Самолёты на водородной тяге как современные конструкции отмечаются повышенным вниманием авиационной сферы, учитывая низкий уровень выбросов CO2 такого типа двигателями. Сочетание водорода и полностью электрических решений, вместе с тем, видится лучшим вариантом для достижения намеченной цели климатически нейтральной авиации. Ещё одним важным конструктивным решением является криогенное хранение водорода в жидкой форме (LH2) с целью уменьшения занимаемого пространства, по сравнению с хранением в виде сжатого газа. Актуальными становятся сверхпроводящие машины самолётов.
СТРУКТУРА СТАТЬИ :
Самолёты на водородной тяге и хранение водорода
Очевидным моментом является то, что топливо в виде LH2 невозможно применить непосредственно в топливных элементах. Требуется перевод водорода из жидкого состояния в газ при температуре около 75°C, то есть при условии подвода достаточно большого количества тепла.
Таким образом, из этой криогенной холодильной энергии, которая в противном случае тратилась бы впустую, может быть получена синергия, где сверхпроводящие машины (SCM — Super Conducting Machines) и электроника холодного питания (CPE — Cold Power Electronics) являются факторами радикального сокращения пространства и веса самолёта.
Сейчас конструкторами рассматриваются варианты криоэлектрической трансмиссии, а также исследуются возможности использования прямого водородного охлаждения. То есть потенциальные решения повышения общей производительности и масштабируемости силовых установок с нулевым уровнем выбросов конструкций будущих региональных самолётов.
Традиционными самолётами используется энергоёмкое топливо. При этом предъявляются строгие требования к весу топлива и сертификации топливных систем. До недавнего времени считалось достаточно сложным превратить авиационную отрасль в экологически устойчивую, сосредоточив внимание, в первую очередь, на энергосберегающих и тяжёлых батареях.
Однако теперь намечается смена парадигмы, когда аэрокосмическая промышленность и заинтересованные стороны рассматривают лёгкое водородное топливо как возобновляемый суррогат на борту самолёта. Газообразный водород (GH2) имеет небольшую массу, но для хранения такого вида топлива требуется много места.
Сжатый водород (200-700АТИ) видится одной из альтернатив, но это не самое компактное решение. В свою очередь жидкий водород (LH2) при температуре -253°C и давлении 1АТИ обещает дополнительно уменьшить объём практически на 50%, что позволит размещать на борту самолёта значительно больше топлива.
Как хранить водородное топливо самолёта?
Конструкторы нередко предполагают хранение жидкого водорода, либо внутри сферических, либо внутри цилиндрических резервуаров. Однако для традиционных конструкций планера по причине громоздкости резервуары помещаются в область фюзеляжа, что уменьшает доступное пространство для пассажиров и багажа.
Основным аргументом в пользу использования сферических/цилиндрических резервуаров является небольшая площадь поверхности, что обеспечивает низкую скорость испарения жидкого водорода на уровне 1,5% в день. В авиации предсказуемая схема потребления топлива может использовать фактор испарения непосредственно в качестве топлива, поскольку жидкий водород нужно хранить всего несколько часов за одно применение.
Следовательно, более высокая скорость испарения жидкого водорода внутри более плоских баков, приспособленных для размещения внутри области крыльев самолёта, становится несущественной по сравнению с преимуществом меньшего использования объёма. Но главная проблема заключается в том, что такого вида ёмкости сегодня недоступны, находятся на стадии разработки.
Решение для производства водородных самолётов
Наиболее эффективным и безопасным для климата решением в части производства водородных самолётов является полностью электрическая силовая установка. Но в целом это решение требует больших массовых затрат. Однако в последнее время в авиации предлагались сверхпроводящие машины с плотностью мощности как минимум в пять раз больше, чем у существующих решений (25 кВт/кг и выше).
Правда, при этом упускаются из виду присущие сверхпроводящим машинам энергоёмкие и весовые криогенные свойства и потребности в охлаждении. Вопреки этому ограничению, новый класс сверхпроводящих машин допускает включение с применением жидкого водорода на борту самолёта в качестве криогенной охлаждающей среды. Также в виде газа водород является широко используемым хладагентом, особенно при более высоких температурах.
Более того, водороду требуется поддерживать температуру не менее 60°C при потреблении в топливных элементах. То есть жидкий водород нужно кипятить и нагревать на пути следования из бака к двигателю. Эта потребность создает синергию, когда есть новые достижимые прорывы в производительности использования способности прямого охлаждения водорода, чтобы тем самым обеспечить:
- сверхпроводящие машины, охлаждаемые при температуре от -253°C до -213°C;
- высокотемпературные сверхпроводящие кабели переменного и постоянного тока, охлаждённые до -193°C;
- силовая электроника, работающая при температуре -110/-120°C.
Чтобы использовать большую часть ценных криогенных свойств водородного топлива, используя достаточно широкий температурный диапазон. Соответственно, компоненты должны эксплуатироваться и проектироваться для разных температурных интервалов, оптимизируя общую производительность системы. Благодаря тому, что на сверхпроводящие машины, в первую очередь, подаётся наиболее холодный водород, удельная мощность машин значительно возрастает, если не используются тяжёлые криокулерные охладители.
Сложные методы облегчённой конструкции
Следует отметить, обычные электрические технологии даже близко не приближаются к отмеченным характеристикам. Благодаря сложным методам облегченной конструкции, наиболее энергоемкая машина с постоянными магнитами достигает удельной мощности 5,2 кВт/кг (260 кВт, 2500 об/мин). Пример — 50-килограммовый двигатель с прямым приводом, продемонстрированный инженерами «Siemens» в 2015 году.
Однако эта конструкция все ещё слишком тяжела для электродвигателя мощностью десятки мегаватт. Фактически, турбоэлектрическая модернизация 100-местного самолёта требует удельной мощности электрической машины на уровне не менее 16 кВт/кг, что совместимо со сверхпроводящей машиной мощностью 20 кВт/кг и выше.
Сверхпроводящие машины, охлаждаемые жидким водородом при температуре -253°C, способны достигать более высокой удельной мощности, чем даёт жидкий азот (LN2) при Т= -210°C благодаря изначально более высокой плотности тока, доступной при более низких температурах. Однако необходимо также учитывать компенсации за охлаждение.
Обычный криокулер съедает 1 Вт мощности при Т= -253°C за счёт целых 100 Вт, учитывая идеальный цикл Карно и КПД холодильной машины (15 %). Фактически недостатки веса и мощности криокулера часто упускают из виду при чисто теоретических оценках производительности сверхпроводящих машин.
Тем не менее, большинство исследователей и промышленных разработчиков принимают во внимание компенсации за массу и мощность, чтобы получить реальные характеристики в отношении потенциальных преимуществ и недостатков систем.
Несмотря на сложности реализации сверхпроводящих машин с криоохладителями, использование прямого водородного охлаждения в качестве синергии для холодильника видится своего рода бонусом. Это также относится к подаче водорода в виде газа, получаемого в результате кипения жидкости.
Газообразный водород допустимо использовать для поддержания температуры сверхпроводников ниже -243°C. Однако плотность тока диборида магния (MgB2) сильно ограничена на таком температурном уровне. Поэтому конечной целью является удержание температуры ниже -248°C.
Сверхпроводящие машины вклад в основные технологии
Новый акцент на авиацию с нулевым уровнем выбросов требует электродвигателей мощностью 1-5 МВт для внедрения на больших самолётах, аналогичных лайнерам «A320», «A350». Здесь эффективность и удельная мощность машины являются ключевыми показателями качества, открывающими путь к созданию более чистой авиации на региональных рейсах и не только. Двумя важными решениями для масштабируемости являются внедрение сверхпроводящих машин и холодной силовой электроники.
Сверхпроводящие машины проектным исполнением
Ранние конструкции сверхпроводящих машин отличались синхронным исполнением, когда используются только сверхпроводящие обмотки возбуждения постоянного тока. Однако принципы дальнейшего развития технологии демонстрирует проект «ASuMED», созданный специально для разработки и тестирования первого полностью сверхпроводящего двигателя аэрокосмического класса.
Здесь в области статора используется жидкий водород, тогда как в области ротора применяется газообразный гелий. Проектом «ASuMED» намеревалось получить удельную мощность силовой установки на уровне 20 кВт/кг, с использованием статора HTS (High-Temperature Superconducting) высокотемпературной сверхпроводимости.
Конструкция ротора выполнена на основе многослойных сверхпроводников, которые в основном функционируют как постоянные магниты с высокой остаточной магнитной индукцией. Следовательно, общая плотность мощности способствует высокой плотности потока в воздушном зазоре, которую нельзя получить с помощью пассивных постоянных магнитов.
Сверхпроводящие магниты демонстрируют более чем в 10 раз большую силу против обычных магнитов. Структура сверхпроводящих магнитов постоянно развивается, о чём свидетельствует недавний достигнутый мировой рекорд силы — 17,9 Тл. Однако эти магниты не подходят для электрических машин, для которых обычно допустимым диапазоном считается максимум силы — 3 Тл.
Основным недостатком демонстратора «ASuMED» является тот факт, что высокая плотность потока от ротора часто нарушает предел насыщения активной зоны. Это, в свою очередь, увеличивает вес машины. Тем не менее, следующий шаг развития проектом обеспечен, учитывая создание сверхпроводящей обмотки статора. Правда, окончательный вариант полностью сверхпроводящей машины всё ещё далёк от зрелой технологии.
Решением для создания магнитного поля от ротора является использование постоянных магнитов с расположением в массиве Хальбаха. Такая конфигурация устраняет магнитное железо, что может привести к дальнейшему снижению активного веса. Постоянные магниты — надёжный источник магнитного поля, чем обеспечивается стабильное создание крутящего момента в системах авиации общего назначения.
Холодная криогенная силовая электроника
Криогенная силовая электроника и ранее предлагалась для увеличения удельной мощности систем преобразования энергии. Переключающие устройства на кремниевых МОП-транзисторах уже продемонстрировали повышение эффективности при работе в условиях криогенных температур (-196°C). Однако это не относится к карбидокремниевым МОП-транзисторам.
При частоте коммутации 140 кГц криогенный трёхуровневый инвертор мощности на 40 кВт показал на 30% меньшие потери, чем при комнатной температуре. Более того, эффективная работа силовых устройств из нитрида галлия (GaN) продемонстрирована в диапазоне температур 125°C / — 270°C, что обеспечивает высокую эксплуатационную гибкость устройств.
Системы на основе GaN имеют способность выдерживать ток перегрузки в четыре раза больше номинальной ёмкости при криогенном охлаждении. Уже при температуре -60°C однофазный инвертор GaN мощностью 1 кВт при частоте нагрузки 60 Гц продемонстрировал на 16% снижение потерь по сравнению с комнатными температурами. Множество подобных наблюдений также подтверждают недавнюю тенденцию «холодной» силовой электроники, предполагающую рабочую температуру около -113°C.
Когда рабочая температура падает, силовые электронные устройства могут использоваться с минимальными резистивными потерями, гарантируя, что избыточная тепловая нагрузка на более широкую систему будет сведена к минимуму. Это также увеличивает допустимую токовую нагрузку, что приводит к более высокому соотношению мощности к весу.
Помимо прямого уменьшения объёма и веса, повышение эффективности КПД приводит к снижению требований относительно изготовления теплоотводящей системы. В случае водородно-электрических самолётов этот момент открывает возможности использования водорода.
При помощи информации: TechRxiv