氢燃料通用航空器发展及飞行安全问题探讨

氢能是未来绿色航空的必然方向和重要分支,随着双碳战略的深入推进,氢燃料通用航空器发展及飞行安全问题引发了广泛关注。本文首先概述了氢燃料通用航空器的发展,介绍了部分氢能源发展战略规划,解释了氢燃料通用航空器的基本概念,并针对氢燃料电池和氢燃烧推进技术分别阐述了其基本原理、应用与发展。其次,结合典型氢燃料飞机平台案例介绍了氢燃料在航空领域的应用现状;从氢能特性出发,围绕燃氢发动机使用过程中的安全问题、通用航空器的氢燃料储运安全问题以及氢燃料通用航空器的其他安全问题展开探讨。最后,列举了氢燃料通用航空器安全性相关标准,以供氢燃料通用航空器设计研发人员及相关领域的从业者参考借鉴。     

关于氢能航空动力发展的认识与思考

近年来,在全球碳减排目标的驱动下,各国对发展氢能航空的热情空前高涨,在氢能飞机和氢能动力领域加速布局研究计划。通过研究国内外氢能飞机及动力发展历程和研究进展,发现人类对氢的认知始于其燃烧特性,认为氢能航空发展兴于“双碳”目标,指出燃氢涡轮发动机是航空业实现减碳目标的关键,分析了燃氢涡轮发动机和氢燃料飞机的性能优势,研判出氢能航空及动力发展难在全产业链重构和全链条颠覆创新,提出了创新氢能航空发展机制、加快发展燃氢涡轮发动机、健全氢能航空产业链条、实现全链条颠覆性创新和加强氢能航空基础建设等五方面的发展措施建议。     

氢能源民用飞机技术路线与总体概念设计方法研究

本文以实现民用飞机净零碳排放为目标,寻找可以在未来投入大规模应用的新能源动力形式。从能量密度、功率密度、减碳以及能源经济性等维度开展对比评估,结合通勤飞机、窄体干线、宽体客机等典型座级航程的各级别民机产品的能源动力系统的质量对比,本研究认为“氢能源+涡轮机”将是未来新能源民用飞机最具可行性的能源动力组合。建立了适用于氢能飞机的总体设计流程,针对窄体干线氢能客机开展总体设计,采用阻力分解方法估算气动效率,多种分类质量计算方法估算空重,经过设计迭代形成可行的氢能飞机总体参数和初步概念方案。分析结果表明,对于窄体干线级别民机,采用“氢能源+涡轮机”的动力架构使该级别飞机起飞质量比传统燃油飞机增加不到10%。考虑到未来10～20年氢能动力系统和机载氢燃料存储技术可预见的突破,氢能飞机是实现航空运输净零碳排放的非常具有潜力的解决方案。     

航空燃气涡轮发动机氢燃料研究历史和低污染燃烧技术发展

氢燃料的应用对航空燃气涡轮发动机技术的发展具有重要的意义.根据国外对氢燃料在航空燃气涡轮发动机领域的应用研究,对相关研究历程进行了回顾,并对氢燃料低污染燃烧技术进行了分析.结果表明氢燃料在航空燃气涡轮发动机领域研究的重点已从早期的以军用为主转为以民用为主;氢燃料低污染燃烧技术的关键在于控制主燃区的贫油燃烧;而微混非预混扩散燃烧技术具有很大的应用潜力.      

超音速气流中横喷自点火的实验研究

本文扼要地介绍了航空航天部三十一所1988年11月利用电弧加热器所进行的M=2的超音速气流中横向喷射氢燃料和煤油的点火情况,描述了点火现象的物理特性,并提出了点火准则中的修正系数.     

航空发动机氨燃料分析及流量需求计算

为了减少航空发动机由于燃烧含碳燃料产生的碳排放,针对含氨燃料作为航空发动机替代燃料的可行性问题,基于CFM Leap 1-A发动机的性能参数,运用能量守恒转换关系及氨的化学催化分解反应,对含氨航空燃料的成分配比及航空发动机氨燃料供应系统和流量需求进行计算。结果表明：氨氢混合物比纯氨具有更好的燃烧性能,可使燃料层流火焰速度达到一些传统碳氢燃料的水平;氨气可以被分解出氢气并完成氨氢混合,成为一种航空发动机新型替代燃料;确定了新燃料中最优的氨氢比为3∶2;提出了此种新燃料在航空发动机中的应用方式,并依照航空发动机的性能需求确定了使用新燃料情况下的燃料流量;氨分解所需热量可由少部分氢气的燃烧来提供。在正确配比燃料中氨氢组分、正确分配燃料流量、并设计氨催化分解系统的前提下,能使得发动机保持与使用传统碳氢燃料类似的燃烧性能和功率水平,并减少碳排放。     

氢能飞机会否成为航空业的新蓝海

<正>根据新思界产业研究中心发布的《2021年全球及中国氢能飞机产业深度研究报告》显示,随着飞机推进系统、燃料电池、新型染料、低温存储技术、氢燃料提取以及专门用于氢动力飞机的结构设计等领域的发展,全球氢能飞机的市场规模将不断扩大。报告显示,全球氢能飞机市场规模将从2021年的1.5亿美元,增长到2030年的70.9亿美元,复合增长率高达47%。     

替代燃料的研究与应用

航空领域的清洁替代能源包括混和燃料、生物燃料、核能、氢能和电能等。对未来喷气发动机而言,第二代生物燃料的实用性和市场前景看好;对无人机来说,燃料电池取代太阳能电池已成为发展趋势。目前,替代燃料的合作研究趋势开始显现,验证和使用规范性研究明显得到加强,技术升级、产业布局意图愈加明显。     

氢冲压火箭发动机是航天飞机理想的动力装置

本文提出了以氢为燃料的冲压火箭组合发动机作为航天飞机动力装置的方案.     

超音速气流中氢燃料强化混合的燃烧实验研究

扼要介绍了在超音速气流中，采用后掠斜坡、多级喷射、振荡激波技术强化混合的氢燃料喷嘴，进行自点火和燃烧的实验概况。以实验模型结合喷射方式特点，分析了强化机理。实验表明，多级喷射的燃烧效率高，扩张型后掠斜坡喷嘴的抗干扰能力强，总压损失低，液体喷射产生的振荡激波能加强混合，提高燃烧效率。     

水下燃料电池推进技术研究进展

水下燃料电池推进系统具有能量转换效率和比能量高、振动噪声低、无尾气排放等诸多优势,可大幅提高无人潜航器的航程、航深和隐蔽性等关键性能,是水下推进领域极具发展潜力的技术方向。本文介绍了水下燃料电池推进系统组成和工作原理,归纳了国内外在无人潜航器、氢氧燃料电池和高能氢氧源方面的研究进展,探讨了燃料电池推进技术未来的发展重点。在氢氧燃料电池方面,应重点解决纯氧供应和闭式循环带来的排水、腐蚀等问题。在高能氢氧源方面,能量密度较高的是铝水反应制氢、柴油重整制氢和高氯酸锂制氧,应予以重点关注。     

氢气和过氧化氢对正癸烷燃烧特性影响的对比

氢气(H2)和过氧化氢(H2O2)具有较强的反应活性,能够增强碳氢燃料的燃烧过程。为了探究添加液态氢和液态过氧化氢对航空燃油燃烧特性的影响,以正癸烷为代理燃料,采用数值模拟方法对比研究了H2和H2O2对正癸烷/空气燃烧特性的影响。研究发现,随着H2O2的增加,点火延迟时间显著缩短;而随着H2的增加,初始温度为1100 K时,点火延迟时间基本不变,在初始温度为1600 K时点火延迟时间略有缩短。随着H2O2的增加,层流火焰速度有所提升,而H2添加量对层流火焰速度的提高相对而言较小。富油燃烧时,CO排放指数随H2O2和H2的增加有所降低,NO排放指数有所增长。低压贫油燃烧时,H2O2和H2添加量对CO和NO排放指数基本没有影响;高压贫油燃烧时CO排放指数有所降低,NO排放指数有所提高,H2O2添加量的影响更加显著。      

低压储能的升浮一体飞行器总体参数研究

升浮一体飞行器是一种综合了太阳能无人机和平流层飞艇特点的新型临近空间飞行器,是航空航天领域研究的热点,可再生燃料电池是升浮一体飞行器最有发展前景的储能装置。针对现有燃料电池中氢气和氧气存储方式的缺陷,充分利用升浮一体飞行器巨大的机身体积,提出了采用低压气囊储气的燃料电池方案,建立了升浮一体飞行器总体参数计算模型,提出常规燃料电池和气囊储气燃料电池的理论计算方法。研究了不同储气方式对升浮一体飞行器的能源系统以及飞行器总体参数的影响。研究表明,采用低压储气方法后,氢气的质量储气密度可提高至13.0%,燃料电池存储能量为1 489.7 kWh条件下,能量密度可达到1 000 Wh/kg以上,对减小升浮一体飞行器总重和外形尺寸、提高飞行器载荷能力有显著作用。     

太阳能/氢能无人机总体设计与能源管理策略研究

针对小型低空长航时电动无人机需求,给出了太阳能/氢能混合能源动力系统集成方案和小型低空长航时无人机构型。针对典型任务剖面,综合考虑太阳能电池和氢燃料电池特性,提出了一种考虑全机重量能量耦合关系的总体设计方法和任务剖面驱动的能源管理策略;建立了能源系统模型,给出了能源控制流程,开发了能源管理仿真平台。以1.5 kg任务载荷为例,完成了无人机总体方案设计,仿真分析了各种能源特性对飞行结果的影响。结果表明:能源管理策略能够根据任务剖面的要求合理配置能源系统的功率,满足各阶段的功率需求;无人机在冬至日航时为21 h、夏至日可实现跨昼夜飞行;在能源系统重量相同情况下,该混合能源无人机的航时分别是纯锂电池无人机和燃料电池无人机的5.5倍和1.2倍。     

燃料电池无人机混合电源动态平衡能量管理策略

飞机电推进的动力系统趋于混合能源形式的发展方向，不同类型的源具有不同的特性，混合能源协调工作的方式可以提高动力系统的性能。本文所研究的飞机电推进系统的能源形式为燃料电池和锂电池所做成的混合能源。针对无人机动力系统工况的特殊性，本文在基于规则的能量管理策略研究基础上，提出了一种基于燃料电池氢气消耗的动态平衡能量管理策略，使燃料电池和辅助电源的能量消耗处于相对平衡的状态，避免了其中一种电源能量先耗尽的情况，可以满足多种工况的变化，提高了混合电源的能量利用率和稳定性，保证了无人机动力系统的可靠性。通过仿真分析结果证明了可行性，最后设计了能量管理系统的硬件并进行了实验验证，通过对实验结果计算分析验证了该能量管理策略的可行性。     

脉冲频率和电流密度对钢板表面洁净度和渗氢的影响

讨论了双向脉冲电解清洗中脉冲频率及电流密度对钢板表面洁净度和渗氢的影响。适中的频率(5Hz)比更高或更低的频率对钢板表面洁净度更有效。提出一种新的用循环伏安曲线评价钢板表面洁净度的方法，它与X射线光电子能谱法测定的钢板表面碳峰的水平相关性非常好。用电解清洗的机理讨论了这一结果。脉冲频率在5～10Hz时比更低频率能更有效的抑制渗氢。使用这一方法可以防止高强钢在电清洗中发生氢脆。     

利用TDS研究二次硬化钢中氢的扩散行为

利用升温脱氢分析装置(TDS)和慢速拉伸试验方法(SSRT)研究了一种二次硬化钢中氢的扩散行为及其对塑性的影响。结果表明,由于二次硬化实验钢中存在大量细小碳化物,氢的扩散系数约为3.42×10-8cm2.s-1,明显低于通常淬火回火马氏体钢。TDS分析发现,实验钢中存在两个氢逸出峰,激活能分别为20.2kJ.mol-1和24.6kJ.mol-1,由晶界、位错等弱氢陷阱引起。拉伸试样的断面收缩率随氢质量分数的增加先线性下降,氢质量分数每增加1×10-4%断面收缩率下降约12%;当氢质量分数达到5×10-4%时,断面收缩率低于10%,断口呈沿晶状。     

两种超声速燃烧室内氢气燃烧的三维数值研究

通过隐式耦合求解可压缩N-S方程及组分方程,对台阶喷射燃烧室和支杆喷射燃烧室内的流场进行了三维数值研究.研究结果表明,支杆喷射燃烧室喷人氢气,在整个流道内产生的流向涡和横向涡更加强烈,更加能够促进氢气和空气在流向的对流掺混和扩散掺混效果,从而使得燃烧室内的掺混距离缩短;同时,这两个超声速燃烧室内的凹槽结构能起到增强掺混和稳定火焰的作用,使燃烧室后部燃烧区域增大.      

燃料电池轻型飞机起飞质量估算方法

为应对全球能源危机和环境污染问题,航空界将电动飞机作为研究的热点之一。燃料电池飞机在飞行过程中飞机质量基本保持不变,使得燃料电池飞机在起飞质量估算方法上和传统动力飞机相比,具有不同特点。本文通过引入推进系统系数等参数,建立了燃料电池飞机各部分质量系数的确定及飞机起飞质量的估算过程,并为后续机型的研制提供参考。     

铝锂合金中的氢和氢脆

针对铝锂合金中氢含量甚高的难题，阐述了铝锂合金氢的来源，氢的存在形式及氢对铝锂合金性能和断裂方式的影响。认为制约铝锂会金潜能发挥和应用的主要障碍是合金的冶金质量，而其核心是氢含量控制和氢脆问题，降低氢含量是合金取得实质性突破的关键。提出以真空精炼和固态除氢的途径降低铝锂合金的氢含量，指出液态和固态真空除氢过程中所遇到的主要问题，问题的解决将为新一代高韧铝理合金的研究打下基础。