Почати з малого: чи може воднева тяга вирости зі своєї початкової ніші?

GKN розробила концепцію авіакомпанії на 160 місць, щоб продемонструвати потенціал трансмісії H2Gear для масштабування.
Авторство: GKN Aerospace Concept

Коли компанія Universal Hydrogen закрила свої двері в червні після того, як не змогла отримати більше фінансування, це підняло питання про життєздатність впровадження водневих силових установок з нульовим рівнем викидів у комерційну авіацію шляхом модернізації регіональних турбогвинтових двигунів.

Інші об’єдналися на захист стратегії починати з малого, а потім рости вгору та назовні. Але залишається відкритим питання: якщо ви починаєте у вузькій ніші — технологічній, операційній чи географічній — як подолати розрив між основними ринками?

• Дрібномасштабні операції забезпечать цінне навчання
• Щоб збільшити масштаб, необхідно подолати технологічні виклики
• Шляхи до вузькофюзеляжного ринку виглядають здійсненними

Компанія Universal Hydrogen вибрала єдину ціль на регіональному ринку літаків — ATR 72 — для створення бізнес-моделі, заснованої на постачанні екологічно чистого водню. Компанія вирішила співпрацювати з постачальниками над розробкою своєї воднево-електричної силової установки, виступаючи інтегратором.

Інші застосували інший підхід. Вони варіюються від Cranfield Aerospace Solutions (CAeS), яка починає з переобладнання дев’ятимісного літака Britten-Norman Islander на водневі паливні елементи, до Airbus, який планує до 2035 року створити воднево-електричний 100-місний літак. службовий вхід.

Крім того, є ZeroAvia, яка переобладнає Cessna Caravan на дев’ять пасажирів, але пішла ще далі, щоб використати ключові паливні елементи, електродвигун і силову електроніку, щоб розробити більш потужні та ефективні воднево-електричні силові агрегати для регіональних літаків. і навіть однопрохідні.

Компанія CAeS завершила розробку силової установки на водневих паливних елементах потужністю 240 кВт, яка вміщується в гондоли Islander, популярного літака для стрибків на острови та сполучення віддалених і сільських громад. Але як британська компанія бачить, що технологія виросте з цієї скромної ніші на великі ринки?

«Залучаючи невеликий літак до невеликої операції, ви керуєте не лише технологіями літака», — каже головний директор зі стратегії CAeS Дженні Кавана. «Ви доводите, на що здатні технології. Ви доводите, як можна сертифікувати це на літаку та зробити його безпечним, але в той же час справа не лише в літаку, а й в екосистемі. Аеропорти та авіакомпанії не знають, як використовувати водень як авіаційне паливо, тому що немає стандартів і правил».

Водень поводиться інакше, ніж гас, і потребуватиме інших процесів забезпечення та обробки палива в аеропортах та авіакомпаніях. Першим кроком є ​​початок невеликої операції з використанням газоподібного водню, про який відомо набагато більше, ніж про рідкий водень (LH 2 ). «Це може бути повна революція в авіаційних технологіях, але вам все одно потрібен поступовий підхід», — каже Кавана.

«Це починає допомагати з водневою інфраструктурою. Оскільки він є субрегіональним, вам не потрібно вирішувати проблему в Глазго та в Лондоні одночасно», – каже вона. «Він дуже ізольований і маленький, і це добре для початку, тому що як тільки ви перейдете на межі, ви матимете справу з частиною соціального схвалення, людьми, які торкаються цих водневих літаків і літають ними. Чим раніше ви почнете це робити, тим краще, тому що це дає інвесторам, уряду, громадськості та промисловості впевненість, що це не марна мрія».

ZeroAvia має замовлення на силові агрегати на паливних елементах для модернізації літаків з 19-місцевого De Havilland Canada Twin Otter на 70-80-місцевий ATR 72 і Bombardier CRJ. Американсько-британський стартап вирішив оснастити 100-місний ZEROe Airbus, якщо він піде вперед і дивиться далі на ринок однопрохідних автомобілів.

«Для впровадження воднево-електричних силових установок у комерційну авіацію набагато життєздатніше починати з менших масштабів», — сказав Рудольф Кортце, керівник відділу досліджень і розробок ZeroAvia, на Міжнародному авіашоу у Фарнборо в липні. Початкова силова установка ZA600 потужністю 600 кВт для 9-19-місцевих автомобілів використовує паливні елементи з низькотемпературною протонообмінною мембраною (PEM). Щільність потужності на рівні системи становить 1,5 кВт/кг, а 60-70 кг (132-154 фунтів) газоподібного водню при 350 бар (5000 psi) дає діапазон 300 нм, кажуть у компанії.

Для підтримки великого регіонального турбогвинтового двигуна з радіусом дії 500 нм потрібен силовий агрегат потужністю 2-3 мегават з питомою потужністю на системному рівні понад 2 кВт/кг і 600 кг водню, який тепер потрібно зберігати в рідкому вигляді. Для регіонального реактивного літака може знадобитися до 10 мегават потужності з питомою потужністю до 3 кВт/кг і 1000 кг накопичувача LH 2 . Щоб залучити цей ринок, ZeroAvia розпочала розробку ZA2000, яка базується на технології високотемпературних паливних елементів PEM. 

ZeroAvia розробляє більшу воднево-електричну силову установку ZA2000 з ATR 72 в якості першого застосування. Авторство: ZeroAvia

Дивлячись вперед на вузькофюзеляжний ринок, ZeroAvia бачить головні проблеми як щільність потужності паливних елементів і зберігання LH 2 . Воднево-електричному Airbus A320 потрібно трохи менше 15 мегават на двигун і трохи більше 4 метричних тонн LH 2 для принаймні 2400 нм діапазону. Це дорівнює питомій потужності на рівні системи понад 4,5 кВт/кг, що вимагає п’ятикратного збільшення щільності потужності на рівні стека до 10 кВт/кг.

«Ми показали, що можемо досягти мінімальної життєздатної питомої потужності 4 кВт/кг на рівні системи. Для вузькофюзеляжного ринку нам потрібно навіть більше, ніж це», — сказав Керце. «Дослідження показали, що щільність потужності паливних елементів в районі 10 кВт/кг є життєздатною. Це те, над чим ми працюємо, але це вимагає часу, зусиль і ресурсів».

Як проміжний крок ZeroAvia розглядає підхід до однопаливного гібридного двигуна, який поєднує в собі газову турбіну, що спалює водень, з електричним приводом і паливними елементами. «Це цікава конфігурація, яка справді дає нам потенційні переваги», — сказав Кертце, додавши, що газова турбіна використовуватиметься для зльоту, а паливні елементи — для круїзу, зменшуючи спалювання палива та покращуючи економіку.

«Існує багато синергетичних ефектів, які можна використати між балансом установки, необхідної паливним елементам, і компонентами обробки повітря типової газової турбіни», – сказав він. «Ми розглядаємо це як потенційну сходинку, яка допоможе нам досягти загальної щільності потужності та рівнів потужності, необхідних для виходу на ринок вузьких корпусів — і досягти цього швидше».

Гібриду потрібна питома потужність 4-5 кВт/кг у порівнянні з 10 кВт/кг для повного вузькофюзеляжного виробництва електроенергії лише з паливних елементів. Це ближче до продуктивності трансмісії, необхідної для великого регіонального турбогвинтового двигуна, який ZeroAvia планує вивести на ринок у 2027 році. Стартап каже, що гібридна силова установка може бути готова до початку 2030-х років.

Те, як воднева рушійна технологія масштабується для більших літаків, є ключовим елементом проекту H2Gear, який підтримує уряд Великої Британії та очолює постачальник Tier 1 GKN Aerospace. П’ятирічний проект вартістю 54 мільйони фунтів стерлінгів (71 мільйон доларів США) спрямований на наземні випробування демонстратора криогенної воднево-електричної трансмісії потужністю 1 мегават у 2026 році.

H2Gear підтримується проектом HyFive вартістю 37 мільйонів фунтів стерлінгів з розробки масштабованих технологій паливної системи LH 2 , кульмінацією якого стане наземна демонстрація в 2027 році. А в липні уряд Великої Британії запустив проект H2FlyGHT вартістю 44 мільйони фунтів стерлінгів, щоб збільшити потужність силової установки H2Gear до 2 мегават і підготувати інтегровану силову установку для льотних випробувань до кінця десятиліття.

Постачальник аероконструкцій і компонентів двигунів GKN створив підрозділ водневих систем три роки тому. Замість того, щоб займатися модернізацією, компанія вирішила дізнатися більше про те, чи зможуть технології досягти цілей, якщо матиме відкриті чисті платформи для інтеграції систем. З цією метою GKN створила невелику внутрішню команду проектувальників літаків, не маючи амбіцій бути виробником обладнання для літаків.

Компанія H2Gear розробляє воднево-електричну силову систему, яка використовує кріогенний LH 2 як паливо та для охолодження газоподібного гелієвого контуру, який охолоджує електричну розподільчу мережу, силову електроніку та надпровідні двигуни для зменшення опору, підвищення ефективності та економії ваги. За словами GKN, мета H2Gear полягає не тільки в розробці та демонстрації системи, але й у визначенні та вирішенні аспектів, які роблять її масштабованою та безпечною.

CAeS запакував свою воднево-електричну силову установку в гондолу Islander з радіатором із низьким опором опору. Авторство: Cranfield Aerospace Systems

Одне з питань, яке розглядав H2Gear, полягало в тому, чи повинна система бути централізованою та розташованою в хвостовій частині фюзеляжу чи децентралізованою та розподіленою в окремих гондолах на крилі. Інженери обрали централізований варіант, оскільки він дозволяє розмістити систему позаду напірної перегородки кабіни в безпечній зоні, яка постійно вентилюється, щоб запобігти небезпечному накопиченню водню. «Справа не в «якщо», а в «коли» у вас виникне витік водню», — сказав Норман Вуд, технічний співробітник GKN і архітектор літаків, на авіаційній конференції Американського інституту аеронавтики та астронавтики (AIAA), що відбулася в липні в Лас-Вегасі.

Розповсюдження водню в будь-якій формі слід розглядати дуже обережно та підтримувати аналіз ризиків і безпеки, сказав Вуд. Централізований підхід не розподіляє водень і не генерує електроенергію за межі безпечної зони без тиску та протипожежного захисту. Через кормову перегородку перетинають лише електропроводи та гелієві лінії. У децентралізованому підході водень розподіляється по літаку, а енергія виробляється в гондолах. «Ми повинні застосовувати однакові правила безпеки до кожної гондоли», — сказав він.

«Централізовано — це єдиний спосіб досягти цілей», — зазначив Вуд. «Усе, що пов’язано з розподілом водню навколо літака, становить ризик». З міркувань безпеки фюзеляж за задньою напірною перегородкою розділений на три зони з протипожежними межами: зберігання й кондиціонування LH 2 , генерація енергії на паливних елементах і управління повітрям.

«Завдяки цьому підходу водень міститься у двох суміжних зонах, що забезпечує найменший ризик витоку та найвищий потенціал для локалізації небезпеки, включаючи вентиляцію», — каже GKN. Команда зосередилася на виявленні та зменшенні ризиків, таких як відмова ротора компресора або часткове відділення фюзеляжу. «Детальні макети кожної зони просуваються з розділенням силових, гелієвих і водневих ліній, що є ключовою вимогою», — повідомляє компанія.

У конструкції GKN компресори подачі повітря розташовані в крайній кормовій частині фюзеляжу поблизу системи генерації енергії на паливних елементах, перед якою розташована система теплового керування, а потім баки LH 2 , встановлені за задньою напірною перегородкою. «Також розглядається можливість доступу для технічного обслуговування лінії, особливо коли система може перебувати в робочому кріогенному стані», — кажуть у GKN.

Зберігається у вакуумних резервуарах з подвійними стінками при 20K (-253C/-423F), LH 2 спочатку подається через теплообмінник для охолодження газоподібного гелію до 25K. Гелій спочатку подається до двигунів, щоб охолодити їх до кріогенної температури. Повернення гелію потім використовується для охолодження ліній живлення постійного струму від інверторів до центрів розподілу електроенергії перед поверненням до водневого теплообмінника.

Середньотемпературні паливні елементи PEM працюють при 120C з ефективністю 50%, виробляючи електроенергію та відпрацьоване тепло. Частина відпрацьованого тепла, а також тепло з гелієвого контуру охолодження використовується для газифікації LH 2 і нагрівання його вище 0C для доставки до паливних елементів разом із повітрям від компресорів. Решту відпрацьованого тепла видаляє водно-гліколева система охолодження.

Важливою частиною трансмісії є послідовна гібридна система накопичення енергії, поєднання акумуляторів для обробки перехідних процесів напруги та швидкодіючих суперконденсаторів для кондиціювання джерела живлення шляхом усунення шуму, створюваного пакетами паливних елементів, які працюють при дещо відмінних напругах. Це дозволяє паливним елементам працювати на майже постійних рівнях потужності від відпускання гальм до моменту спуску та подовжує термін їх служби.

За словами Вуда, батареї забезпечують швидке прискорення та уповільнення, з якими неможливо впоратися, регулюючи подачу водню в паливні елементи, і вони необхідні для відповідності вимогам сертифікації CS-25 Агентства авіаційної безпеки Європейського Союзу, щоб мати можливість переходити від холостого ходу до злітної потужності протягом 8 сек. у разі зближення. Батареї також можуть забезпечити кілька хвилин контрольованого польоту зі скромною тягою, якщо система живлення на паливних елементах вийде з ладу.

Це поєднання гібридизації та кріогенних систем забезпечує значні переваги, сказав він. Переохолодження силових каналів, інверторів і двигунів підвищує ефективність трансмісії після паливних елементів щонайменше на 10% порівняно з некріогенною системою. Це скасовує додаткову масу кріогенної системи, тоді гібридизація зменшує загальну повну потужність стека, потік палива та розмір бака. Разом вони зменшують споживання палива блоком до 20%, 96-місний літак використовує менше 900 кг LH 2 для місії на 1000 нм.

У концепціях на 48 і 96 пасажирів менша витрата палива зменшує злітну вагу на 3%. Найбільший внесок у економію ваги вносять кабелі живлення, які менші, легші та легші для проходження через літак. Кабель живлення міститься в гелієвій трубі, яка підтримує кабель нижче 75K. Гелієвий канал міститься у зовнішній вакуумній трубі, щоб мінімізувати додавання тепла до гелію.

Централізована криогенна воднево-електрична силова установка H2Gear розміщена в безпечній зоні в задній частині фюзеляжу. Авторство: GKN Aerospace Concept

Кріогенне охолодження дозволяє розподіляти високу потужність за авіаційного стандарту ±270 вольт через канали, які важать на 40% менше, ніж звичайні кабелі, що передають таку ж потужність при напрузі 1,4 кіловольта. Концептуальний літак GKN має високі крила, тому гелієві лінії та електропроводи можна легше прокласти через верхню частину фюзеляжу в крило, а будь-які витоки кріогенного гелію можна вивести з фюзеляжу.

Трансмісія H2Gear використовує те, що GKN називає надпровідними матеріалами, як правило, електропровідні метали з високою хімічною чистотою, які мають набагато нижчий питомий опір при кріогенних температурах. Це значно зменшує втрати постійного струму в кабелях розподілу електроенергії.

Як повідомив на конференції AIAA Майкл Хейлз, головний інженер H2Gear у GKN, для кабелів живлення використовується алюміній високої чистоти, вони в 3-4 рази легші на одиницю довжини, ніж еквівалентні звичайні мідні кабелі з повітряним охолодженням, навіть включаючи гелієву та вакуумну оболонку. .

Той самий принцип використовується в надпровідному кріогенному двигуні, який є частково інтегрованою електричною машиною та інвертором із залізним статором температури навколишнього середовища та котушками статора з кріоохолодженням. Перша машина знаходиться на стадії тестування в Манчестерському університеті, партнері H2Gear.

Команда H2Gear спочатку націлилася на субрегіональний сектор і розробила концепцію 19-місного автомобіля, сертифікованого CS-23. «Важко почати, оскільки для резервуарів немає об’єму», — сказав Вуд, додавши, що зовнішні резервуари важкі, тягучі та чутливі до пошкоджень. За словами Вуда, GKN перейшов на 48-місний літак класу CS-25, а потім на 96-місний, і зі збільшенням розміру літака установка силової установки стала простішою. Нещодавно команда розробила концепцію 160-місного автомобіля, щоб продемонструвати масштабованість централізованої системи.

48-місний має дальність до 900 морських миль на крейсерській висоті 25 000 футів і швидкість Маха 0,45 за допомогою двох пропелерів і 0,55 Маха за допомогою двох вентиляторів. Пропелерна версія пропонує більш ранній доступ до послуг, припускаючи рівень технологічної готовності (TRL) 6 у 2030 році проти TRL 6 у 2035 році для версії з канальним вентилятором.

96-місний має дальність 1600 морських миль на висоті 30 000 футів і 0,6 Маха. Версії з подвійним і чотирма вентиляційними вентиляторами були розроблені з урахуванням TRL 6 у 2035 році. Обидва концепти на 48 і 96 місць мають стандартні сидіння з одним проходом 3+3, що є компромісом між більшим опором фюзеляжу та більшим об’ємом задньої частини фюзеляжу для централізована енергосистема потужністю 8 мегават і баки LH 2 .

Хоча це менш зріла концепція, 160-місний чотиримоторний двигун, здається, здатний працювати на відстані до 2200 морських миль, рухатися на висоті 35 000 футів і 0,7 Маха, сказав Вуд. Щоб забезпечити об’єм для енергетичної системи потужністю 16 МВт і резервуарів, поперечний переріз фюзеляжу схожий на Airbus A330 з 2-4-2 сидіннями з двома проходами.

Інтеграція баків LH 2 у задню частину фюзеляжу переміщує кабіну вперед і призводить до більшого переміщення центру ваги (cg) між високим і низьким коефіцієнтами навантаження, і GKN вивчає кілька схем для забезпечення безпечної експлуатації в діапазоні cg.

Ранні концепції із встановленими ззаду вентиляційними вентиляторами загострили проблему дальності ходу, тому команда перейшла до двигунів, встановлених на крилі. «Тепер, коли ми впевнені, що можемо керувати діапазоном cg, і враховуючи нашу здатність моделювати масштабовані канальні вентилятори, ми переглядаємо конфігурації задніх вентиляторів», — каже GKN.

На 160-місному літаку потрібно скласти крило з високим співвідношенням сторін, щоб відповідати межі розмаху 36 м (118 футів) біля воріт аеропорту. У той час як GKN спостерігає за розробкою трансзвукового демонстратора крила NASA/ Boeing X-66 із фермою, «оскільки ми не обмежені зберіганням палива в крилі або вимогою щодо високої трансзвукової крейсерської швидкості, ми маємо більше свободи для дослідження альтернативних концепцій. ”, – йдеться у повідомленні GKN.

Близько 60% загальних авіаційних викидів CO 2 генерується 95% польотів, дальність яких становить менше 4000 км (2200 морських миль). Взявшись за розробку та демонстрацію воднево-електричної силової установки, яка була б масштабованою, команда H2Gear поставила перед собою завдання охопити якомога більшу частину цього потенційного ринку. Через три роки «ми спокійно впораємося з цим викликом», — сказав Вуд.