영국 국립복합재료센터(NCC)가 길이 750mm, 직경 450mm에 96리터 이상의 액체수소를 담을 수 있는 우주 액체수소 저장탱크 실증기를 개발했다.

탱크는 공칭 벽 두께가 4.0~5.5mm로 설계 및 제조되어 85bar의 압력을 견딜 수 있습니다. 탄소섬유 복합재 차체의 무게는 8kg에 불과하며, 추가적인 중량 최적화가 계획되어 있습니다. NCC는 폭 300mm의 MTC510 에폭시 탄소 섬유 프리프레그를 사용합니다. MTC510은 80°C~120°C 사이에서 경화되도록 설계된 에폭시 수지 시스템으로, 손상 내성을 향상시키기 위해 강화되었습니다. BINDATEX는 프리프레그 테이프를 제공했는데, 이 테이프는 6.35mm 너비로 정확하게 절단되어 코리올리스 자동 섬유 배치(AFP) 장비에 사용하기 위해 22,000미터의 재료로 반환되었습니다. 코리올리스 AFP 장치는 세척 가능한 금형 주위에 6.35mm 프리프레그 테이프를 감싸는 데 사용되었으며, 와인딩 프로세스는 나선형 및 후프 와인딩을 모두 관리하는 특수 소프트웨어로 제어되었습니다. 24개 이상의 레이어와 최대 5.5mm 두께의 와인딩 프로세스를 조정하여 탱크의 특정 압력 또는 부하 요구 사항을 최적화할 수 있습니다.

벽 두께가 30mm인 코어 몰드를 두 부분으로 주조한 후 서로 접착했습니다. 이 도구에는 자동 합성 레이어 배치 중 예상되는 비틀림 하중과 오토클레이브 경화 중에 가해지는 압력을 견디도록 설계된 세 개의 세척 가능한 내부 강화 링이 포함되어 있습니다. 금속 유체 밸브 포트는 세척 가능한 코어 금형에 통합되어 최종 제품에 대한 2차 조립 및 접착 작업이 필요하지 않습니다. 이러한 포트는 제조 공정의 후반 단계에서 탄소 복합재와 결합됩니다. 와인딩 후 탱크의 결함 및 두께 변화를 검사하고 100°C의 오토클레이브에서 경화한 후 재검사합니다. 초음파 C-스캔과 열화상 촬영을 사용한 경화 후 비파괴 검사(NDT)를 비교하여 박리 및 다공성과 같은 결함을 식별합니다. 마지막으로 내부 코어 몰드를 가압된 냉수로 세척하여 탱크 공간이 깨끗해졌는지 확인합니다.

민간 항공기에 액체수소를 사용하는 이유는 무엇입니까?

등유의 12kWh/kg에 비해 수소의 중량에너지밀도는 33.3kWh/kg이다. 정상적인 압력과 온도에서 수소의 밀도는 0.090kg/m3입니다. 700bar(정상 대기압의 700배)에서 수소의 밀도는 42kg/m3로, 125L 탱크에 5kg의 수소를 저장할 수 있습니다. -252.87°C 및 1.013bar에서 액체 수소의 밀도는 71kg/m3에 가까워 75L 탱크에 5kg의 수소를 저장할 수 있습니다. 저온 탱크에 액체수소를 저장하면 부피를 더욱 줄이는 데 도움이 됩니다.

• 상온 및 압력에서 기체 수소 3000리터는 항공 등유 1리터에 해당하는 에너지입니다.

• 700bar의 기체 수소 6리터는 항공 등유 1리터에 해당하는 에너지입니다.

• -252.87°C 및 1.013bar의 액체 수소 4리터(1.05갤런)는 항공 등유 1리터와 동일한 에너지를 제공합니다.

이러한 데이터를 통해 액체 수소(-252.87°C)를 저장하려면 가장 작은 저장 탱크 용량이 필요하다는 것이 분명해졌습니다. 탱크 용량이 작을수록 항공기의 공기역학적 형태에 통합하기가 더 쉽습니다.

저온(-252.87°C) 액체수소 저장탱크의 주요 기술적 문제:

1. 탱크의 액체 수소를 -253°C 미만으로 유지:현재는 내부탱크와 외부탱크 사이에 진공단열 구조를 사용하고 있다. 내부 탱크는 탄소 섬유 강화 수지 복합재로 만들어졌으며, 외부 탱크에는 여러 겹의 특수 단열재가 포함되어 있습니다.

2. 탱크에 내부 시스템 설치 및 유지 관리:현재의 파이버 와인딩 프로세스를 사용하는 경우 탱크 내부에 파이프라인과 시스템 구성 요소를 설치하고 유지 관리해야 하는 과제가 있습니다.

3. 탱크 및 내부 구성 요소의 재료 선택:저온 환경(-252.87°C)이 탱크 및 내부 부품에 사용되는 재료에 미치는 영향.

4. 저온 시험 기술 및 연료 슬로시 관리 기술.

5. 잦은 이착륙을 견뎌야 합니다.수소탱크는 약 20,000회의 이착륙을 견뎌야 합니다.

항공기 구조에 미치는 영향

항공기 날개 구조의 연료 탱크는 연료를 저장하는 데 사용되는 공간입니다. A320 날개 탱크는 약 20톤의 항공 등유를 저장할 수 있습니다(보잉 737 및 코맥 C919와 유사). 등유를 액체수소로 대체하는 94m3 원통형 액체수소탱크는 기체 후방에만 장착할 수 있어 기체 길이가 상당히 길어진다. 후방 동체는 최대 직경이 4m 미만인 원추형입니다. 단순히 94m3 탱크를 수용하기 위해 동체를 확장하는 것은 비현실적입니다. 따라서 동체 직경도 증가해야 합니다.

새로운 A320 설계에서는 원형 및 원추형 탱크가 후방 동체에 설치됩니다. 하지만 동체 직경이 늘어날지는 아직 불분명하지만 그럴 가능성도 있다. 영국은 현재의 A320을 대체할 좁은 몸체의 "FZN-1E"를 갖춘 액체 수소 구동 민간 항공기 설계를 공개했습니다. 이 새로운 디자인은 동체를 10m 연장하고 직경을 1m 증가시키며 이중 통로 객실 레이아웃, 재설계된 날개, 추가"앞 비행기"코에 엔진이 장착되어 있고 꼬리에 엔진이 장착되어 있습니다.

진전

민간 항공기 엔진에는 터보프롭 엔진과 터보제트 엔진의 두 가지 유형이 있습니다. 터보프롭 엔진이 장착된 항공기의 경우 수소는 연료 전지를 통해 프로펠러를 구동하는 발전기로 전기를 생성합니다. 이 유형의 엔진은 주로 10~70석 규모의 지역 항공기와 소형 일반 항공기에 장착됩니다. 초기 수소 연료 연구는 이러한 항공기 유형으로 시작되었습니다. 4월 12일, 독일의 4인승 'HY-4' 수소전기 비행기가 슈투트가르트에서 프리드리히스하펜까지 성공적으로 비행했습니다. 올해 말에는 19석의 '도르니어(도르니어)'와 75석의 'Q-400', 'ATR72-600' 수소전기 비행기가 하늘을 나는 모습을 볼 수 있을 것이다. 1988년 4월, 소련은 액체수소 터보제트 엔진을 장착한 개조된 화-155를 시험비행했습니다. 소련이 해체된 후 러시아는 이 연구를 계속하지 않았습니다.

현재 전 세계적으로 100석이 넘는 민간 항공기를 생산 및 개발하는 회사는 보잉(보잉), 에어버스(에어버스), 코맥, 러시아 등 4개 회사뿐입니다. 최근 외신 보도에 따르면 보잉과 에어버스만이 실제 액체수소 민항기 활용 연구를 진행하고 있는 것으로 알려졌다. 10여년 전 소규모로 진행된 보잉의 프로젝트"디모나"프로펠러 글라이더는 예비적이었습니다. Airbus는 액체 수소 연료 터보팬 엔진의 고고도 비행 테스트를 시작하면서 앞서 있습니다. 그들은 또한 프로펠러 항공기, 150석 항공기, 광동체 항공기 등 세 가지 유형의 항공기에 대한 예비 설계를 제공했습니다. 거의 40년 동안 시장에 출시되어 온 단일 통로 150석 A320을 대체할 예정인 150석 항공기에 대한 자세한 정보가 제공됩니다. 에어버스는 다음과 같은 서비스를 출시할 계획이다."신형 A320"2030년에서 2035년 사이. 새로운 항공기에는"신천옹"매우 높은 종횡비, 접힘, 펄럭이는 윙팁, 페어링 플랩이 없는 공기 역학적 구성입니다. 사용되는 재료는 날개용 열경화성 탄소 섬유 강화 에폭시 수지 복합재와 동체용 고성능 열가소성 탄소 섬유 복합재입니다. 이 신형 항공기는 항공용 등유 대신 액화수소를 사용하게 되며, 월 70~100대의 항공기 생산을 설계 및 제조 목표로 하고 있다. 에어버스는 액체수소 연료 항공기 개발에서 보잉보다 훨씬 앞서 있다(보잉이 737기를 액체수소로 교체한다는 정보는 보고된 바 없다).

우리는 무엇을 할 수 있나요?

화석 연료 대신 수소를 사용하는 것은 탄소 배출을 해결할 뿐만 아니라 석유 자원이 부족한 국가에 전략적으로 중요합니다. 중국은 연간 생산량이 약 3,300만톤에 달하는 세계 최대의 수소 생산국이다. 여러 회사가 액체 수소 생산에 참여하고 있으며, 중국은 전 세계적으로 두 번째로 큰 탄소 섬유 생산국입니다. 따라서 복합수소저장탱크를 개발하고 생산하는 것은 견고한 소재 기반을 갖추고 있습니다.

이 기사에서 논의된 다양한 항공우주 및 항공 액체수소 저장 탱크는 저장 탱크가 다양한 제품의 특정 요구 사항과 구조적 공간을 충족하도록 설계 및 제조되었음을 보여줍니다. 현재 많은 산업 제품은 여전히 ​​화석 연료나 그리드 전력을 사용하고 있습니다. 이는 수소 발전으로의 전환을 고려할 수 있습니다. 수소저장 분야에는 개발해야 할 제품이 매우 많고, 많은 과제가 우리를 기다리고 있습니다.

인터넷에서 가져온 이 기사의 일부 데이터는 정확성이 반복적으로 검증되었습니다. 이러한 데이터는 수소저장탱크의 초기 설계 치수와 용량을 추정하는 데 사용될 수 있습니다.