پژوهشگران دانشگاه پلیتکنیک شمال غرب چین و دانشگاه چینی هنگکنگ، طرح مفهومی جدیدی را برای یک موتور توربینی هیبریدی نوآورانه برای تامین نیروی پیشران هواپیمای مسافربری پهنپیکر ارائه کردهاند.
این سامانه پیشرانش جدید، از یک توربین گاز و مجموعهای از سلولهای سوختی دما بالای هیدروژنی تشکیل شدهاست. در صورت اجراییشدن این ایده، موتور توربینی هیبریدی مذکور امکان افزایش زمان پرواز بدون سوختگیری مجدد هواپیمای مسافربری پهنپیکر تا 17 ساعت را فراهم میکند. علاوه بر آن، به طور کامل آلایندگی دیاکسیدکربن را از میان خواهد برد.
نیاز به استفاده از توان الکتریکی در صنعت هوانوردی با توجه به سهم بالای این حوزه در آلایندگی دیاکسیدکربن رو به افزایش است. سوخت جت مورداستفاده توسط موتورهای هوایی بزرگترین منبع آلاینده دیاکسیدکربن است. در این حال استفاده از سامانه پیشرانش الکتریکی مبتنی بر باطری برای هواپیما تقریبا غیرممکن است. دلیل این است که وزن این باطریها بسیار سنگین است و برد موردنظر برای مسیر پرنده را تامین نمیکنند.
سلول سوخت هیدروژنی گزینهای کارآمدتر است اما استفاده از آنها نیاز به تجهیزات پیچیده نگهداری و ذخیرهسازی دارد. همچنین بار سازهای در فازهای بحرانی پرواز همانند مانور برخاست ممکن است آسیب جدی به آنها وارد کند. پژوهشگران چینی طرح مفهومی جدید برای موتور توربینی هیدروژنی ارائه کردند که مزایای هر دو فناوری را به اشتراک گذاشتهاست. ایده محوری شامل یکپارچهسازی سلول تست دما بالا مبتنی بر تبادل پروتون با یک موتور توربوفن متعارف است.
این بدان معنا است که موتور هوایی هیبریدی جدید میتواند در دو مود مختلف کار کند. مود هیبریدی در زمان برخاست و اوجگیری فعال میشود که در قالب آن توربین گاز و سلولهای سوخت به طور همزمان بیشترین توان ممکن را تامین خواهند کرد. در فاز سیر سامانه پیشرانش به مود الکتریکی تغییر حالت پیدا میکند و سلولهای سوخت هیدروژنی وظیفه اصلی نیروی پیشران را بر عهده میگیرند. برای ارزیابی این طرح مفهومی یک مدل دقیق ریاضی توسعه یافتهاست.
مدل محاسبات برای ارزیابی این طرح مفهومی
در این مدل محاسبات آیرودینامیکی، جزئیات کارکرد سلول سوخت و فرآیندهای سرمازایی مخازن نگهداری سوخت هیدروژن موردتوجه قرار گرفتهاست. با استفاده از این مدل ریاضی، امکان پایش عملکرد سامانه پیشرانش هیبریدی جدید در شرایط مختلف سرعت پروازی، ارتفاع و بارهای سازهای ناشی از نیروهای آیرودینامیکی وجود دارد.
از آنجایی که مخازن نگهداری هیدروژن مایع بزرگتر از مخازن سوخت جت هستند، ملاحظات مرتبط با افزایش طول بدنه برای جانمایی مخازن سرمازا نگهداری هیدروژن در نظر گرفته شدهاست. نتایج اولیه این مدل محاسباتی بسیار هیجانانگیز است. در شرایط سیر مصرف سوخت ویژه در مقایسه با موتور توربوفن متداول 12.6 درصد کاهش مییابد، درحالیکه نیروی پیشران در دور موتور یکسان، نزدیک به ده درصد بیشتر از موتور توربوفن است.
ازطرف دیگر محاسبات نشان میدهد که با افزایش 20 درصدی طول یک هواپیمای مسافربری متعارف امروزی امکان جانمایی مخازن سوخت هیدروژن در آن برای انجام یک پرواز عملیاتی وجود دارد. در چنین شرایطی برای یک پرواز دوربرد نزدیک به 301 تن کاهش در آلایندگی دیاکسیدکربن ایجاد میشود.
منبع:
