Могут ли водородные топливные баки в самолете увеличить подъемную силу?

Давайте быстро посчитаем. Воздух имеет плотность около 1,3 г/л, а водород имеет плотность около 0,09 г/л. Лучшим случаем для подъемной силы было бы хранение водорода при том же давлении, что и окружающий воздух. Это означает, что каждый л водорода может вытеснить 1,21 г воздуха, уменьшая плотность самолета. Количество воздуха, вытесняемого самолетом (и, следовательно, плавучесть ) не изменится, но плотность самолета в этом пространстве уменьшится. Это уменьшило бы необходимую подъемную силу, но давайте посмотрим, насколько.

Наибольший свободный объем в самолете (который не является частью герметичной части фюзеляжа) - это топливные баки. Топливный бак A380 составляет около 323 000 л. Если учесть заполнение половины этого объема водородом, это приведет к общему снижению веса примерно на 190 кг. Максимальный взлетный вес A380 составляет 575 000 кг. Это изменение помогло бы, но было бы очень мало по сравнению с общей необходимой подъемной силой.

Как указывает Дэвид Ричерби, водород, необходимый в качестве топлива , должен быть сжат (если не сжижен), чтобы его было достаточно на борту. Это увеличило бы плотность выше плотности любого вытесненного воздуха, что вместо этого увеличило бы вес самолета.

Возможно, водород можно было бы производить, а не хранить. В новых самолетах есть что-то, называемое OBIGGS , или бортовая система генерации инертного газа. Эта система вырабатывает азот, который используется для заполнения пространства в топливных баках после использования топлива. Будучи инертным газом, азот может понизить количество кислорода в пространстве ниже того, что требуется для воспламенения паров топлива.

Однако эта система выделяет азот из воздуха, учитывая, что наша атмосфера в основном состоит из азота. Водород должен был бы поступать откуда-то еще, обычно из воды, что добавило бы веса. Еще одна проблема с водородом заключается в том, что при добавлении в воздух он сам по себе может стать взрывоопасным , что еще больше усугубит ситуацию. Учитывая незначительное преимущество, эту систему не стоит устанавливать на авиалайнер.

Что касается возможности создания самолета с водородным двигателем, НАСА провело исследование и решило, что это не лучший источник энергии для самолета. Объем и вес, необходимые для хранения даже жидкого водорода, были бы слишком велики, чтобы самолет мог быть очень полезным.

Плавучесть (она же статическая подъемная сила) зависит от объема объекта. Если положить в баки что-то еще, плавучесть не изменится .

Однако, что может измениться, так это вес. Если бы вы хотели использовать его в качестве топлива, вам пришлось бы взять такое количество, чтобы получить такую ​​же теплоту сгорания, как у керосина. Водород имеет более низкую¹ теплотворную способность 119,96 МДж/кг, а керосин имеет ~43 МДж/кг (²), поэтому вам потребуется почти в три (2,79) раза меньше водорода по весу. Это совершенно не связано с его плотностью, но это единственный способ использовать его в качестве топлива.

Однако:

• Вам все равно нужно будет втиснуть его в самолет, что означает либо огромное давление, либо очень холодное .
• Даже жидкий водород имеет плотность всего 70,85 кг/м³ (газообразный при 300 бар имеет только 26,96 кг/м³) по сравнению с 800 кг/м³ керосина, так что даже при трехкратном меньшем весе вам все равно понадобятся в четыре раза большие топливные баки и они будут иметь более высокое сопротивление формы и больший вес. У них также была бы немного более высокая плавучесть, но штраф за сопротивление был бы выше, чем любой выигрыш от этого.
• Работать с вещами холоднее -253 °C сложно , и требуется много энергии, чтобы охлаждать их и сохранять холодными. Для космических кораблей преимущество в весе настолько важно, что оно того стоит, а для самолетов - нет.
• Сжатый водород на самом деле не вариант. Танки были бы тяжелее, чем можно было бы сэкономить на весе топлива.

Таким образом, в целом водород не имеет никаких преимуществ для самолетов. Он предназначен только для космических кораблей, которые быстро покидают атмосферу, поэтому их не сильно заботит аэродинамическое сопротивление, но много заботит вес.

¹ Обратите внимание, что «низшая теплотворная способность» — это технический термин. Топлива имеют две теплотворные способности: более низкую, которая соответствует остаточному состоянию продуктов в газообразном состоянии, и более высокую, которая включает энтальпию конденсации, если продукты были бы жидкими при комнатной температуре и стандартном давлении, как в случае с обычным продуктом сгорания, водой. .

² В отличие от водорода, керосин представляет собой смесь с некоторым допуском по составу, поэтому он не имеет более точной теплотворной способности, поскольку допускается варьирование от партии к партии.

Нет. Если вы хотите использовать водород в качестве топлива, вам нужно его много, а это значит, что вам нужно герметизировать его. Водород менее плотный, чем воздух, когда он находится при обычном атмосферном давлении, но по мере того, как вы начинаете создавать на него давление (то есть помещать большую массу водорода в фиксированный объем), это преимущество уменьшается. Хуже того, если ваше топливо находится под давлением, вам нужно хранить его в прочном баке, а прочный означает тяжелый.

Подъемная сила увеличилась бы, если бы не было давления. Конечно, это также увеличило бы объем на несколько порядков, если бы оно создавало достаточную подъемную силу, чтобы иметь значение в контексте самолета значительного размера, что привело бы к штрафам за аэродинамическое сопротивление, которые намного перевешивают преимущества подъемной силы для самолетов, которые летать на чем-либо близком к скорости, используемой в современных авиалайнерах. Это, конечно, может работать для гораздо более медленных летательных аппаратов, таких как дирижабли , хотя такое использование может иметь нежелательные последствия .

Если он находится под давлением, он будет более плотным, чем воздух, и поэтому не будет создавать подъемной силы.

Вышеупомянутые нежелательные последствия выглядят примерно так: