未来将看到氢动力飞机在全球范围内起飞。为了实现这一目标，工程师需要创造将推动它们的喷气发动机。苏黎世联邦理工学院的研究人员进行的最新实验为这些发动机的强大与韧性奠定了基础。
欧洲正准备迎接由可持续方式生产的氢气驱动的环保飞行。去年，欧盟启动了一项项目，以协助工业和学术机构开发一种由氢气驱动的中程飞机。这涉及到对喷气发动机的改造，使其能够适应这种新燃料，而当前的发动机则是为煤油燃烧而优化的。
“氢气的燃烧速度明显快于煤油，这导致了更紧凑的火焰结构，”苏黎世联邦理工学院机械与过程工程系教授尼古拉斯·诺瓦耶（Nicolas Noiray）表示。这个特性必须在氢气发动机的设计中考虑。诺瓦耶团队的最新发现为此提供了重要的见解，最近发表在期刊《燃烧与火焰》（Combustion and Flame）上。
一个显著的问题是振动，工程师的目标是减少这种现象。在标准喷气发动机中，大约有二十个燃料喷射喷嘴分布在环形燃烧室周围。湍流的燃烧过程产生声波，这些声波在燃烧室的壁面反弹，形成火焰的反馈机制。这种相互作用可能导致振动，使发动机的燃烧室承受相当大的压力。“这种振动可能削弱材料并可能造成裂纹或损坏，”诺瓦耶团队的前博士后研究员阿贝尔·福尔–博利厄（Abel Faure-Beaulieu）解释说。“因此，在设计新发动机时，确保这些振动不会在正常操作中发生至关重要。”
模拟巡航高度条件
当现有的煤油发动机被创造时，工程师需要控制这些振动。他们通过改善火焰形状以及燃烧室的设计和声学来实现这一点。然而，燃料类型显著影响声波和火焰之间的关系。因此，工程师和研究人员在新的氢气发动机中防止振动的发展是必不可少的。苏黎世联邦理工学院的复杂测试和测量设备使诺瓦耶能够评估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，他与通用航空（GE Aerospace）合作，评估该公司制造的氢气喷射喷嘴。
“我们的设施允许我们模拟发动机在巡航飞行期间典型的温度和压力条件，”诺瓦耶描述道。苏黎世联邦理工学院的研究人员还能够模拟各种燃烧室的声学特性，从而促进广泛的测量。“这项研究在努力测量真实飞行条件下氢火焰的声学行为方面具有开创性。”
研究人员最初使用了一个单喷嘴，然后模拟了为未来氢气发动机配置的一系列喷嘴的声学特性。这项研究帮助通用航空的工程师完善喷射喷嘴，并为高性能氢气发动机奠定基础。他们预计将在几年内进行发动机的初步地面测试，最终可能为第一架以氢气为燃料的飞机提供动力。
苏黎世联邦理工学院教授诺瓦耶认为，开发飞机发动机和氢气储存罐并不是将航空业转向使用氢气的最大障碍。“人类已经登上月球；工程师必定能创造出氢气飞机，”他表示。然而，仅仅拥有飞机是不够的。诺瓦耶强调建立一个完整的氢气航空基础设施的必要性，包括以足够的数量生成气候中立氢气并将其运输到机场。及时实现这一目标需要从现在开始共同努力。
