خصوصیات منحصر به فرد هیدروژن برای سوخت موتور هواپیما

موتورهای احتراق داخلی oday را می توان با استفاده از سوختهای جایگزین برای بهبود عملکرد محیطی تغییر داد. اکنون ، سوخت هیدروژن – بشکل گاز یا مایع – به عنوان یکی از امیدوار کننده ترین گزینه ها در این زمینه در حال ظهور است. ایرباس در حال بررسی پتانسیل این فناوری برای آماده سازی برنامه هواپیمای خود با میزان انتشار صفر است.

وقتی اولین موتور احتراق داخلی در جهان احیا شد ، این گاز هیدروژن بود – نه بنزین یا دیزل – که به عنوان سوخت آن بکار گرفته شد.

سال 1804 بود. پس از طراحی موفقیت آمیز چندین کالسکه مجهز به بخار ، مخترع فرانسوی-سوئیسی ایزاک دو ریواز قصد خود را برای استفاده از یک سوخت انفجاری – به جای بخار – درون یک موتور ثابت برای تأمین انرژی قرار داد. اولین آزمایشات وی ایجاد انفجار در سیلندر موتور برای حرکت دادن پیستون بود. در آن زمان ، او از مخلوطی از گازهای هیدروژن و اکسیژن برای مشتعل کردن این انفجار استفاده کرد  و کارش نتیجه داد. تا سال 1807 ، موتور نمونه آزمایشی دو ریواز برای پیشران یک کالسکه در فاصله کوتاه استفاده می شد . بدین ترتیب تمایز به عنوان اولین وسیله نقلیه جهان که توسط یک موتور احتراق داخلی رانده می شد ، بدست آمد.

در طول قرن 20 ، شرکت های اتومبیل سازی ، دانشگاه ها ، مخترعین و علاقه مندان به طور یکسان قابلیت زنده ماندن موتورهای احتراق داخلی را که از هیدروژن تأمین می شدند ، بیشتر آزمایش کردند. در واقع ، در سال 1970 ، مخترعی بنام Paul Dieges اولین شخصی بود که اصلاحاتی را در موتورهای احتراق داخلی مجهز به گاز انجام داد که به آنها امکان کار با هیدروژن را می داد.

امروزه موتورهای احتراق هیدروژن توانایی خود را در تأمین موفقیت آمیز انواع وسایل نقلیه از اتومبیل گرفته تا اتوبوس ثابت کرده اند. فردا ، احتراق هیدروژن ممکن است فقط هواپیماهای تجاری آینده را تأمین کند.موتور توربوفن مدرن ترین نوع موتور توربینی گازی است که برای پیشرانه هواپیما استفاده می شود.

احتراق هیدروژن: چگونه کار می کند؟

احتراق یا سوختن یک فرآیند شیمیایی است که شامل آزاد سازی انرژی از مخلوط سوخت و هوا است. در صورت احتراق هیدروژن ، هیدروژن مایع یا گازی در موتور توربین گاز اصلاح شده برای تولید رانش می سوزد. این فرآیند مشابه با احتراق داخلی است ، و هیدروژن جایگزین سوخت فسیلی می شود.

 این سیستم متشکل از یک سیلندر ثابت و یک یا چند پیستون متحرک ،و موتور جرقه زنی به روش زیر کار می کند:

• در طی فرآیند مصرف ، سوخت با هوا مخلوط شده و به داخل سیلندر وارد می شود.
• سپس پیستون مخلوط سوخت و هوا را که توسط جرقه مشتعل می شود ، فشرده می کند. حرارت منجر به احتراق می شود.
• گازهای محترق شده در حال انبساط ، پیستون را می چرخانند و این باعث می شود تا میل لنگ چرخانده شود.
• این حرکت چرخشی ، در مورد خودروها چرخ ها را می چرخاند.

موتور احتراق داخلی موتور حرارتی است که در آن احتراق سوخت با یک اکسید کننده در محفظه احتراق که بخشی جدایی ناپذیر از مدار جریان سیال در حال کار است ، اتفاق می افتد.

موتور جرقه ای چگونه کار می کند؟

تنها راه برای تعیین بهترین فناوری هیدروژن برای سوخت رسانی به هواپیمای مفهومی ZEROe ما آزمایش ، ، آزمایش است.

ماتیو توماس ، معمار هواپیمای ZEROeمیگوید :

هیدروژن دارای خواص منحصر به فرد بسیاری است که آن را برای احتراق مناسب می کند ، از جمله موارد زیر:

    دامنه اشتعال پذیری گسترده: هیدروژن را می توان از طریق طیف وسیعی از مخلوط های سوخت و هوا سوزاند. در حقیقت ، هیدروژن می تواند با یک مخلوط “ناب” کار کند ، به این معنی که مقدار سوخت کمتر از مقدار مورد نیاز برای احتراق با مقدار معینی از هوا است. این منجر به صرفه جویی در مصرف سوخت و دمای احتراق نهایی می شود که به طور کلی پایین تر است ، و باعث کاهش میزان آلاینده هایی مانند NOx منتشر شده از طریق اگزوز می شود.

    دمای احتراق خودکار بالا: دمای اشتعال بالای هیدروژن ، نسبت فشرده سازی بالاتر در موتور هیدروژنی را در مقایسه با موتور هیدروکربنی امکان پذیر می کند. نسبت فشرده سازی بالاتر منجر به بازده حرارتی بیشتر ، یا اتلاف انرژی کمتر در هنگام احتراق می شود.

آزمایش فن آوری احتراق هیدروژن

از احتراق هیدروژن قبلاً برای سوخت رسانی به هواپیماها استفاده شده است. در واقع ، در سال 1988 ، اولین هواپیمای تجربی تجارتی جهان که با هیدروژن مایع (و بعداً گاز طبیعی مایع شده) کار می کرد ، به آسمان پرواز کرد: توپولوف Tu-155. تقریباً 100 پرواز آزمایشی انجام داد و سپس بازنشسته شد و در انبار قرار گرفت.

اکنون ، بیش از 30 سال بعد ، صنعت هواپیمایی بار دیگر توجه خود را به احتراق هیدروژن در هواپیماهای تجاری معطوف کرده است. در واقع ، هواپیمای مفهومی ایرباس ZEROe می تواند با سوخت هیدروژن کار کند. برای بررسی امکانات و محدودیت های این فناوری برای هواپیماهای تجاری ، ایرباس با شرکای مختلفی در صنایع همکاری خواهد کرد.

ماتیو توماس ، معمار پیشگام هواپیما ZEROe می گوید: “تنها راه برای تعیین بهترین فناوری هیدروژن برای تأمین سوخت هواپیماهای مفهومی ZEROe ، آزمایش ، آزمایش و آزمایش است.” “ما مشتاقانه منتظر به اشتراک گذاشتن جزئیات بیشتر در مورد یک همکاری هیجان انگیز بین صنعت در مورد سوخت هیدروژن هستیم.”

مخزن هواپیمای مفهومی ایرباس ZEROe Turbofan

اما برای کارکرد سوخت هیدروژن ، هیدروژن مایع باید با اطمینان و ایمنی روی هواپیما ذخیره شود. با توجه به ویژگی های منحصر به فرد هیدروژن ، این مورد می تواند مشکل باشد. به عنوان مثال ، در صورت انتقال گرما به درون محتوای ذخیره شده توسط عواملی مانند هدایت ، مخازن باید عایق بندی شوند. به همین دلیل بخش دفاع و مهندسی ایرباس برای کمک به آن وارد عمل شده است. این تیم در یک پروژه سه ساله با تیم برنامه ZEROe از توسعه و صنعتی سازی مخازن برودتی برای ذخیره هیدروژن مایع پشتیبانی خواهد کرد.

رناتو بلاروسا ، رئیس محصولات پیشرانه و مخازن در ایرباس دفاعی و فضایی توضیح می دهد: “صنعت فضایی برای دهه ها از مخازن تحت فشار برای ذخیره سوخت پیشرانه مایع استفاده کرده است.” “بنابراین ما در تحمل خسارت ، در فن آوری های پیشرفته تولید و آزمایش فشار شناور تخصص زیادی داریم که همه این موارد برای حمایت از توسعه مخازن ذخیره هیدروژن مایع برای سیستم های پیشرانه آینده هواپیما مهم است. این همکاری بین صنعتی ما را به قرار دادن هواپیمای مجهز به هیدروژن در آسمان طی دهه آینده نزدیکتر می کند. “