【据eng.famu.fsu网站2025年5月29日报道】FAMU-FSU工程学院的研究人员设计了一个实用的液态氢储存和输送系统，使零排放航空更加接近现实。创新设计同时解决了多个工程挑战，使氢气既可以作为清洁燃料，又可以作为下一代电动飞机关键动力系统的集成冷却介质。低温设计将在2035年前改变可持续的飞机推进。

可持续飞行的合理设计

发表在《应用能源》上的综合研究推出了专为100座混合动力飞机设计的可扩展系统。新设计将氢燃料电池与氢涡轮驱动的超导发电机集成在一起，展示了液态氢如何在所有飞行阶段有效存储、安全传输和战略性地用于冷却机载系统。

联合学院机械工程系教授及作者表示，研究目标是创造一个单一的系统，处理多项关键任务:燃料储存，冷却和运输控制。这种设计为现实世界的氢航空系统奠定基础。

解决航空领域的氢挑战

氢气是航空业最有前途的清洁燃料替代品，每千克比传统的喷气燃料消耗更多的能量，同时二氧化碳零排放。然而，其超低密度要求在–253°C下作为超低温液体储存，这给飞机应用带来了巨大的工程挑战。

FAMU-FSU团队通过全面的系统级优化解决了这一挑战，开发了一种超越传统储罐设计的创新方法。他们引入了一个新的重量指数，即燃料质量与燃料系统总质量的比率，该指数考虑了所有系统组件，包括氢燃料、储罐结构、绝缘材料、热交换器、循环设备和工作流体。

实现突破性效率

通过对排气压力和热交换器尺寸等关键设计参数的系统优化，该团队确定了一种可实现0.62重量指数的配置。这意味着该系统总重量的62%由可用的氢燃料组成——这是对传统设计的重大进步，可以加速商用氢航空的部署。

创新的热管理集成

该系统的双重功能方法代表了飞机设计的一种范式转变。这种创新的设计不是安装单独的冷却系统，而是将超冷氢气通过战略定位的热交换器，从超导发电机、电机、电缆和电力电子设备中移除废热。这种热集成过程自然地将氢气预热到燃料电池和涡轮机运行的最佳温度。

无泵输送创新

在低温条件下，机械泵增加了重量、复杂性和潜在故障点，因此在整个飞机中输送液态氢面临着独特的挑战。研究小组开发了一种无泵系统，利用储罐压力调节来控制氢气流量。该系统采用两种压力控制方法:从高压气瓶注入氢气增加压力和排出氢气降低压力。先进的反馈回路将压力传感器连接到飞机的功率需求曲线，实现实时压力调整，确保所有飞行阶段的正确氢气流量。

满足峰值功率需求

模拟显示，该系统可以以每秒0.25千克的速度输送氢气，足以满足起飞或紧急复飞程序中16.2兆瓦的电力需求，这些关键阶段需要最大的功率输出。

分阶段热集成策略

热交换器以精心编排的顺序运行，最大限度地提高效率，同时最大限度地降低硬件复杂性。当氢气流过系统时，它首先冷却高温超导发电机和电缆等高效低温部件。随后，在达到最佳燃料电池入口条件之前，它从高温部件吸收热量，包括电动机、电动机驱动器和电力电子设备。以前，人们不确定如何在飞机上有效地移动液态氢，以及是否可以用它来冷却电源系统组件。现在，研究团队不仅证明了它的可行性，还证明了需要为此类设计进行系统级优化。

走向商业现实

虽然这项最新研究的重点是设计优化和系统模拟，但研究团队正在为关键的下一阶段做准备:实验验证。研究团队计划建造一个原型系统，并在进行全面测试高级动力系统中心，迈向商业化的关键一步。

该项目在美国国家航空航天局（NASA）的综合零排放航空计划下开展，这是一项合作计划，汇集了美国领先的机构来开发全面的清洁航空技术。合作大学包括佐治亚理工学院、伊利诺伊理工学院、田纳西大学和布法罗大学。FSU大学在储氢、热管理和电力系统设计方面处于领先地位。

支持清洁航空的创新

这项变革性的研究通过大学领导倡议得到了NASA的支持，使美国大学能够获得NAS资助，同时领导自己的研究团队，并制定支持该机构航空研究任务理事会和战略实施计划的研究议程。

对可持续交通的未来影响

这项研究将FAMU-FSU工程学院和佛罗里达州大学定位为零排放航空全球竞赛的领导者。潜在的应用从飞机扩展到其他需要高效储氢和热管理解决方案的运输领域。