存儲罐的設(shè)計和制造標(biāo)稱壁厚為4.0至5.5mm，這將使該罐能夠承受85巴的壓力。碳纖維復(fù)合材料主體只有8公斤的材料質(zhì)量，存儲罐還有進(jìn)一步優(yōu)化減重的設(shè)計。NCC使用300mm寬的MTC510環(huán)氧碳纖維預(yù)浸料（由SHDComposites提供）。MTC510是一種環(huán)氧樹脂系統(tǒng)，專門設(shè)計用于在80°C和120°C之間固化，并經(jīng)過增韌處理以增加其損傷容限。

 

    由BINDATEX公司為纏繞儲罐，將預(yù)浸帶進(jìn)行了窄寬度的精密切割，并以6.35mm的格式返回了長的22000m的材料，用于科里奧利（Coriolis）自動纖維鋪放（AFP）設(shè)備。使用科里奧利（Coriolis）AFP設(shè)備的張緊纖維纏繞操作，將6.35mm的預(yù)浸帶纏繞到可清洗（washable）模具上。纏繞過程使用專用軟件，控制螺旋和環(huán)形纏繞。纏繞將超過24層、厚度達(dá)5.5mm。纏繞過程可以增加或減少這種復(fù)合材料的壁厚，并改變纏繞角度和鋪層結(jié)構(gòu)，以充分優(yōu)化儲罐的特定壓力或負(fù)載要求。

 

    芯模壁厚為30毫米，分兩部分鑄造，然后粘合。該工具有三個（可清洗- washable）內(nèi)部加強(qiáng)環(huán)，其設(shè)計和制造有助于承受自動復(fù)合材料鋪層過程中預(yù)期的扭轉(zhuǎn)載荷和高壓釜固化過程中施加的壓力。將金屬流體閥端口包括在可清洗的芯模中，以消除最終產(chǎn)品所需的任何二次組裝和粘接操作。這些流體閥端口固定在新型工具中，使它們能夠在制造過程的后期與碳復(fù)合材料共同粘合。纏繞完成后，立即檢查是否存在缺陷和厚度變化。然后在100°C下對其進(jìn)行熱壓罐固化，并在之后重新檢查。固化后使用超聲波C掃描和熱成像無損檢測（NDT）技術(shù)，并對這些方法進(jìn)行比較和對比，以確定是否適合檢查未來儲罐的缺陷，如分層和氣孔。最后，在完成無損檢測質(zhì)量評估后，用加壓冷水沖洗內(nèi)部芯模，使儲罐空腔保持清空。

 

    美國CTD公司曾公布一款叫“冰球-CryoSphere”的太空液氫存儲罐。采用記憶泡沫材料制成的芯模。

 

    美國航空航天工程研發(fā)公司GTL（GloyerTaylorLaboratories）與多家公司合作，開發(fā)一款超輕液氫存儲罐。長2.4米，直徑1.2米，重12公斤。帶裙板和真空杜瓦瓶殼，整個系統(tǒng)重67公斤，但可容納150公斤以上的液態(tài)氫，使其儲存率至少達(dá)到50%，比目前最先進(jìn)的復(fù)合儲氫罐高出10倍。此存儲罐用于雙發(fā)螺旋槳支線民機(jī)。 

 

1. 民機(jī)為什么要用液氫？    

 

    氫的重量能量密度為33.3kWh/kg，而煤油為12kWh/kg。正常壓力和溫度條件下，氫的密度為 0.090kg/m³。在700bar（是正常大氣壓的700倍）下，氫的密度為 42kg/m³。在這個壓力下，一個125L的油箱可以儲存5kg的氫氣。在-252.87°C和1.013bar下，液態(tài)氫的密度接近 71kg/m³。在這個壓力下，一個 75L的油箱可以儲存 5kg的氫氣。

 

儲存在低溫罐中的液態(tài)氫有助于進(jìn)一步減少體積。

 

  （1）常溫、常壓下 3000 升的氣態(tài)氫，相當(dāng)于1升航空煤油相同的能量。

 

  （2）常溫、700巴壓力下 6 升的氣態(tài)氫，相當(dāng)于1升航空煤油相同的能量。

 

  （3）-252.87°C和1.013巴壓力下 4 升（1.05加侖）的液氫足以提供與1升航空煤油相同的能量。

 

    從以上數(shù)據(jù)可以看出，在相同能量前提下，存儲液氫（-252.87°C）所需的存儲罐體積最小。由于民機(jī)外形受空氣動力的約束，儲罐體積越小越便于在飛機(jī)內(nèi)部安裝。

 

2. 低溫（-252.87°C）液氫存儲罐主要技術(shù)問題？

 

   （1）保持罐內(nèi)液氫不超過-253°C。為此，目前采取熱水瓶式，內(nèi)、外罐之間抽真空結(jié)構(gòu)。內(nèi)罐由碳纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料制成。外罐含有多層特殊絕熱層。

 

    這種結(jié)構(gòu)引申出一個問題。外罐給整個液氫系統(tǒng)增加了可觀的重量。 例如，GTL液氫存儲罐，復(fù)合材料內(nèi)罐重12公斤。但是外罐和其他系統(tǒng)卻有55公斤。減少這部分重量的關(guān)鍵在于多層特殊絕熱層的材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計。

 

（2）內(nèi)罐若用現(xiàn)在使用的纖維帶纏繞工藝。罐內(nèi)的管路、系統(tǒng)件如何安裝、維護(hù)？

 

（3）低溫（-252.87°C）環(huán)境對內(nèi)罐和內(nèi)罐中零件選材的影響?

 

（4）低溫測試技術(shù)和和燃料晃動管理方面的技術(shù)。

 

（5）儲氫罐必須承受大約20000次起飛和降落。

 

3. 低溫（-252.87°C）液氫存儲罐對民機(jī)結(jié)構(gòu)的影響？

 

民機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)的空腔，就是存儲燃油的油箱。A320機(jī)翼油箱可大約存儲20噸航空煤油（波音737和商飛C919同此量級）。若用液氫代替航空煤油，94m³容積、圓柱形的液氫存儲罐只能安裝在客艙后面、加長的機(jī)身尾段里。機(jī)身尾段在此處是前大后小的錐體。錐體最大直徑不超過4m。僅加長機(jī)身來安裝 94m³容積的液氫存儲罐，需要增加的長度太長，是不可行的。因此，勢必在增加機(jī)身長度的同時，增加機(jī)身的直徑。

 

空客新A320明顯看出，是在機(jī)身尾段安裝一個圓形、一個錐形兩個儲罐。但機(jī)身直徑是否增加還看不出。我估計它的直徑會增加。

 

英國公布了使用液氫的民機(jī)設(shè)計方案，其中窄體飛機(jī)“FZN-1E”將代替現(xiàn)A320。新設(shè)計方案：機(jī)身加長10m、直徑增加1m；客艙成雙通道布局；機(jī)翼重新設(shè)計；增加機(jī)頭處的“前水平安定面”；發(fā)動機(jī)改為尾吊布局。

 

4 進(jìn)展態(tài)勢

 

    民機(jī)安裝的發(fā)動機(jī)有兩種類型：渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)和渦輪噴氣發(fā)動機(jī)。

 

    對于渦槳發(fā)動機(jī)的飛機(jī)，氫通過燃料電池發(fā)電，驅(qū)動發(fā)電機(jī)帶動螺旋槳工作。此類發(fā)動機(jī)主要安裝在十幾到七十多座的支線飛機(jī)，以及小型通航飛機(jī)上。最初氫代替燃油研發(fā)工作，就是從此類飛機(jī)開始。今年4月12號，德國一架4座“HY-4”氫-電飛機(jī)，成功完成了從斯圖加特到弗里德里希沙芬航線飛行。在今年內(nèi)有望能看到19座“道尼爾”和75座“Q-400”、“ATR72-600”氫-電飛機(jī)在天空飛行。前蘇聯(lián)于1988年4月，一架經(jīng)改裝、適合液氫燃料渦噴發(fā)動機(jī)Tu-155升空試飛。幾年后，隨著蘇聯(lián)的解體，俄羅斯沒有繼承這項(xiàng)研發(fā)工作。

 

    目前全球100座以上，民機(jī)的研發(fā)生產(chǎn)只有4家：波音、空客、中國商飛和俄羅斯。根據(jù)最近外媒一篇報道，這4家公司中僅只有波音、空客兩家，從事液氫民機(jī)實(shí)際應(yīng)用研發(fā)工作。波音這項(xiàng)目工作還是十多年前，在一架小型、“迪莫納-DIMONA”螺旋槳滑翔機(jī)上進(jìn)行的。空客已經(jīng)進(jìn)入了，渦扇發(fā)動機(jī)使用液氫燃料的高空飛行試驗(yàn)工作。同時，初步給出了三類飛機(jī)的外形：螺槳飛機(jī)、150座級和雙通道民機(jī)。這其中對150座級民機(jī)，披露了較多的信息。單通道、150座級的A320，進(jìn)入市場快40年了。空客已經(jīng)計劃于 2030-2035 年，推出一款“新A320”。新民機(jī)機(jī)翼采用“信天翁”氣動部局：超大展弦比、折疊，可搧動翼尖、無整流罩襟翼。

 

    制造材料用熱固性碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料。機(jī)身用高性能的熱塑性碳纖維復(fù)合材料制造。新民機(jī)使用液氫代替航空煤油。設(shè)計、制造的目標(biāo)，能滿足每月制造出70-100架飛機(jī)。從以上可以看出在使用液氫代替航空煤油的研發(fā)工作，空客遠(yuǎn)遠(yuǎn)走在波音的前面了（至今在國外媒體的報道中，還沒有看到波音使用液氫燃料替換737的信息）。

 

5. 你、我、他能做點(diǎn)什么？

 

     用氫代替石化燃油，不僅僅是解決一個碳排放問題。它對缺少石油國家更具有戰(zhàn)略意義。我國是世界最大制氫國，年制氫產(chǎn)量約3300萬噸。液氫的生產(chǎn)也有多家企業(yè)介入。我國又是碳纖維產(chǎn)量，世界第二大國。因此，研發(fā)、生產(chǎn)復(fù)合材料儲氫罐，具有豐厚的物質(zhì)基礎(chǔ)。

 

     從本文介紹的航天、航空液氫存儲罐，可以看出不同的工業(yè)產(chǎn)品，儲罐有球形的，有圓柱形的、存儲液氫從幾公斤到幾百公斤不等。因此，儲罐總是結(jié)合產(chǎn)品的需求、結(jié)構(gòu)空間，設(shè)計、制造的。

 

     當(dāng)前，許多工業(yè)產(chǎn)品還使用石化能源、電網(wǎng)供電。他們都可以考慮使用氫動力。在氫存儲這個領(lǐng)域，有大量產(chǎn)品待開發(fā)。有許多工作等著你、我、他。

 

     

楊超凡簡介：飛機(jī)制造高級專家，近年專攻民機(jī)復(fù)合材料。原航空工業(yè)部首批研究員級高級工程師，享受國務(wù)院特殊津貼。