Airbus готовит к летным испытаниям демонстратор своего первого мегаваттного двигателя на водородных топливных элементах… 30 November 2022. Innovation
Архитектура двигателя на водородных топливных элементах с криогенным хранилищем может быть использована в совершенно новом самолете с нулевым уровнем выбросов, который поступит на вооружение к 2035 году. Airbus уже находится на верном пути к проектированию, сборке и демонстрации такой двигательной установки мегаваттного класса менее чем через четыре года…
Два года назад Airbus представила несколько возможных концепций самолета, известных под общим названием “ZEROe”, которые помогают определить первый в мире коммерческий авиалайнер с нулевым уровнем выбросов, который может поступить в эксплуатацию к 2035 году. Хотя эти концепции охватывают различные категории размеров, аэродинамические компоновки и архитектуру двигательной установки, у всех у них есть одна общая черта: они работают на водородном топливе. У трех из них есть двигатели, которые используют сжигание водорода для приведения в действие своих газовых турбин – аналогично тому, как сегодня турбовентиляторы и турбовинтовые двигатели сжигают керосин, но без выбросов CO2 и твердых частиц.
Между тем, четвертый концептуальный самолет ZEROe, представляющий собой 100-местный региональный авиалайнер с высоким крылом, оснащен шестью восьмилопастными пропеллерами, прикрепленными к двигательным отсекам — конфигурация, недавно запатентованная Airbus. Внешне напоминающие турбовинтовые силовые установки, эти капсулы на самом деле содержат водородные топливные элементы, которые вырабатывают электричество в результате электрохимической реакции для приведения в действие электродвигателей. Именно в этом контексте Airbus проводит технико-экономическое обоснование и лабораторные испытания для создания полностью работающего двигателя на топливных элементах мегаваттного класса и демонстратора, который может быть испытан в полете к середине этого десятилетия — примерно в 2026 году.
Впервые публично анонсированный 30 ноября этого года на саммите Airbus, демонстратор будет использовать мультимодальную платформу для летных испытаний Airbus — культовый A380 MSN001. Самолет будет модифицирован снаружи для установки двигателя на топливных элементах, в то время как внутри задней части фюзеляжа Airbus установит уникальный криогенный бак для хранения сжиженного водорода.
Как это работает
Для этого демонстратора, подтверждающего концепцию, жидкий водород из криогенного резервуара преобразуется в газообразное состояние. Затем он распределяется в топливный элемент по линиям подачи, идущим от бака, и через внешнюю аэродинамическую и несущую опорную конструкцию «заглушки» к интерфейсу пилона двигателя.
Оттуда газообразный водород поступает в топливный элемент внутри капсулы, куда молекулы диоксида углерода (O2) также поступают с помощью контролируемого потока воздуха, взятого из окружающей атмосферы. В результате реакции внутри топливного элемента вырабатывается постоянный электрический ток (DC), который впоследствии преобразуется в переменный ток (AC) с помощью инверторов. Электродвигатели, расположенные в передней части модуля, затем преобразуют электрическую мощность в механическую, передавая крутящий момент на редуктор. В конце двигательной цепи гребной винт обеспечивает тягу. Тепловая энергия, вырабатываемая топливным элементом, должна передаваться системой жидкостного охлаждения в теплообменники, где она рассеивается в окружающий воздух. Вода также образуется в качестве побочного продукта электрохимической реакции, которая выводится из выпускного отверстия в задней части контейнера.
Модификация A380
A380 был очевидным выбором в качестве ‘хозяина’ для демонстрации двигателя на водородных топливных элементах. “Внутри достаточно места, поэтому нет никаких ограничений с точки зрения размещения всего, что нам нужно, а также возможности тестирования нескольких конфигураций”, – говорит Матиас Андриамисайна, руководитель отдела демонстраций и испытаний ZEROe в Airbus.
“С точки зрения аэродинамики, А380 — очень стабильный самолет. Таким образом, модуль, прикрепленный к задней части фюзеляжа с помощью заглушки, не представляет большой проблемы. Кроме того, воздушные потоки от капсулы и ее пропеллера не влияют на воздушный поток над хвостовыми поверхностями A380”, — добавляет он.
“С A380 у нас также есть самолет, который уже полностью оснащен приборами. Контрольно-измерительное оборудование для летных испытаний (FTI) является важной частью проекта и может стать важным фактором с точки зрения затрат и планирования. Так что MSN001 идеально подошел нам”.
Общая концепция, на которой остановились команды, заключалась в том, чтобы внести минимальный объем структурных изменений внутри A380. “Мы просто укрепляем две рамы фюзеляжа, а затем устанавливаем эту заглушку снаружи. Затем мы устанавливаем специально приспособленный пилон, чтобы прикрепить конструкцию капсулы к этому стержню. В целом он сможет выдерживать высокие устойчивые статические и динамические нагрузки”, — отмечает он.
В то время как большая часть оборудования установлена снаружи самолета, внутри самолета есть то, что команда называет “палаткой” – корпус длиной 10 м и шириной 4 м с параболическим поперечным сечением, который будет изготовлен из углеродного волокна командой Airbus Atlantic в Техноцентре Нанта. Внутри этой конструкции может быть размещено до четырех криогенных резервуаров, содержащих жидкий водород. Во время летных испытаний фактический воздух внутри палатки будет находиться под тем же давлением, что и снаружи самолета. Другими словами, оборудование, установленное внутри этой палатки, будет ‘видеть’ только атмосферную среду без давления. Это включает в себя линии подачи водорода из бака, которые проходят непосредственно от палатки к заглушке (также изготовленной в Нанте), а затем к внешнему отсеку (который будет собран на заводе Airbus в Сент-Элуа в Тулузе).
“Использование этого подхода позволяет избежать риска попадания любого водорода в основной герметичный салон A380, поскольку все каналы подачи водорода из бака также будут расположены внутри нашей защитной палатки. Есть также линии аварийной вентиляции, так что при необходимости мы можем удалить водород из этой аварийной линии”, — объясняет Матиас.
Другие «первые» Airbus
“Все, что касается распределительного центра и блока управления двигателем, производится внутри компании – это деятельность Airbus”, — с энтузиазмом говорит Матиас. “Кроме того, двигательная система и связанная с ней коробка передач, а также система управления тангажем разработаны нашими собственными компаниями Airbus Helicopters и коллегами из Министерства обороны и космоса. Airbus впервые самостоятельно создает такой двигатель – это большая задача”.
Среди других нововведений Airbus — внедрение высоковольтной распределенной электрической архитектуры с напряжением до 1000 Вольт постоянного тока, а также создание индивидуальной системы управления двигателем – это преобразует тягу, которой командует экипаж, в фактическую мощность вала.
Следующие шаги
Обширные наземные испытания уже идут полным ходом. Примеры включают электрические стенды, системы терморегулирования и несколько стендов для интеграции топливных элементов. С 2024 года появятся дополнительные интегрированные испытательные стенды, такие как: стенд интеграции системы топливных элементов с блоком топливных элементов мощностью 200 кВт и климатической камерой; стенд функциональной интеграции (FIB) для системы управления двигателем для проверки реальных интерфейсов и исполнительных механизмов; и стенд интеграции пропеллера (PIB). В последнем будут изучены интеграция коробки передач с регулировкой шага гребного винта, выносливость коробки передач и частичные испытания на высвобождение лопастей.
Параллельно недавно разработанные центры питания и преобразователи мощности для демонстратора полета на топливных элементах будут подключены к испытательному стенду A380 “iron bird”, чтобы интегрировать их с устаревшим оборудованием A380 ATA Глава 24 (электроэнергия).
Позже в том же году также появится “железная капсула”. На этом испытательном стенде впервые будут объединены различные ключевые компоненты: 800 кВт мощности топливных элементов для двух электродвигателей; блоки управления двигателем; коробка передач; новая высоковольтная система распределения и преобразования электроэнергии; система подачи воздуха «в полете» и система жидкостного охлаждения.
К 2026 году, когда все будет хорошо после различных интеграционных стендовых испытаний, команды смогут протестировать всю систему на интегрированном испытательном стенде (ITB). Это будет стандартная для полета капсула с топливными элементами в комплекте со всеми ее различными системами и, конечно же, пропеллером. ITB, который будет построен в 2024 году, будет подключен к тому же прибору для летных испытаний, что и для A380 MSN001, а также будет совместно расположена диспетчерская для обучения летного экипажа.
“Между сегодняшним днем и летными испытаниями в 2026 году у нас впереди много задач, не только в дизайне, конечно, но и в тестировании!” — заявляет Матиас.
Источник:https://www.airbus.com/en/newsroom/