Заново изобретая теплообменник с использованием послойного аддитивного наращивания, Conflux оснащает Airbus ключевой технологией, которая делает топливные элементы практичными для использования в ближнемагистральных самолетах и местных воздушных линий.
По мере того как авиационная промышленность стремительно продвигается к электрификации и технологиям с нулевым уровнем выбросов, сотрудничество между инноваторами и аэрокосмическими гигантами ускоряет прогресс. Компания Conflux Technology (мировой лидер, специализирующийся на разработке передовых теплообменников на основе технологии аддитивного производства), присоединилась к программе Airbus ZEROe по разработке теплообменника, напечатанного на 3D-принтере, который устраняет одну из самых серьезных проблем в области водородных двигателей: управление теплом в системах на топливных элементах мегаваттного класса. Такое партнерство подчеркивает, что современное аддитивное производство позволяет найти практические решения для глобального перехода к полностью электрическим самолетам на водородных двигателях – важнейшего поворотного пункта на пути к экологически чистой авиации.
В эксклюзивном интервью Майкл Фуллер, генеральный директор Conflux, расскажет об объявленном партнерстве.
«Водородные топливные элементы не выделяют низкопотенциальное тепло, поэтому реальная задача заключается в достижении высокой плотности теплового потока при небольших перепадах температур и соблюдении строгих ограничений по перепаду давления и массе. Простое увеличение фронтальной площади невозможно в аэрокосмических условиях», - объясняет Фуллер.
Стремление к электрификации авиации: глобальная необходимость
Меры по электрификации авиации не ограничиваются какой-либо одной программой, а представляют собой комплекс инициатив, возглавляемых правительствами, лидерами отрасли и инноваторами, работающими сообща. Совместная цель состоит в том, чтобы сократить выбросы углекислого газа в авиации, снизить уровень шума и повысить эффективность полетов.
Что касается правительства, то НАСА находится на переднем крае своего проекта Electrified Aircraft Propulsion (EAP) по созданию гибридно-электрических и полностью электрических самолетов. Программа направлена на решение важнейших технических задач, таких как повышение плотности заряда аккумуляторных батарей, масштабирование мощных электрических систем и интеграция этих достижений в конструкции, пригодные для полетов.
Среди производителей Airbus и Boeing придерживаются взаимодополняющих подходов. Программа Airbus ZEROe направлена на использование водородных топливных элементов для питания полностью электрических силовых установок, в то время как в Boeing сосредоточены на гибридно-электрических системах и обеспечении автономности. Сотрудничество этих компаний подчеркивает различия в подходах, необходимых для ускорения прогресса в обеспечении экологичности полета.
Тем временем растущая экосистема стартапов внедряет инновации в меньших масштабах – проектирует транспортные средства с электрическим приводом вертикального взлета и посадки (eVTOL), воздушные такси и гибридные платформы. Эти компании, часто быстро реагирующие на изменения и занимающиеся технологиями, изменяющими мир, играют решающую роль в расширении сферы применения электрической авиации.
Наконец, переходный период также зависит от инфраструктуры. Такие программы, как Европейская инициатива в области электрической авиации, направлены на обеспечение аэропортов возможностями подзарядки и заправки водородом.
Отраслевые инноваторы: роль Conflux в экосистеме электрификации
Пока крупные производители и правительственные учреждения разрабатывают концепцию авиации с нулевым уровнем выбросов, отраслевые поставщики предоставляют технологии, которые делают это возможным. Сотрудничество Conflux Technology с Airbus демонстрирует эту динамику. Как отметил Фуллер, применяя передовые технологии послойного аддитивного наращивания для создания компактных, высокопроизводительных теплообменников, Conflux устраняет одно из важнейших препятствий на пути создания водородно-электрических силовых установок, а именно необходимость управления интенсивными тепловыми нагрузками топливных элементов мегаваттного класса:
«В запатентованной базовой архитектуре Conflux используются специально разработанные внутренние элементы, выполненные в виде единого монолитного корпуса. Такой подход устраняет стыки, каналы утечек и суммирование допусков, что повышает целостность конструкции и надежность. Что еще более важно, использование аддитивного производства позволяет нам варьировать плотность ребер и гидравлический диаметр по ходу потока». Это дает возможность поддерживать тепловую эффективность во всем рабочем диапазоне, а не только в какой-то одной расчетной точке.
Такого рода инновации иллюстрируют, как функционирует более широкая экосистема, в которой небольшие, узкоспециализированные компании предоставляют необходимый опыт и передовые компоненты, которые интегрируются в более крупные авиационные платформы. Работа компании Conflux не только поддерживает программу Airbus ZEROe, но и демонстрирует, как партнерские отношения между мировыми лидерами аэрокосмической отрасли и специализированными технологическими фирмами ускоряют переход к экологически чистым полетам.
На вопрос о том, какие возможности и проблемы Conflux видит в сотрудничестве с одним из двух мировых лидеров в области авиации, Фуллер ответил:
«Сотрудничество с Airbus позволило нам с самого первого дня уделять особое внимание сертифицированным теплотехническим решениям, обеспечивающим чистоту монтажа, сводят к минимуму паразитные воздействия и упрощают инспекции и ТОИР (прим. автора: Техническое обслуживание и ремонт). Наша задача, как специализированного поставщика, заключается в том, чтобы свести тепловые, конструктивные и производственные ограничения к готовым к производству компонентам с высокой теплоотдачей, регулируемой Δp, малой массой и интегрированной системой трубопроводов, что позволяет заключать сделки по весу, объему и надежности в установленные сроки. Наш вклад в программу Airbus ZEROe – теплообменник, напечатанный на 3D-принтере для двигателей на топливных элементах мегаваттного класса, – заключается в проведении структурированных оценок уровня технологической готовности, переходя от прототипирования среднего уровня к более высокому уровню готовности, подходящему для летных испытаний. Внедрение достижений в наши разработки гарантирует соответствие инноваций уровню зрелости, необходимому для сертификации и производства в аэрокосмической отрасли».
Благодаря разработкам, квалификации и масштабируемости компания Conflux легко интегрируется в партнерские программы, снижает риски внедрения и быстрее поставляет сертифицированные тепловые подсистемы как для гражданской, так и для оборонной аэрокосмической промышленности.
Водородные топливные элементы и Airbus ZEROe Vision
В основе программы Airbus ZEROe лежит водородный топливный элемент, который вырабатывает электроэнергию путем объединения водорода и кислорода в электрохимической реакции (2H2 + О2 → 2H2O). Этот процесс позволяет избежать выбросов CO2, производя только водяной пар, но при практическом КПД в диапазоне 40-60% почти половина энергии превращается в тепло, а не в электричество. При масштабах в мегаватты, необходимых для приведения в движение коммерческих самолетов, эта тепловая мощность огромна и должна постоянно контролироваться. Теплообменник (традиционно представляющий собой сеть трубок, пластин или ребер, по которым протекает охлаждающая жидкость), отводит тепло от батареи топливных элементов, предотвращая перегрев и поддерживая эффективность.
Технология Conflux развивает этот принцип с помощью 3D-печати, которая обеспечивает сложные внутренние каналы и оптимизированную геометрию, делая теплообменники легче, компактнее и эффективнее, чем системы, изготовленные традиционным способом.
Проблема терморегулирования
Батареи топливных элементов, естественно, работают при температурах выше 80°C, и при расширении их применения в авиации совместное производство тепла становится серьезной инженерной задачей.
Традиционные теплообменники, которые изготавливаются сварными или паяными узлами, часто увеличивают вес и объем – два фактора, которые напрямую влияют на эффективность аэрокосмической промышленности. Технология аддитивного послойного наращивания позволяет преодолеть это, создавая конструкции слой за слоем, открывая сложную внутреннюю геометрию, которая максимизирует теплопередачу при минимизации массы. Эта возможность позволяет Conflux предлагать решения для терморегулирования, точно адаптированные к конкретным требованиям полетов на водородных двигателях, помогая Airbus внедрять технологию топливных элементов в безопасные, сертифицированные силовые установки мощностью в мегаватт.
От лабораторных экспериментов до готовности к полету
В Airbus уже провели значительную подготовительную работу для проверки водородно-электрической тяги. В 2022 году компания объявила о планах создания демонстрационного летного аппарата на водородном двигателе на базе платформы A380, объединяющего несколько водородных баков и систем топливных элементов. Компания также сотрудничает с лидером в области автомобильных топливных элементов ElringKlinger для разработки систем мегаваттного класса, в то время как более масштабные испытания концепций ближнемагистральных самолетов продемонстрировали жизнеспособность двигателей на топливных элементах при более низких уровнях мощности. Эти поэтапные эксперименты укрепляют уверенность и техническую готовность, необходимые для перехода к коммерческим самолетам на водородных двигателях к 2030-м годам.
Водородные двигатели считаются долгосрочным решением для сокращения углеродного следа в авиации, поэтому ожидается еще несколько ключевых этапов. В связи с этим Фуллер высказал свое мнение:
«Следующее десятилетие будет зависеть от того, насколько быстро отрасль сможет внедрить и сертифицировать полную водородно-электрическую экосистему. В тепловых системах акцент смещается с обеспечения максимальной производительности на долгосрочную надежность, воспроизводимое качество и интеграцию в полноценную силовую установку. Это означает установление четких путей сертификации компонентов, производимых с использованием добавок, соответствующих требованиям материалов и процессов для аэрокосмической отрасли, а также создание производственных систем, обеспечивающих стабильную производительность в масштабе производства».
Топливные элементы против сжигания водорода: два пути к полету на водороде
Водород может использоваться в самолетах двумя принципиально разными способами: путем прямого сжигания в модифицированных газовых турбинах или путем электрохимического преобразования в топливных элементах.
В отличие от сжигания топлива, топливные элементы вырабатывают электроэнергию с нулевыми вредными выбросами, например, оксидов азота, обеспечивая более высокую эффективность электродвигателей при более низких рабочих температурах. Airbus активно изучает оба подхода, но считает топливные элементы особенно перспективными для ближнемагистральных самолетов и местных воздушных линий, где эффективность и бесшумность работы имеют первостепенное значение. Эта двухсторонняя стратегия отражает сложность переходного периода, заключающегося в обеспечении баланса между краткосрочной осуществимостью и долгосрочной экологичностью. Говоря о проблемах авиационной отрасли, выходящих за рамки терморегулирования, Фуллерс отметил:
«Помимо термических аспектов, необходимо объединить несколько параллельных достижений. Для обеспечения более высокой гравиметрической и объемной эффективности хранения водорода нужно использовать криогенные или сжатые решения, которые безопасны, поддаются проверке и совместимы с эксплуатацией воздушных судов. Силовая электроника должна быть готова к работе с высоковольтными и сильноточными системами авиационного масштаба с минимальными паразитными потерями. Для повышения удельной мощности систем топливных элементов потребуется обеспечить соответствие требованиям авиации к долговечности и резервированию».
Другими словами, ключевой вехой является согласование – стандартизированные, сертифицированные подсистемы и цепочки поставок, которые позволяют специализированным поставщикам ускорить интеграцию в авиационные программы.
Создание «Самолета на водородном топливе»
Использование водородных топливных элементов в авиации – это не просто вопрос химии, но и системной интеграции, где регулирование температуры становится решающим фактором. Переосмыслив конструкцию теплообменника с помощью аддитивного производства, Conflux предоставляет Airbus важнейший инструмент для повышения эффективности топливных элементов в масштабах, подходящих для ближнемагистральных самолетов и местных воздушных линий.
