民机复材液氢罐的研发要点

 

Koekenberg指出，TAC和荷兰航空航天中心（NLR， Marknesse）已经开始了复合材料LH2储罐的初步工作，并与空客 （荷兰莱顿）进行了讨论。她解释道：“我们决定组建团队并编写投标书，并于2021年10月获得项目融资。2022年1月，我们作为一个团队开始了各种工作包。”

该团队包括14个合作伙伴，均位于荷兰，遍布供应链。TAC是项目负责人，在热固性和热塑性复合材料方面具有专业知识，是材料供应商。代尔夫特技术大学（TU Delft）已经与NLR合作， 测试合作伙伴Cryoworld的金属 LH2储罐。其他合作伙伴和专业知识包括：

 

Koekenberg指出，该项目还与主要的行业原始设备制造商保持一致，包括空中客车公司、巴西航空工业公司（巴西圣何塞多斯坎波斯）和 ZeroAvia 公司（美国加利福尼亚州霍利斯特和英国肯布尔）。“我们希望确保我们了解他们的操作条件和需求，以便我们 开发的演示储罐满足飞机要求，”她补充道。“事实上，这是我们正在进行的开发工作的一个关键部分——充分理解和定义这些复合材料LH2储罐的要求。”大约20个工作包中的其他关键可交付成果包括： 

 

NLR高级复合材料科学家亨利·德·弗里斯表示：“我们已经建立了额外的设施，用于在20开尔文（-253.15℃） 温度下测试复合材料。”“我们已经在忙于测试材料，以测量它们是否能够抵抗微裂纹和H2通过层压板的渗透。我们在阿丽亚娜6运载火箭发动机推力框架的工作中有经验，但当时的温度更高，接近80开尔文（-207℃）。尽管我们在测试热固性材料，但这主要是为了建立一个基准塑料，这也是TAC的专长，因 为我们已经看到了聚芳醚酮等半结晶聚合物在极低温度下的有趣特性（例如，PAEK、PEEK 和 PEKK）。”德弗里斯指出，这些热塑性塑料还具有焊接的潜力。“与传统的复合材料储罐金属配件密封相比，这可以为管道连接提供更简单的组装方法。” 德弗里斯说，这项测试需要18个月。他指出：“第一次测试结果已经很有希望了。”“我们正在进行大量的渗透测试，以选择最佳材料。”在 IV 型压缩气体氢气储罐中，碳纤维增强环氧树脂缠绕在未增强尼龙或高密度聚乙烯衬里上，作为渗透屏障。如何在复合材料LH2存储罐演示器中实现这一点？“复合材料本身并没有那么糟糕，”德弗里斯说。“我们已经有一台在-269°C的液氦中经受住了热循环。需要进一步的测试，但很难在几个月内完成20年寿命的测试。” 

 

“问题之一是，”他继续说道，“一旦表面层出现微裂纹，就会出现氢渗透，因此行为可能来自于此，也可能来自于热循环或两者。我们知道的一件事是，通常情况下，层压材料和材料结构越均匀，热应力越低，从而实现更好的机械性能。”“这很有趣，因为该项目的一个可交付成果是测试由分散的碳纤维束制成的薄层材料。理论上，由于较薄层的数量增加，这些层提供了均匀性。“然而，有很多因素起作用，”德弗里斯说，“包括纤维和树脂的类型。所以，这是我们正在调查的一部分。”

 

演示储氢罐、内外罐挑战
 

该项目将最终生产一种全复合材料的演示储氢罐，配备传感器和辅助系统，将在热循环和负载循环中进行测试，以评估性能和耐久性。Koekenberg说：“我们将制造一个小规模的储罐，可能是80升，这对于重复加注LH2来说更为实惠。”NLR将设计和建造内外罐。

NL LH2 复合材料液氢存储罐 

 

“外罐更像是一个保护壳，”德弗里斯解释道。“它必须能够承受飞机着陆载荷和FAA要求的典型碰撞载荷，但也必须通过飞机储罐和设备的火灾和烟雾毒性要求。然而，它不必像内罐那样应对非常低的温度和氢小原子的渗透。内罐的另一个问题是需要挡板来防止液体燃料晃动，这些挡板必须连接到罐壁和端盖上。这导致浸没在低温燃料中的部分和与环境温度接触的内罐壁中的部分之间的温度差较大。接触内罐和外罐的氢气提取和蒸 发设备也存在问题。德弗里斯说：“因此，我们面临各种热膨胀问题，以及如何将内外罐连接成一个单元。“多层绝热也具有防火性能”。“对于大多数冷冻罐来说，情况并非如此。因此，我们可能需要使用不同的材料，这要复杂得多。我们还需要至少10年的使用寿命，然后我们必须了解如何保持罐之间的真空和保温性能。” 

 

Cetex UD 热塑性胶带生产线 

 

De Vries表示，GKN Fokker将专注于LH2储罐的预浸料带缠绕，研究工业化和成本，而 NLR 正在考虑自动化纤维铺设（AFP）。“我们已经讨论了NLR内的缠绕，”他说，“但我们认为，使用AFP生产更均匀的材料结构会更容易。如果你有一个非常好的缠绕设备，那么你可以想出比纤维铺设更简单的方法，但过程控制是关键。”储罐是在现场固结还是在二次热压罐循环中固结？德弗里斯说：“对于这种LH2储罐来说，现场固结太复杂了”。 

 

与金属罐的比较
 

该项目能否提供复合LH2储罐和金属储罐之间的比较？“我们希望，当我们完成时，我们确实可以将我们的演示罐与类似的金属罐进行比较，”Koekenberg 说，“空客正在开发这种金属罐。” 这项工作正在空客零排放开发中心进行，以支持其在2035年前拥有一架零排放商用飞机的目 标，目前，该公司正在与CFM International（美国俄亥俄州辛辛那提）合作，在A380飞行试验台上测试氢燃烧发动机。 

 

“这是有道理的，”德弗里斯补充道，“因为他们需要了解更多关于系统布局的信息，并与欧洲航空安全局(EASA)作为监管机构就安全要求建立一个基线。而金属罐更加成熟，将非常适合这一点。我们所关注的是更长期的问题。”

 

Koekenberg表示：“我们的合作有助于加速商业航天领域的氢技术。”“我们的财团代表着供应链中的一个关键部分，以实现这一目标。我们非常自豪能够领导这场航空航天革命，与主要飞机和发动机制造商保持一致，并肩作战。” 

 

氢气代替石化燃料用于商业飞机，目前研发工作主要是针对 90座以下涡轮螺桨飞机和150座级、单通道涡扇飞机。前者使用高压氢气，后者使用液氢。使用液氢的存储罐，要采用杜瓦瓶原理的双罐结构。另外，要存储数吨液氢，才能满足航程的需求。因此， 液氢存储罐的体积，一直困扰着科研人员。液氢存储罐一般都布置在后机身。有资料披露用后机身蒙皮做外罐。充分利用飞机结构的特点，解决存储罐的一部分体积问题。