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  • 英國發力氫能源飛機研究

    FlyZero項目中的氫動力客機概念圖支線飛機概念FZR-1E中型飛機概念FZM-1G窄體機概念FZN-1E

    中國航空報訊:在全球航空業碳減排的時代大潮中,英國通過布局氫動力飛機研究項目,希望在民用客機領域重奪主導權。

    今年3月,英國航空航天技術研究所公布了FlyZero項目的三款氫動力客機概念,涵蓋支線、窄體和中型客機,而FlyZero項目的目標是到2030年實現商業航空的零碳排放。

    本次信息披露的內容包括關鍵技術路線圖、市場和經濟預測報告,以及方案的可持續性評估。項目研究表明,氫動力飛機有潛力覆蓋100%的短途航班以及93%的現有長途航班。

    FlyZero項目共確定了13項關鍵技術,其中6項與氫動力飛機有關,包括氫燃料發動機、低溫燃料和儲存系統、燃料電池、熱管理、電力推進系統和空氣動力學結構。其他7項是確保氫動力飛機在商業和運營上的可行性,并提供切實可行的可持續性改進方案,包括飛機系統、可持續客艙設計、材料、制造、生命周期影響、更短的設計和驗證過程以及機場、航空公司和空域基礎設施。

    報告指出,使用氫燃料的飛機在設計上與使用煤油的飛機有著本質的不同,氫的比能較高,飛行所需的氫燃料重量更小。此外,由于燃料從液態到氣態的轉變以及相關能源管理等方面的新挑戰,與煤油飛機相比,氫燃料飛機在推進系統和機身之間可能需要做更多的集成工作。

    支線機概念——FZR-1E

    支線客機概念以ATR72-600(機身長27.13米,翼展27.05米)為原型,采用氫燃料電池推進系統,通過電動機驅動6個直徑為2.29米的螺旋槳,航程為1482千米,巡航速度為648千米/時,可搭載75名乘客。機身比ATR72-600稍寬,翼展增加了3.96米,性能與當前的ATR72及其未來的2030年改進版本相近,但起飛和著陸距離稍長,巡航高度為7620米。

    報告稱,燃料電池的尺寸需滿足起飛功率的要求,因為起飛距離越短,所需功率越大,電池尺寸也就越大。隨著功率需求(相對于起飛峰值功率)的下降,燃料電池的運行效率將顯著提高。電池尺寸過大造成的飛機重量的增加可以通過減小熱管理系統重量和降低燃料消耗來抵消。

    考慮到空間、重量和平衡的原因,燃料電池從后機艙移到了后機艙地板下方的非加壓區域。此外,還擴展了起落架整流罩的空間以容納熱、空氣和水管理系統。雖然更寬的機身有助于提高儲氫效率,但由于表面積與體積之比的限制,導致泡沫絕緣材料難以滿足儲罐需求(尤其是后儲罐),所以使用了真空絕緣儲罐。

    由于飛行中燃料電池的溫度可能達到80℃,所以熱管理系統(包括短艙中用于電和燃料電池熱管理的熱交換器)非常關鍵。此外,燃料電池的副產物是水,所以增加了一個儲水系統,避免飛機在爬升階段產生凝結水或在跑道上留下液態水,儲水系統中的水在后續飛行過程中會被耗盡或用于機載系統。

    窄體機概念——FZN-1E

    窄體機概念以A320neo為原型,航程為4445千米,經濟艙可容納180個座位,發動機采用兩臺燃氫渦扇發動機,安裝在T型尾翼下方,機身比空客A320長7米,平均機身尺寸比A320寬0.91米,但機翼和推進系統的效率更高,整體阻力更小,所以在跑道長度、巡航速度和高度等方面與A320基本相當。該機采用錐形機身和高展弦比機翼,翼展為39.32米,儲罐置于機艙后部。中后機艙得益于機身寬度的增加,可以布置成雙通道,這種變截面錐形機身設計便于形成自然層流,減少阻力。

    這個概念的一個關鍵設計要點是機頭位置的“鴨翼”,以解決在不同飛行和載荷條件下的重心偏移問題?!傍喴怼痹O計提供了更好的縱向配平能力,這樣重心范圍更寬,俯仰性能更優,還可以與尾翼結合使用,在重心偏移的情況下,最大限度地減少飛機的配平阻力。

    這個概念的機翼采用干式機翼(不儲存燃料,燃料全部儲存在機身中),并采用了與波音777X類似的折疊翼尖,符合A320尺寸級別的翼展限制。采用干翼設計結構便于針對機翼彎矩和氣動彈性進行優化,襟翼也可以設置在機翼結構內,從而減少阻力。

    中型機概念——FZM-1G

    中型機概念以波音767-200ER為原型,可搭乘280名乘客,商載航程為9723千米,設計最大航程為10649千米,可很好地滿足窄體機和寬體機之間的中間客運市場需求。

    此外,2021年12月所披露的概念和現在有所不同。最初的設計特點是機身前凸,機身下半部分兩側各有一個“臉頰型”低溫燃料箱,而新的概念將“三角形”油箱置于機翼前方的翼身整流罩中的非加壓區域,大部分氫燃料仍然儲存在原來機身后部的燃料箱中。

    與窄體機概念一樣,中型機也采用干翼設計,機身更寬。報告指出,對于窄體機和中型機,由于氫燃料相對煤油或可持續航空燃料(SAF)較輕,在推力要求相同的情況下,可以減小發動機直徑和質量,也可降低整體燃料消耗。所以,對氫動力飛機而言,更小、更輕的發動機是更好的選擇。在性能方面,氫動力飛機的起飛性能和初始巡航高度略有提高,巡航速度更快,但進近速度稍高,著陸長度稍長。

    最后報告指出,除了概念本身之外,還需多關注其他關鍵領域,包括氫的生產和配套基礎設施,以及尾流凝跡對氣候變化的影響。與此同時,ATI還表示,單純依靠氫動力無法實現到2050年凈零碳排放的目標,還需要各方繼續投資,以加速可持續航空燃料(SAF)的研發和生產。

    (田濤 何鵬 程文旺)

    關鍵詞:

    來源:中國航空報
    編輯:GY653

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