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【独家揭秘】详细解密日本下一代氢动力飞机研究中的高性能碳纤维复合材料轻量化技术

01、日本下一代氢动力飞机项目概述
1.1 背景介绍

虽然新冠肺炎疫情导致了全球航空业低迷,但国际航空运输协会(IATA)预计,2023年航空旅行需求将恢复到2019年的水平,然后,由于新兴国家的经济增长,航空旅行将继续保持约4%的可持续年增长水平。在这种情况下,飞机行业仍然可以被视为一个增长型行业。

国际民用航空组织(ICAO)制定了2020年后国际航空二氧化碳排放量不增加的目标,随着对碳中和的解决方案的需求迅速增加,ICAO通过欧洲和美国的飞机制造商开展与飞机机身和发动机减重和提高效率相关的技术开发。此外,自从空中客车公司宣布打算在2035年推出一种使用氢燃料和燃料电池的“碳中和的飞机”以来,开发氢飞机的竞争愈演愈烈。

因此,日本推出了“Next-generation Aircraft Development”下一代航空飞机发展计划,该项目的目的是促进氢动力飞机核心技术的发展,以及下一代飞机所需的具有复杂形状的显著更轻的主要结构部件的技术。通过该项目,全球碳中和运动被视为加强日本飞机工业竞争力的机会。通过利用日本在氢和材料核心技术方面的优势,该项目的目的还包括提高日本在联合国际飞机开发项目中的参与水平(目前约为20%至30%)。

1.2 项目主要内容

本项目总预算将达到210亿日元,研发包括两大研究主题,氢动力飞机核心技术和具有复杂形状和显著轻量化的初级飞机结构的开发,详细内容如下:

  • 氢动力飞机核心技术涉及研发内容包括氢能发动机燃烧室及其系统技术、液化氢燃料储罐的开发、氢动力飞机结构概念研究,该部分研究内容主要由Kawasaki Heavy Industries, Ltd.(川崎重工业有限公司)来完成。

  • 具有复杂形状和显著轻量化的初级飞机结构研发内容主要涉及基于复合材料的飞机初级结构轻量化、高生产率和复杂形状研究(由Mitsubishi Heavy Industries, Ltd.,三菱重工有限公司负责)以及热塑性复合材料轻量化结构研发(由ShinMaywa Industries, Ltd.新美和实业有限公司负责)。

1.3 预期成果

  • 对于预计在2050年投入运营的所有飞机中,国内航班中50%的中小型飞机(占总数的40%)预计将被氢动力飞机取代,而其余50%预计将被电动飞机取代

  • 国际航线上大型飞机的机身设计将采用减重技术,燃油效率提高水平预计将达到2%。

  • 到2050年,国际和国内航班上航空燃料的二氧化碳排放量预计将达到18亿二氧化碳/年。

  • 到2050年,预计对新飞机的需求预计约80%为窄体飞机,20%为宽体飞机

  • 预计50%的窄体飞机(或总数的40%)将采用氢动力,其余50%预计采用电动

  • 根据该项目开发的技术预计将用于氢动力飞机上20%的飞机框架和发动机,以及5%的其他类型飞机框架和发动机

02、下一代氢动力飞机技术研发内容

作为制造氢飞机所必须的元件和要素,着重从以下相关方面进行技术开发:

  • (1)既能实现氢的稳定燃烧又能实现低氮氧化物排放的发动机燃烧器;

  • (2)可承受极低温度(-253℃)的小型轻质液氢储罐;

  • (3)机身设计,这将需要进行重大调整(目标1)

此外,以大幅减轻飞机结构重量为目标,着眼于后下一代飞机(2035年后)(目标2)。为了实现这些目标,设定了以下目标和研发细节:

目标(1):到2030年,除其他事项外,建立氢能飞机所必需的核心技术(TRL6+*),包括液氢燃料储罐、发动机燃烧室和机身设计,其中技术水平由NASA设定,相当于国际能源署的TRL6+级;着重要解决对飞机的特别要求,使其变得更轻、更安全、更可靠,因此障碍很大。研究内容包括氢能发动机燃烧室及其系统技术、液化氢燃料储罐的开发、氢动力飞机结构概念研究。


目标(2):对于主翼和其他重要结构部件,与现有部件(铝合金)使用的材料相比,重量减轻约30%目的是为2035年以后引进的飞机安装该技术。这对于航空航天部门的脱碳至关重要,例如,由于低燃料消耗和推进系统的变化而导致的重大设计变化。研究内容为开发大幅减轻飞机主要结构部件重量的技术。

03、优化提升强度、有效减重的碳纤维复合材料技术
3.1 技术概述

为了适应飞机结构的重大变化,首先需要提高强度。这就需要建立可靠的技术来有效降低复合材料中的空隙和褶皱

此外,大幅减轻重量需要在保持可靠性的同时减少接头中的紧固件数量,一个重要的挑战是使这种技术发展与实现满足需求的生产率和成本相协调。

碳纤维复合材料失效预测的难度也是一个技术挑战,其中一项重要任务是继续推进技术发展,同时认识到保证碳纤维复合材料安全的重要性,制定评估重量节省的方法,并建立无损检测,以确定飞机何时运行。

3.2 技术细节

无空隙(No voids)

  • 树脂中的空气和水分等因素会导致空隙

  • 空隙会降低CFRP的强度特性,因此需要建立尽可能减少空隙的成型技术

无褶皱(No wrinkles)

  • 尤其是在成型厚CFRP的过程中,可能发生褶皱

  • 褶皱会导致刚性和强度不足,因此需要建立尽可能减少褶皱的成型技术

无紧固件(No fasteners)

  • 接头中使用的每个紧固件(螺母或螺栓)都会增加重量和成本

  • 减轻重量需要建立不使用紧固件的接头技术,同时保持接头的可靠性

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