苏黎世联邦理工学院正在研究制造适合氢能时代的喷气发动机技术|苏黎世联邦理工学院_新浪财经

苏黎世联邦理工学院的氢发动机喷嘴就在这个试验室中进行测试。研究人员可以复制巡航高度的真实条件。

氢燃料喷嘴喷出的火焰。　　未来，氢动力飞机将在世界各地展翅翱翔。为了实现这一目标，工程师们必须开发出为飞机提供动力的喷气发动机。苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）研究人员的实验正在为制造出动力强劲、经久耐用的发动机奠定必要的基础。　　欧洲正在为以可持续生产的氢为动力的气候中和飞行做准备。2023年，欧盟启动了一个项目，支持工业界和大学开发氢动力中程飞机。除其他外，喷气发动机也必须进行改造，以适应新燃料的运行。如今的发动机是为燃烧煤油而优化设计的。　　苏黎世联邦理工学院机械与加工工程系教授尼古拉斯·诺伊雷（Nicolas Noiray）解释说：“氢的燃烧速度比煤油快得多，因此火焰更紧凑。在设计氢燃料发动机时必须考虑到这一点。”诺伊雷团队的实验为此提供了重要依据。该团队刚刚在《燃烧与火焰》（Combustion and Flame）杂志上发表了他们的研究成果。　　其中一个问题是振动，工程师试图将振动降至最低。在典型的喷气发动机中，发动机环形燃烧室周围布置了约20个燃油喷嘴。燃料在这里的湍流燃烧会产生声波。这些声波从燃烧室壁上反射回来，对火焰产生反馈作用。声波和火焰之间的这种耦合可能会引起振动，从而给发动机燃烧室带来沉重的负荷。诺伊雷研究小组的博士后研究员阿贝尔·福尔·博略（Abel Faure-Beaulieu）说：“这些振动会使材料疲劳，在最坏的情况下会导致裂缝和损坏。这就是为什么在开发新发动机时，要注意确保在工作条件下不会出现这些振动的原因。”模拟巡航高度条件　　当工程师们开发出今天的煤油发动机时，他们必须控制这些振动。他们通过优化火焰形状以及燃烧室的几何形状和声学原理来实现这一目标。然而，燃料类型对声音和火焰之间的相互作用有着重大影响。这意味着工程师和研究人员现在必须确保在新型氢燃料发动机中不会出现这些问题。苏黎世联邦理工学院精心设计的测试和测量设施使诺伊雷能够测量氢火焰的声学特性，并预测潜在的振动。作为欧盟HYDEA项目的一部分，他与通用电气航空航天公司合作，对该公司生产的氢燃料喷嘴进行了测试。　　诺伊雷解释说：“我们的设备能够复制发动机在巡航高度时的温度和压力条件。苏黎世联邦理工学院的研究人员还可以再现各种燃烧室的声学特性，从而进行广泛的测量。这项研究是首次在真实飞行条件下测量氢火焰的声学特性。”　　在实验中，研究人员使用了单个喷嘴，然后模拟了未来氢燃料发动机中喷嘴集合的声学行为。这项研究正在帮助通用电气航空航天公司的工程师们优化喷嘴，为高性能氢燃料发动机铺平道路。几年后，这种发动机就可以在地面上进行初步测试，将来可以推动第一架氢燃料飞机。　　诺伊雷并不认为开发发动机或为飞机开发氢燃料罐是航空业向氢时代过渡的最大挑战。他说：“人类已经飞上了月球，工程师们无疑能够研制出氢动力飞机。但仅有飞机还不够。另一个重大挑战是建立氢动力航空的整个基础设施，包括生产足够数量的气候中和氢燃料并将其运送到机场。要在合理的时间范围内实现这一目标，现在就需要共同努力。”为什么将氢用于航空？　　大多数地面车辆都可以通过电池实现电气化；但是，对于高性能飞机来说，电池太重了。用氢气在低温罐中储存200名乘客飞行数千千米所需的能量，比用电池储存至少轻30倍。“未来几十年，只有载重量极低的小型飞机才会使用电池供电，”诺伊雷说，“对于客机和货机来说，合成燃料是当今航空煤油的唯一替代品，而氢是可持续生产的最经济的燃料。”　　根据飞机的大小和航程，有两种潜在的氢动力解决方案。对于巡航速度低、航程短的小型支线飞机，氢可以在机上的燃料电池中转化为电能。这样就可以通过电动机驱动螺旋桨。然而，对于长途商用飞机来说，燃料电池因其体积和重量而不适用。未来，这些飞机将由以氢为燃料的喷气发动机推动。目前，一些工业集团正在努力开发这种发动机。（航柯）