小型飞机氢储罐的设计与分析

摘要整理

氢气作为能量密度约为120 MJ/kg的化学燃料，在航空领域具有重要的应用潜力。然而，其低体积密度构成了关键挑战，需要大型储罐来满足实际应用的燃料需求。本研究针对轻型飞机（以塞斯纳172为研究对象）设计了氢储存系统。设计方案评估了铝合金、钛合金和钢合金三种材料在200 bar和300 bar工作压力下的性能表现，这些材料的选择基于与现有制造工艺的兼容性，以确保成本效益。储罐采用圆筒体加两端球形封头的结构设计，以优化结构完整性并最小化质量。尺寸设计考虑了塞斯纳172机舱的空间限制，储罐位于飞机后部。SolidWorks仿真结果表明，铝合金2014-T6虽然质量轻，但在高压应用中应力、应变和位移最大，需要加强设计。钛合金Ti-6Al-4V在强度和质量之间表现出良好的平衡，但相比铝合金质量较重。而ASTM A514钢合金虽然强度优异，但对小型飞机而言过于沉重。研究强调了压力容器质量带来的限制，指出需要采用加强设计、轻质替代材料或复合材料设计方案来解决这一问题。

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