Pusat Komposit Kebangsaan UK (NCC) telah membangunkan demonstrator tangki simpanan hidrogen cecair ruang yang panjangnya 750mm, diameter 450mm, dan menyimpan lebih daripada 96 liter hidrogen cecair.

Tangki direka bentuk dan dihasilkan dengan ketebalan dinding nominal 4.0 hingga 5.5mm, membolehkannya menahan tekanan 85 bar. Badan komposit gentian karbon beratnya hanya 8 kilogram, dan pengoptimuman berat selanjutnya dirancang. NCC menggunakan prepreg gentian karbon epoksi MTC510 lebar 300mm. MTC510 ialah sistem resin epoksi yang direka untuk menyembuhkan antara 80°C dan 120°C dan dikuatkan untuk meningkatkan toleransi kerosakan. BINDATEX menyediakan pita prepreg, yang dibelah tepat kepada 6.35mm lebar dan dikembalikan sebagai bahan 22,000 meter untuk digunakan dalam peralatan penempatan gentian automatik (AFP) Coriolis. Peranti Coriolis AFP digunakan untuk membalut pita prepreg 6.35mm di sekeliling acuan yang boleh dibasuh, dengan proses penggulungan dikawal oleh perisian khusus untuk mengurus kedua-dua belitan heliks dan gelung. Proses penggulungan, dengan lebih 24 lapisan dan ketebalan sehingga 5.5mm, boleh dilaraskan untuk mengoptimumkan tekanan atau keperluan beban khusus tangki.

Acuan teras, dengan ketebalan dinding 30mm, dibuang dalam dua bahagian dan kemudian diikat bersama. Alat ini termasuk tiga gelang tetulang dalaman yang boleh dibasuh yang direka untuk menahan beban kilasan yang dijangkakan semasa penempatan lapisan komposit automatik dan tekanan yang dikenakan semasa pengawetan autoklaf. Port injap bendalir logam disepadukan ke dalam acuan teras yang boleh dibasuh, menghapuskan keperluan untuk pemasangan sekunder dan operasi ikatan pada produk akhir. Pelabuhan ini diikat dengan komposit karbon pada peringkat akhir proses pembuatan. Selepas penggulungan, tangki diperiksa untuk kecacatan dan variasi ketebalan, diawetkan dalam autoklaf pada 100°C, dan diperiksa semula. Ujian tidak musnah (NDT) selepas sembuh menggunakan imbasan C ultrasonik dan termografi dibandingkan untuk mengenal pasti sebarang kecacatan seperti penyahlamaan dan keliangan. Akhir sekali, acuan teras dalaman disiram dengan air sejuk bertekanan untuk memastikan rongga tangki adalah jelas.

Mengapa Menggunakan Hidrogen Cecair dalam Pesawat Awam?

Hidrogen mempunyai ketumpatan tenaga berat 33.3kWj/kg berbanding minyak tanah 12kWj/kg. Di bawah tekanan dan suhu biasa, hidrogen mempunyai ketumpatan 0.090kg/m³. Pada 700 bar (700 kali tekanan atmosfera biasa), ketumpatan hidrogen ialah 42kg/m³, membolehkan tangki 125L menyimpan 5kg hidrogen. Pada -252.87°C dan 1.013 bar, cecair hidrogen mempunyai ketumpatan hampir 71kg/m³, membolehkan tangki 75L menyimpan 5kg hidrogen. Menyimpan hidrogen cecair dalam tangki suhu rendah membantu mengurangkan lagi isipadu.

• 3000 liter hidrogen gas pada suhu dan tekanan normal adalah bersamaan tenaga dengan 1 liter minyak tanah penerbangan.

• 6 liter hidrogen gas pada 700 bar adalah bersamaan tenaga dengan 1 liter minyak tanah penerbangan.

• 4 liter (1.05 gelen) cecair hidrogen pada -252.87°C dan 1.013 bar memberikan tenaga yang sama seperti 1 liter minyak tanah penerbangan.

Daripada data ini, adalah jelas bahawa menyimpan hidrogen cecair (-252.87°C) memerlukan isipadu tangki simpanan terkecil. Isipadu tangki yang lebih kecil lebih mudah untuk disepadukan dalam bentuk aerodinamik pesawat.

Isu Teknikal Utama Tangki Penyimpanan Hidrogen Cecair Suhu Rendah (-252.87°C):

1. Mengekalkan Hidrogen Cecair Tangki Di Bawah -253°C:Pada masa ini, struktur bertebat vakum digunakan antara tangki dalam dan luar. Tangki dalam diperbuat daripada komposit resin bertetulang gentian karbon, manakala tangki luar mengandungi berbilang lapisan penebat khas.

2. Memasang dan Menyelenggara Sistem Dalaman dalam Tangki:Cabaran untuk memasang dan menyelenggara saluran paip dan komponen sistem di dalam tangki jika menggunakan proses penggulungan gentian semasa.

3. Pemilihan Bahan untuk Tangki dan Komponen Dalamannya:Kesan persekitaran suhu rendah (-252.87°C) pada bahan yang digunakan untuk tangki dan komponen dalamannya.

4. Teknik Pengujian Suhu Rendah dan Teknologi Pengurusan Slosh Bahan Api.

5. Bertahan Kerap Berlepas dan Mendarat:Tangki hidrogen mesti menahan kira-kira 20,000 lepas landas dan pendaratan.

Kesan terhadap Struktur Pesawat

Tangki bahan api dalam struktur sayap pesawat adalah rongga yang digunakan untuk menyimpan bahan api. Sebuah tangki sayap A320 boleh menyimpan kira-kira 20 tan minyak tanah penerbangan (sama seperti Boeing 737 dan COMAC C919). Menggantikan minyak tanah dengan hidrogen cecair, tangki hidrogen cecair silinder 94m³ hanya boleh dipasang di fiuslaj belakang, yang memerlukan pemanjangan fiuslaj yang ketara. Fiuslaj belakang adalah bentuk kon dengan diameter maksimum kurang daripada 4m. Hanya memanjangkan fiuslaj untuk menampung tangki 94m³ adalah tidak praktikal; oleh itu, diameter fiuslaj juga mesti ditingkatkan.

Dalam reka bentuk A320 baharu, tangki bulat dan kon dipasang di fiuslaj belakang. Walau bagaimanapun, sama ada diameter fiuslaj akan dinaikkan masih tidak jelas, walaupun kemungkinan besar. UK telah melancarkan reka bentuk pesawat awam berkuasa hidrogen cecair, dengan badan sempit "FZN-1E" untuk menggantikan A320 semasa. Reka bentuk baharu ini memanjangkan fiuslaj sebanyak 10m, menambah diameter sebanyak 1m, mempunyai susun atur kabin dwi lorong, sayap yang direka bentuk semula, ditambah"kapal terbang hadapan"pada hidung, dan enjin dipasang pada ekor.

Kemajuan

Enjin pesawat awam terdapat dalam dua jenis: enjin turboprop dan enjin turbojet. Bagi pesawat dengan enjin turboprop, hidrogen menjana tenaga elektrik melalui sel bahan api kepada penjana kuasa yang memacu kipas. Enjin jenis ini dipasang terutamanya pada pesawat serantau dengan 10 hingga 70 tempat duduk dan pesawat penerbangan am kecil. Penyelidikan awal bahan api hidrogen bermula dengan jenis pesawat ini. Pada 12 April, pesawat elektrik hidrogen "HY-4" 4 tempat duduk Jerman berjaya terbang dari Stuttgart ke Friedrichshafen. Lewat tahun ini, kita mungkin melihat pesawat hidrogen-elektrik "Dornier" 19 tempat duduk dan "Q-400" dan "ATR72-600" 75 tempat duduk di langit. Pada April 1988, Kesatuan Soviet menguji pesawat Tu-155 yang diubah suai dengan enjin turbojet hidrogen cecair. Berikutan pembubaran Kesatuan Soviet, Rusia tidak meneruskan penyelidikan ini.

Pada masa ini, hanya empat syarikat di seluruh dunia mengeluarkan dan membangunkan pesawat awam dengan lebih 100 tempat duduk: Boeing, Airbus, COMAC dan Rusia. Menurut laporan media asing baru-baru ini, hanya Boeing dan Airbus yang menjalankan penyelidikan aplikasi pesawat awam hidrogen cecair sebenar. Projek Boeing, yang dijalankan lebih sedekad lalu pada sebuah projek kecil"Dimona"peluncur kipas, adalah awal. Airbus berada di hadapan, setelah memulakan ujian penerbangan altitud tinggi bagi enjin turbofan bahan api hidrogen cecair. Mereka juga telah menyediakan reka bentuk awal untuk tiga jenis pesawat: pesawat kipas, pesawat 150 tempat duduk, dan pesawat berbadan lebar. Maklumat lanjut tersedia untuk pesawat 150 tempat duduk, yang akan menggantikan lorong tunggal, A320 150 tempat duduk yang telah berada di pasaran selama hampir 40 tahun. Airbus merancang untuk melancarkan a"A320 baharu"antara 2030 dan 2035. Pesawat baharu itu akan menampilkan sebuah"albatros"konfigurasi aerodinamik dengan nisbah bidang ultra tinggi, lipatan, kepak sayap dan tiada kepak fairing. Bahan yang digunakan ialah komposit resin epoksi bertetulang gentian karbon termoset untuk sayap dan komposit gentian karbon termoplastik berprestasi tinggi untuk fiuslaj. Pesawat baharu ini akan menggunakan hidrogen cecair dan bukannya minyak tanah penerbangan, dengan matlamat reka bentuk dan pembuatan untuk menghasilkan 70-100 pesawat sebulan. Airbus jauh mendahului Boeing dalam membangunkan pesawat berbahan api hidrogen cecair (tiada maklumat tentang Boeing menggantikan 737 dengan hidrogen cecair telah dilaporkan).

Apa yang boleh kita lakukan?

Menggunakan hidrogen dan bukannya bahan api fosil bukan sahaja menangani pelepasan karbon tetapi juga mempunyai kepentingan strategik bagi negara yang kekurangan sumber minyak. China ialah pengeluar hidrogen terbesar di dunia, dengan pengeluaran tahunan kira-kira 33 juta tan. Beberapa syarikat terlibat dalam pengeluaran hidrogen cecair, dan China ialah pengeluar gentian karbon kedua terbesar di dunia. Oleh itu, membangun dan menghasilkan tangki simpanan hidrogen komposit mempunyai asas bahan pepejal.

Tangki simpanan hidrogen cecair aeroangkasa dan penerbangan yang berbeza yang dibincangkan dalam artikel ini menunjukkan bahawa tangki simpanan direka bentuk dan dikilangkan untuk memenuhi keperluan khusus dan ruang struktur pelbagai produk. Pada masa ini, banyak produk perindustrian masih menggunakan bahan api fosil atau elektrik grid. Ini boleh mempertimbangkan untuk beralih kepada kuasa hidrogen. Terdapat pelbagai jenis produk yang akan dibangunkan dalam bidang penyimpanan hidrogen, dan banyak tugas menanti kami.

Beberapa data dalam artikel ini, yang diperoleh daripada internet, telah berulang kali disahkan untuk ketepatannya. Data ini boleh digunakan untuk menganggarkan dimensi reka bentuk awal dan kapasiti tangki simpanan hidrogen.