projekt

Se även

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Hydrogen-powered_aircraft&oldid=1136081381 "