Mi az az üzemanyagcellás repülőgép?
Hidrogén üzemanyagcellás repülőgép
A légiközlekedési ipar széles körben próbált zöldebbé válni az üzemanyag-felhasználás terén. Kiterjedt tanulmányokat és elemzéseket végeznek annak érdekében, hogy a hidrogént életképes alternatívaként azonosítsák. A koncepcióterveket és -modelleket néhány vezető légiközlekedési vállalat bemutatta, ezért fontos, hogy az ő kutatásukkal frissítsük magunkat. Kezdjük az „üzemanyagcellás repülőgép” terminológiával.
Azokat a repülőgépeket, amelyek fő energiaforrásként hidrogént használnak, üzemanyagcellás repülőgépnek nevezik. Akár a sugárhajtómű, akár más típusú belső égésű motor képes hidrogént égetni, vagy üzemanyagcella meghajtására használhatja, hogy energiát állítson elő a propeller számára. Ellentétben a legtöbb üzemanyag-tároló szárnyat használó repülőgéppel, a hidrogén üzemanyagcellás repülőgépeket jellemzően a hidrogén-üzemanyag-tartályok törzsében fejlesztették ki.
Mi az a hidrogén üzemanyagcella?
Hidrogén üzemanyagcella
Ez egy fontos technológia potenciállal, amely széles skálát kínál az iparban, beleértve az autógyártást és a nehéz sebességváltókat, jelentős energiahatékonyság és szén-dioxid-mentesítés előnyei. Manapság a hidrogén-kőolaj-technológiát különféle célokra használják, ideértve a kritikus létesítmények, például kórházak vészhelyzeti tartalékkapacitásának biztosítását, valamint az alapvető terhelési létesítmények, például adatközpontok hálózati villamos energia helyettesítését.
Használhatók a hidrogén üzemanyagcellák repülőgépekben? | A repülőgépek üzemanyagcellákat használnak? ?
A közeljövőben az alacsony szén-dioxid-kibocsátású városi területektől a hordozható számítógépeken át a jövőbeli zéró kibocsátású üzemanyagcellás repülőgépekig mindent meg lehet hajtani. Különböző kutatási tanulmányok kimutatták, hogy célszerű 2020-on belül nagyméretű, kereskedelmi forgalomban lévő hidrogénüzemanyagcellás repülőgépeket építeni. Valószínűleg azonban csak 2030 közelében áll majd üzembe. A közeljövőben megnőtt az érdeklődés az üzemanyagcellás repülőgépek személyi repülőgépként történő felhasználása iránt.
Az európai kutatási projektben a folyékony hidrogén (H2) repülőgép-üzemanyagként való felhasználásának műszaki és mechanikai megvalósíthatóságát, biztonsági perspektíváját, környezeti összeegyeztethetőségét és gazdasági megvalósíthatóságát értékelték az Airbus-szal együttműködésben, valamint 33 üzemanyagban lévő partnerszervezettel. CRYOPLANE névre keresztelt sejtrepülőgépről részletes jelentést tettek közzé 2003-ban.
Hogyan jött létre a hidrogén üzemanyagcella?
A hidrogén üzemanyagcella története
Sir William Grove, a bíróból lett tudós 1838-ban egyedülálló ötletet dolgozott ki: két független, zárt rekeszből álló cellát építenek, amelyek mindegyikét hidrogén vagy oxigén gáz táplálja. Készülékét akkoriban „gáz-voltaikus akkumulátornak” nevezte el. Sajnálatos módon nem termelt elegendő áramot ahhoz, hogy hasznos legyen. Egy idő után Francis Thomas Bacon angol mérnök érdeklődését felkeltette, és 1932-ben megalkotta a világ első hidrogén-oxigén üzemanyagcelláját, hogy megvalósítsa, amelyet ma az üzemanyagcellás repülőgép koncepciójának megalkotásához használnak. A Bacon üzemanyagcellája sikert aratott az űriparban, ahol műholdak és rakéták táplálására használták űrkutatási műveletekhez, például az Apollo 11-hez.
1957 februárjában egy NACA Martin B-57B-vel kísérleteztek, és 20 percig hidrogénnel repültek sugárhajtómű-üzemanyag helyett a két Wright J65 hajtómű egyikében. A Tu-155, egy továbbfejlesztett Tu-154-es utasszállító 15. április 1988-én repült először, mint az első hidrogénüzemű kísérleti üzemanyagcellás repülőgép.
Boeing hidrogén üzemanyagcellás repülőgép | Boeing üzemanyagcellás repülőgép
A Boeing 2008-ban gyártotta és üzemeltette a világ első hidrogénüzemű repülőgépét. A felszállás és az emelkedés során az egyszemélyes repülőgép üzemanyagcelláit lítium-ion akkumulátorokból származó árammal egészítették ki. Négy évvel később mutatták be a Phantom Eye-t (négy napos felderítő küldetések végrehajtására 20,000 XNUMX méter magasságban), egy folyékony hidrogén hajtású pilóta nélküli légi járművet. A Boeing azonban nem tudta eladni az UAV-t a katonaságnak, és ma már csak folyékony hidrogén hajtású légi járműként van kiállítva a múzeumban.
repülőgép üzemanyagcellás hólyagok
Miért nem helyettesítik az üzemanyagcellák a sugárhajtóműveket?
A hidrogén repülőgép-üzemanyagként való felhasználását a Boeing a Phantom Eye koncepcióján keresztül mutatta be. Mike Sinnett (a Boeing Aviation termékfejlesztési részlegének alelnöke) szerint azonban további kutatásokra van szükség annak értékeléséhez, hogy egy repülőgép szerkezete és üzemanyagtartályai olyan biztonságosan működjenek, mint a mai repülőgépek.
Ez tehát azt jelenti, hogy a hidrogén üzemanyagot a Boeing üzemanyagcellás repülőgépeiben még több mint két évtizeden keresztül nem fogják alkalmazni, és egy évtized múlva már készülnek hajtóművek a repülőgépekhez.
A Phantom Eye fejlesztése
A Phantom Eye fejlesztette ki a Boeing korábbi teljesítményét a dugattyús Boeing Condorral, amely több magassági és állóképességi rekordot döntött az 1980-as évek végén.. A Boeing a Phantom Ray UAV-n is dolgozott az innovatív technológiák repülési tesztpadjaként, valamint egy nagyobb HALE pilóta nélküli légi járművön, amely több mint tíz napig képes repülni, és 900 kilogrammos vagy annál nagyobb hasznos terhet szállítani.
A Phantom Eye propulziós rendszere (a hajtórendszerrel és a légkerettel kapcsolatban tervezték) 80. március 1-jén átment egy 2010 órás magassági kamrateszten. A Ball Aerospace, az Aurora Flight Sciences, a Ford Motor Company és a MAHLE Power train együttműködött a technológiai fejlődésben, hogy megalkossák a Phantom Eye-t, amelyet végül 12. július 2010-én mutattak be.
Darryl Davis, a Boeing Phantom Works haladó ötletekkel foglalkozó részlegének vezetője úgy véli, hogy a „Phantom Eye demonstrátor” egy objektív rendszer 60-70%-os pontosságú léptékű modellje. A mindössze négy repülőgépből álló Phantom Eye prototípus olyan objektív rendszerhez vezethet, amely képes egész évben nagy terület lefedésére.
Hogyan fog működni a hidrogén üzemanyagcella?
Az üzemanyagcellás repülőgépekhez való hagyományos hidrogén-üzemanyagcella két elektródából (anódból és katódból) áll, amelyeket elektrolitikus membrán választ le. Ez a következőképpen működik:
- Az anódon keresztül hidrogén lép be az üzemanyagcellába. Az elektronok és protonok a hidrogénatomok osztódása során keletkeznek, a katalizátorral való reakciójuk következtében. A katód viszont a szomszédos levegőből engedi be az oxigént.
- A pozitív töltésű protonok az áteresztő elektrolit membránon keresztül jutnak a katódra. A negatív töltésű elektronok kilépnek a cellából, és olyan áramot biztosítanak, amely képes egy elektromos vagy hibrid elektromos meghajtórendszer meghajtására.
- A katódban a protonok és az oxigén egyesülve víz keletkezik.
A hidrogén tulajdonságai
A hidrogén fajlagos energiája háromszorosa a hagyományos repülőgép-üzemanyagénak, bár energiasűrűsége kisebb. Repülőgépeken szénszálas tartályokat használnak, amelyek 700 bar nyomást is kibírnak. Lehetőség van kriogén folyékony hidrogén alkalmazására is.
Tegyük fel, hogy a hidrogén könnyen hozzáférhető alacsony szén-dioxid-kibocsátású energiaforrásból, például szélből vagy atomenergiából. Ebben az esetben kevesebb üvegházhatású gázt bocsát ki, amely vízgőzt és kis mennyiségű nitrogén-oxidot tartalmaz a repülőgépekben, mint a jelenlegi esetekben. Jelenleg csak kis mennyiségű H2 alacsony szén-dioxid-kibocsátású energiaforrással állítják elő, és különböző jelentős akadályok vannak a hidrogén repülőgépekben történő felhasználásában. A hidrogén drágább, mint a fosszilis tüzelőanyagok a gyártási módszere és a jelenlegi technológiákkal való relatív hatástalansága miatt.
Az LH2 az egyik leghatékonyabb műszaki hűtőfolyadék. Javasolták a beszívott levegő hűtését nagyon gyors repülőgépeknél, vagy akár magát a repülőgép bőrét, különösen a scram jet repülőgépeknél.
Súly és energiasűrűség
Akár gáznemű, akár folyékony halmazállapotú, az üzemanyag-tároláshoz szükséges többletsúly jelenti a fő akadályt az üzemanyagcellás repülőgépek hidrogénüzemű repülésében. Könnyű, vákuumszigetelt tartályok gyártása, amelyek a folyékony hidrogént 20 Kelvin forráspont alatt tartják, a folyékony hidrogén problémája lesz. Mivel a tartályoknak nagy, 250-350 bar nyomást kell elviselniük, a gáznak nagyobb súlybüntetése van.
A folyékony hidrogén energiasűrűsége 2.8-szorosa a repülőgépbenzinének. Az Argonne National Laboratory szerint azonban a repülőgép-üzemanyag 1.6-szeresével felülmúlja a hidrogént a kombinált üzemanyag és a tartály tömegét tekintve. Ellentétben a repülőgép-üzemanyaggal, amely a tartály és az üzemanyag össztömegének nagyjából 78%-át teszi ki, a folyékony hidrogén a teljes tömegnek csak 18%-át teszi ki a modern tárolórendszerekben. Állítások szerint az üzemanyag tömeghányadának legalább 28%-ot kell elérnie, hogy versenyezzen a fosszilis tüzelőanyagokkal. A folyékony hidrogén térfogategységenkénti energiája sokkal kisebb, mint a szénhidrogéneké.
Phillip Ansell, az Urbana-NASA által finanszírozott Champaign's Center for High-Efficiency Electrical Technologies for Repülőgépek Elektromos Technológiáinak Illinoisi Egyetemének igazgatója szerint azonban a repülőgépek különböző részei, például a szárnyak és a törzs egyedileg vagy együttesen módosíthatók, hogy megakadályozzák a az aerodinamikai ellenállás növekedése, ami a nagyobb hidrogéntartályok elhelyezéséhez szükséges extra külső felületnek köszönhető.
A hidrogén üzemanyagcellás előnyei
Az üzemanyagcellák (amelyek tiszta hidrogént használnak, tehát szén-dioxid-mentesek) tiszta energiaforrást jelentenek, mivel elektrokémiai reakción keresztül villamos energiát termelnek. Íme az üzemanyagcellák néhány fontosabb előnye:
- Az üzemanyagcellák az akkumulátorokkal ellentétben nem igényelnek újratöltést, és mindaddig képesek energiát termelni, amíg rendelkezésre áll üzemanyagforrás (hidrogén).
- Az egyes tüzelőanyag-cellákat egymásra lehet helyezni, így nagyobb rendszereket lehet létrehozni, amelyek több energiát tudnak termelni, lehetővé téve a méretezhetőséget. Az üzemanyagcella-kötegek összekapcsolhatók nagyméretű, több megawattos rendszerek kialakítására, miközben egyetlen tüzelőanyag-cella képes elegendő villamos energiát termelni a meghatározott alkalmazásokhoz.
- Az üzemanyagcellák csendesek és megbízhatóak, mivel nincsenek mozgó alkatrészeik.
A hidrogén életképes üzemanyag a repülőgépek számára?
Az Airbus három egyedi koncepciót hozott létre a hidrogén üzemanyagcellás repülőgépekre, amelyek akár 200 utas szállítására is képesek, és hatótávolsága megközelíti a 2000 tengeri mérföldet (3700 kilométert). Mindegyik egy koncepcionális hibrid rendszerből áll, amely belső égésű turbinákat és üzemanyagcellás motorokat tartalmaz. A turbóelektromos rendszerben egy hidrogénüzemű gázturbina hajtja az elektromos generátort, míg egy villanymotor hajtja a ventilátort.
Az Airbus azt tervezi, hogy jövőbeli nagy hatótávolságú, 300-400 üléses utasszállító repülőgépeit hidrogén helyett megújuló forrásokból származó szintetikus üzemanyaggal üzemelteti. A hidrogén adaptálása a naponta többször kiürített és feltöltött repülőgépekre új kihívás lesz a vállalat számára, még akkor is, ha már jártas az üzemanyaggal az űrhajózási alkalmazásokban.
Repülőgép üzemanyagcellás javítás | Repülőgép üzemanyagcellás karbantartás
A szivárgás első jele általában a repülőgép fenekére ömlött üzemanyag jelenléte. A szivárgás forrásának keresésekor meg kell jegyezni, hogy az üzemanyag meglehetősen hosszú utat tehet meg, mielőtt eléri a kilépési helyet. Emiatt nehéz lehet pontosan meghatározni a szivárgás forrását. Követni kell a szivárgási útvonalat, mielőtt bármilyen gyanú merülne fel, anélkül, hogy feltételeznénk, hogy a szivárgó üzemanyagcella a látható szivárgás közvetlen közelében van.
Ellenőrizni kell a szivárgást a csatlakozásokban, a tömlőkben és a szellőző területeken. Azt is érdemes megjegyezni, hogy pusztán azért, mert az üzemanyagcella szivárog, még nem szükséges cserélni. Az üzemanyagcellákon vannak olyan szivárgások, amelyek javíthatók, például:
- A tömlőbilincsek túl lazák
- A távadó csavarjai meglazultak.
- Hibás tömítések
- Csavarok laza lemezzel vagy betöltő nyakkal
- A töltőnyak vagy a cső repedések vannak benne.
A dupla rögzítésű üzemanyagcella-csatlakozások elkerülik a szivárgást a régebbi cellákban, de hasznos az újabb celláknál is, amelyek nagy összeköttetésekkel rendelkeznek. A bilincsek meghúzása után a gumi leülepszik. Ennek eredményeként egy órával az első beszerelés után érdemes újra meghúzni az összes bilincset.
Repülőgép üzemanyagcellás szalag
Vizsgálja meg az üzemanyagcella-rekesz körüli régiót korróziós veszteség szempontjából. Távolítson el minden maradék szalagot és maradékot. A MEK segítségével könnyen eltávolítható a szalagmaradvány. Távolítson el minden FOD-t, különösen fémforgácsot, amely gyorsan károsíthatja az újonnan telepített üzemanyagcellát.
Ügyeljen arra, hogy üzemanyagcellás szalagot használjon a bélés ragasztása közben. A ragasztószalag vagy az elektromos szalag alkalmassága nem indokolja az üzemanyagcellás szalag helyettesítését. Az üzemanyagcellában használt szalag és ragasztó rendkívül sértetlen marad az üzemanyag kiömlése esetén, ebben a helyzetben a ragasztószalag, az elektromos szalag és más szalagok nem működnek.
Minden szegecset és élt tüzelőanyagcellás szalaggal kell ragasztani. A szalag rövid szakaszaival (körülbelül 6 hüvelyk hosszú) általában könnyebb dolgozni, mint a hosszú szakaszokkal, különösen akkor, ha a szalag nehezen elérhető helyeken van vakon. A kihívásokkal teli helyeken egy tükör is segíthet abban, hogy lássa, mit csinál.
Repülőgép üzemanyagcella tisztító
A szállítmány csomagolása előtt súrolja le az üzemanyagcellából a maradék üzemanyagot. Az üzemanyagcellát meleg vízzel és folyékony mosogatószerrel kell megtisztítani a Hartwig Aircraft Fuel Cell Repair szerint. A tisztítási és szárítási folyamatot a cella összehajtásának és becsomagolásának kell követnie a javító üzembe történő szállításhoz. Szállítás előtt egyes szerelők olajfilmet helyeznek a cellába, hogy megőrizzék a cellát. Az Eagle Fuel Cells határozottan nem javasolja ennek megtételét, kijelentve, hogy nem szükséges a cellát olajjal bevonni többletmunka rovására.
Repülőgép üzemanyagcellás hegesztés | Repülőgép alumínium üzemanyagcellás hegesztés
A közönséges oxigén-üzemanyag-pisztoly (oxi-üzemanyag-hegesztés vagy OFW) az alumínium illesztési folyamatának fontos alappillére volt. Az 1850-es években az elektrolízissel előállított oxigén-hidrogént alacsony olvadáspontú fémek, például arany, ezüst, réz és platina lánghegesztésére használták. Az acetilén felfedezése azért figyelemre méltó, mert összefüggésbe hozták az alumínium fém előállításának új módszerével.
A repülőgépiparban az oxi-hidrogént gyakrabban kapcsolják össze az OFW-vel, mint az oxi-acetilént, de nem műszaki előnyök miatt. Az acetilént a háborús gazdaságosság miatt kifejezetten a hajógyári felhasználásra osztották be, így a hidrogén maradt az egyetlen alternatíva. Mivel az acetilénmaradványok hidrogéngázzal való összekeverése véletlenszerű katasztrófához vezethet, ezért a hidrogén üzemanyagként való felhasználása külön tartályt, szabályozót, tömlőt és égőt igényel.
Ezenkívül a hidrogén nem termel kormot, ami hasznos lehet az alumíniumlemez hőkezelése során hőmérséklet-indikátorként. Az üzemanyag-előállítási költségek (megvalósítható elektrolízissel) és a valamivel tisztább hegesztési zóna megjelenés (a szén hiánya miatt a lángtartományban) a hidrogén előnyei lehetnek.
Mennyi az üzemanyagcella eltarthatósági ideje?
Repülőgép üzemanyagcellás eltarthatósága
A manapság használt repülőgépek többsége túlélte tervezett élettartamát. E repülőgépek közül sok egy vagy több változtatáson esett át a repülőgép vázán vagy a repüléselektronikán. Az üzemanyagcellák élettartamát viszont gyakran figyelmen kívül hagyják, mivel számos kormányzati dokumentum, repülőgép kézikönyv vagy repülőgép TO nem tartalmazza.
A flották között a döntő változó tényezők a repülési órák, a környezeti feltételek, valamint az eltávolítási és újratelepítési ciklusok. Ennek eredményeként lehetetlen megjósolni az üzemanyagcella élettartamát. Utángyártott, felújított vagy felújított üzemanyagcellák nem lehetségesek. Az üzemanyagcellák ilyen jellegű ábrázolása hibás.
Azt azonban elmondhatjuk, hogy minden 15 évnél régebbi üzemanyagcellát ki kell cserélni egy üzemanyagcellás repülőgépben. Ez különösen akkor fontos, ha a repülőgépen olyan jelentős módosításokat hajtanak végre, amelyek szükségessé teszik a cella eltávolítását. Hangsúlyozni kell, hogy a repülőgép-programtól függően az amerikai erők arra a következtetésre jutottak, hogy a tipikus élettartam 10-12 év. Általánosságban elmondható, hogy a 12 évnél régebbi és várhatóan 12 hónapnál tovább üzemelő üzemanyagcellák kiterjedt javítása pénzkidobás.
Mi a jövő üzemanyaga a repülőgépekhez?
Feltörekvő repülőgép-üzemanyag
A hidrogén előnyei a közelmúltban derültek ki, és a légiközlekedési ágazat is felfigyel rá. A Fymat szerint az Airbus a világ 1-jét akarja gyártanist 2035-re nulla kibocsátású kereskedelmi forgalomba hozott repülőgép.
Források szerint a ZeroAvia, egy amerikai székhelyű cég 20-ig körülbelül 2024 utas befogadására alkalmas hidrogénüzemanyagcellás repülőgépet szeretne gyártani. Már három brit kormányprogramból 5 millió dolláros támogatást kapott, és sikeresen felkeltette 12 regionális légitársaság érdeklődését. az Egyesült Királyságból, az Egyesült Államokból és az Európai Unióból.
Most, hogy megismerte a hidrogént mint leendő repülőgép-üzemanyagot, navigáljon, hogy megismerje az üzemanyag tárolási rendszerét. Repülőgép üzemanyagtartály rendszer.
