Исследователи из Сеульского национального университета науки и технологий представили комплексную систему для оценки безопасности резервуаров с жидким водородом, предназначенных для беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Эта разработка является важным шагом на пути к созданию экологически чистой авиации.
Авиационная отрасль, на долю которой приходится около 12% мировых выбросов углекислого газа, активно ищет экологичные альтернативы ископаемому топливу. Водород считается перспективным решением, поскольку при его сгорании образуется только вода. Однако его низкая объемная плотность энергии создает трудности для хранения на борту, особенно в компактных БПЛА.
Использование жидкого водорода позволяет уменьшить размер и вес систем хранения, но сопряжено с рядом рисков. К ним относятся деформация сосудов из-за термических нагрузок и усталостный износ. Условия эксплуатации БПЛА, характеризующиеся разнонаправленными ускорениями, усугубляют эти проблемы, требуя комплексной оценки как тепловых характеристик, так и структурной целостности.
Чтобы решить эту задачу, команда ученых под руководством доцента Нак-Кюн Чо и специалиста Джинмён Хо, в сотрудничестве с профессором Нам-Су Ху, создала первую в своем роде интегрированную аналитическую платформу. «В отличие от существующих исследований, которые ограничивались отдельным анализом теплоизоляции или конструкции, мы разработали первую целостную систему, объединяющую тепловой, структурный, усталостный и ударный анализы, специально адаптированную для эксплуатации БПЛА», – поясняет доктор Чо.
В ходе работы команда изучила криогенные свойства материалов, используемых в системах хранения, при поддержке Исследовательского центра водородных материалов Корейского института материаловедения (KIMS). В качестве стандартного резервуара рассматривалась емкость из стали SUS316L с экраном на основе алюминия Al6061-T6, который уменьшает нагрев. Полученные данные были использованы для компьютерного моделирования, охватывающего тепловые, структурные, усталостные и ударные испытания.
Тепловой анализ показал, что применение пароохлаждаемого экрана снизило скорость выкипания водорода – ключевой показатель эффективности – на 30% в расчетах и на 15% в экспериментах. Структурный анализ выявил слабые места системы в условиях эксплуатации БПЛА – соединительные трубы и опоры, что указывает на необходимость их доработки. В то же время испытания на усталость показали, что резервуар значительно превосходит требования стандарта ISO 21029-1, обладая практически неограниченным сроком службы.
Для оценки последствий падения команда разработала новый метод компьютерного моделирования, который также подтвердил уязвимость соединительных труб и опор. «Наши результаты устанавливают новые стандарты для комплексной оценки безопасности резервуаров для хранения жидкого водорода в БПЛА», – заключил Джинмён Хо. Эта работа открывает дорогу к созданию более безопасных и надежных водородных беспилотников, ускоряя переход авиации на экологически чистое топливо.
