英国国立複合材料センター（国立公文書館）は、長さ750mm、直径450mm、96リットル以上の液体水素を貯蔵できる宇宙用液体水素貯蔵タンクの実証機を開発しました。

タンクは公称壁厚 4.0～5.5mm で設計・製造されており、85 バー の圧力に耐えることができます。カーボンファイバー複合材の本体の重量はわずか 8 kg で、さらなる重量の最適化が計画されています。国立公文書館 は 300mm 幅の MTC510 エポキシカーボンファイバープリプレグを使用しています。MTC510 は、80°C ～ 120°C で硬化するように設計されたエポキシ樹脂システムで、損傷耐性を向上させるために強化されています。ビンダテックス はプリプレグテープを提供し、これは 6.35mm 幅に正確にスリットされ、コリオリ 自動繊維配置 (AFP) 装置で使用するために 22,000 メートルの材料として返却されました。コリオリ AFP 装置は、洗浄可能な金型の周りに 6.35mm プリプレグテープを巻き付けるために使用され、巻き付けプロセスはヘリカル巻きとフープ巻きの両方を管理する専用ソフトウェアによって制御されました。 24 層以上、最大 5.5 んん の厚さの巻き取りプロセスは、タンクの特定の圧力または負荷要件を最適化するように調整できます。

壁厚 30 んん のコア モールドは 2 つの部分で鋳造され、その後結合されました。ツールには、自動複合層配置中に予想されるねじり荷重とオートクレーブ硬化中に加えられる圧力に耐えるように設計された、洗浄可能な 3 つの内部補強リングが含まれています。金属製流体バルブ ポートは洗浄可能なコア モールドに統合されているため、最終製品での二次組み立ておよび結合操作は不要です。これらのポートは、製造プロセスの後の段階で炭素複合材と結合されます。巻き上げ後、タンクは欠陥や厚さのばらつきがないか検査され、100°C のオートクレーブで硬化され、再検査されます。超音波 C スキャンとサーモグラフィーを使用した硬化後非破壊検査 (非破壊検査) を比較して、層間剥離や多孔性などの欠陥を特定します。最後に、内部コア モールドは加圧冷水でフラッシュされ、タンク空洞がきれいであることを確認します。

民間航空機で液体水素を使用する理由

水素の重量エネルギー密度は、灯油の12kWh/kgに対して33.3kWh/kgです。常圧および常温では、水素の密度は0.090kg/m³です。700バール（常圧の700倍）では、水素の密度は42kg/m³となり、125Lタンクに5kgの水素を貯蔵できます。-252.87°Cおよび1.013バールでは、液体水素の密度は71kg/m³に近くなり、75Lタンクに5kgの水素を貯蔵できます。低温タンクに液体水素を貯蔵すると、さらに容積を減らすことができます。

• 常温常圧の 3,000 リットルの水素ガスは、航空灯油 1 リットルのエネルギーに相当します。

• 700 バールのガス状水素 6 リットルは、航空用灯油 1 リットルのエネルギーに相当します。

• -252.87°C、1.013 バー の液体水素 4 リットル (1.05 ガロン) は、航空用灯油 1 リットルと同じエネルギーを供給します。

これらのデータから、液体水素 (-252.87°C) を貯蔵するには、最小の貯蔵タンク容量が必要であることがわかります。タンク容量が小さいほど、航空機の空力形状に統合しやすくなります。

低温（-252.87°C）液体水素貯蔵タンクの主な技術的課題：

1. タンク内の液体水素を-253°C以下に維持する:現在、内タンクと外タンクの間には真空断熱構造が採用されており、内タンクは炭素繊維強化樹脂複合材で作られ、外タンクには多層の特殊断熱材が入っています。

2. タンク内の内部システムの設置とメンテナンス:現在のファイバー巻き取りプロセスを使用する場合、タンク内のパイプラインとシステム コンポーネントの設置と保守が課題となります。

3. タンクとその内部部品の材料選択:低温環境（-252.87°C）がタンクとその内部部品に使用される材料に与える影響。

4. 低温試験技術と燃料スロッシュ管理技術。

5. 頻繁な離着陸に耐える:水素タンクは約2万回の離着陸に耐えなければなりません。

航空機構造への影響

航空機の翼構造にある燃料タンクは、燃料を貯蔵するための空洞です。A320 の翼タンクには、約 20 トンの航空灯油を貯蔵できます (ボーイング 737 や コマック C919 も同様)。灯油を液体水素に置き換えると、94m³ の円筒形の液体水素タンクは後部胴体にしか設置できず、胴体を大幅に延長する必要があります。後部胴体は円錐形で、最大直径は 4m 未満です。94m³ のタンクを収容するために胴体を単純に延長することは非現実的であるため、胴体の直径も大きくする必要があります。

新しいA320の設計では、胴体後部に円形と円錐形のタンクが設置されている。しかし、胴体の直径が拡大されるかどうかはまだ不明だが、その可能性は高い。英国は、現在のA320に代わるナローボディの「フジノン-1E」で、液体水素を燃料とする民間航空機の設計を発表した。この新しい設計では、胴体が10m延長され、直径が1m増加し、キャビンレイアウトが2通路になり、翼が再設計され、"前翼"機首にエンジンが搭載され、尾部にエンジンが搭載されています。

進捗

民間航空機のエンジンには、ターボプロップエンジンとターボジェットエンジンの2種類があります。ターボプロップエンジンを搭載した航空機では、燃料電池で水素から電気を作り、発電機を動かしてプロペラを回します。このタイプのエンジンは、主に10〜70席のリージョナル航空機や小型の一般航空機に搭載されています。これらの航空機から、初期の水素燃料研究が始まりました。4月12日、ドイツの4人乗り水素電気飛行機「ハイ-4」がシュツットガルトからフリードリヒスハーフェンへの飛行に成功しました。今年後半には、19席の「ドルニエ」と75席の「Q-400」および「ATR72-600」の水素電気飛行機が空を飛ぶのを見るかもしれません。1988年4月、ソ連は液体水素ターボジェットエンジンを搭載した改造Tu-155の試験飛行を行いました。ソ連の崩壊後、ロシアはこの研究を継続しませんでした。

現在、100席以上の民間航空機を製造・開発しているのは、ボーイング、エアバス、コマック、ロシアの4社のみである。最近の海外メディアの報道によると、実際に液体水素の民間航空機への応用研究を行っているのはボーイングとエアバスのみである。ボーイングのプロジェクトは、10年以上前に小規模な"ディモナ"プロペラグライダーは予備的なものだった。エアバスは液体水素燃料ターボファンエンジンの高高度飛行試験を開始しており、先行している。同社はまた、プロペラ機、150席機、ワイドボディ機の3種類の航空機の予備設計も提供している。150席機については、さらに詳しい情報が公開されている。この機は、40年近く市場に出回っている単通路、150席のA320に代わる予定だ。エアバスは、2015年に150席機を発売する予定だ。"新しいA320"2030年から2035年の間に、新しい航空機は"アルバトロス"この新型機は、超高アスペクト比、折りたたみ式、フラッピング翼端、フェアリングフラップなしの空力構成です。使用される材料は、主翼には熱硬化性炭素繊維強化エポキシ樹脂複合材、胴体には高性能熱可塑性炭素繊維複合材です。この新型機は航空灯油の代わりに液体水素を使用し、設計および製造目標は月間70～100機の生産です。エアバスは、液体水素燃料航空機の開発でボーイングよりはるかに先行しています（ボーイングが737を液体水素に置き換えるという情報は報告されていません）。

私たちは何ができる？

化石燃料の代わりに水素を使用することは、炭素排出量の削減につながるだけでなく、石油資源のない国にとっても戦略的な重要性があります。中国は世界最大の水素生産国であり、年間生産量は約3,300万トンです。いくつかの企業が液体水素の生産に携わっており、中国は世界第2位の炭素繊維の生産国です。したがって、複合水素貯蔵タンクの開発と生産には、強固な材料基盤があります。

この記事で取り上げたさまざまな航空宇宙および航空液体水素貯蔵タンクは、貯蔵タンクがさまざまな製品の特定のニーズと構造スペースに合わせて設計および製造されていることを示しています。現在、多くの工業製品は依然として化石燃料またはグリッド電力を使用しています。これらは水素エネルギーへの切り替えを検討できます。水素貯蔵分野では開発すべき製品が多岐にわたり、多くの課題が待ち受けています。

この記事の一部のデータはインターネットから入手したもので、その正確性は繰り返し検証されています。これらのデータは、水素貯蔵タンクの初期設計寸法と容量を見積もるために使用できます。