■ 王翔宇 / 中國(guó)航發(fā)研究院

在以清潔高效為核心愿景的航空“第三時(shí)代”，氫動(dòng)力飛行的優(yōu)勢(shì)與潛力正在逐漸顯現(xiàn)，很可能成為航空業(yè)低碳發(fā)展的關(guān)鍵。

近年來(lái)，雖然飛行效率在以每年1.5%左右的速度提升，但機(jī)隊(duì)規(guī)模以每年4%的擴(kuò)張預(yù)期意味著到2050年航空碳排放的數(shù)值仍將翻番。事實(shí)上，不僅是二氧化碳，傳統(tǒng)航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的氮氧化物、煙塵以及水蒸氣也會(huì)對(duì)環(huán)境造成不利影響。面對(duì)這一嚴(yán)峻的形勢(shì)，氫動(dòng)力飛行的優(yōu)勢(shì)與潛力正在逐漸顯現(xiàn)。與航空煤油和可持續(xù)航空燃料（SAF）相比，氫動(dòng)力可以完全消除二氧化碳以及其他溫室氣體的排放；與常規(guī)電池相比，液態(tài)氫無(wú)論是在質(zhì)量上還是體積上都具有更高的能量密度。

德國(guó)航空航天中心研制的HY4氫動(dòng)力飛機(jī)

“元素1號(hào)”氫動(dòng)力飛機(jī)概念圖

氫動(dòng)力飛行研發(fā)計(jì)劃紛紛出現(xiàn)

早在2015年，德國(guó)航空航天中心（DLR）就推出了全球首架4座氫燃料電池飛機(jī)HY4的研制計(jì)劃，其設(shè)計(jì)基于斯洛文尼亞蝙蝠公司的電動(dòng)飛機(jī)“金牛座”G4，為單螺旋槳雙機(jī)體、每側(cè)機(jī)體并列雙座布局。機(jī)體間的螺旋槳由一臺(tái)85kW的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，在起飛和爬升等需要高峰值功率時(shí)由鋰離子電池組供電，巡航階段則切換為短艙內(nèi)的4個(gè)質(zhì)子交換膜氫燃料電池，可產(chǎn)生45kW的電力，從而確保HY4能夠以145km/h的巡航速度連續(xù)飛行5h以上。

2018年10月，新加坡HES能源系統(tǒng)公司也發(fā)布了一款4座新概念飛行器“元素1號(hào)”，采用了全新的氫燃料電池和分布式電推進(jìn)結(jié)合的設(shè)計(jì)方案，機(jī)翼上安裝了14臺(tái)功率為5 ～8kW的電動(dòng)機(jī)且每臺(tái)電動(dòng)機(jī)后面都有一個(gè)氫燃料罐，這種分布式儲(chǔ)能可有效增加燃料攜帶量。HES能源系統(tǒng)公司宣稱“元素1號(hào)”可選用氣態(tài)氫或液態(tài)氫作為燃料，后者有可能將續(xù)航時(shí)間增加到15 ～20h，航程可達(dá)5000km。

2020年9月，總部位于美國(guó)加州的ZeroAvia公司試飛了全球首架氫動(dòng)力商用飛機(jī)。改造后的6座派珀飛機(jī)僅依靠氫燃料電池飛行了8min，飛行速度達(dá)到185km/h，功率約為230kW，接近飛機(jī)原裝活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，相當(dāng)于“元素1號(hào)”的兩倍。作為一家氫動(dòng)力總成公司，ZeroAvia通過(guò)與現(xiàn)有航空制造商和運(yùn)營(yíng)商合作，將涉及的氫動(dòng)力系統(tǒng)無(wú)縫配裝到現(xiàn)有飛機(jī)上而非打造全新的氫動(dòng)力飛行器，有望在2023年年底為航程為800km的10 ～20座飛機(jī)加裝氫動(dòng)力系統(tǒng)，賽斯納208、DHC-6和多尼爾228等機(jī)型均有可能進(jìn)行類似的改裝，到2030年則可為“沖鋒”8和ATR42等50 ～100座支線飛機(jī)提供氫動(dòng)力。

幾乎就在ZeroAvia公司試飛的同時(shí)，空客公司發(fā)布了號(hào)稱能改變游戲規(guī)則的未來(lái)氫動(dòng)力飛機(jī)概念ZEROe，甚至將之稱為“航空業(yè)有史以來(lái)最重要的轉(zhuǎn)型”。與那些初創(chuàng)公司單純的氫燃料電池動(dòng)力不同，ZEROe概念機(jī)均為氫混合動(dòng)力，既將氫氣引入改進(jìn)過(guò)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)直接燃燒產(chǎn)生推力，又通過(guò)氫燃料電池產(chǎn)生電力與燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)形成互補(bǔ)，具體包括渦扇氫混合動(dòng)力、渦槳?dú)浠旌蟿?dòng)力以及翼身融合混合動(dòng)力3種構(gòu)型。其中，第一種由兩臺(tái)氫燃料渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，液氫儲(chǔ)存和分配系統(tǒng)位于后增壓艙，預(yù)計(jì)能搭載120 ～200名乘客，航程在3700km左右；第二種的液氫儲(chǔ)存和分配系統(tǒng)設(shè)計(jì)與第一種類似，只是換成了兩臺(tái)氫燃料渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)六葉螺旋槳前進(jìn)，搭載乘客100名左右，瞄準(zhǔn)短程飛行市場(chǎng)；第三種液氫儲(chǔ)罐位于機(jī)翼下方，內(nèi)部空間較為寬敞，主動(dòng)力仍為兩臺(tái)氫燃料渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。

ZeroAvia公司研發(fā)的氫燃料電池飛機(jī)

ZEROe概念機(jī)示意（來(lái)源：空客公司）

雖然ZEROe概念機(jī)目前還停留在演示文稿（PPT）階段，不過(guò)空客公司有信心在2035年實(shí)現(xiàn)零排放民用飛機(jī)的商業(yè)運(yùn)營(yíng)，甚至不排除屆時(shí)將氫動(dòng)力飛機(jī)作為下一代主打窄體飛機(jī)產(chǎn)品的可能。當(dāng)然，目前的混合動(dòng)力方案并不意味著空客公司對(duì)氫燃料電池的忽視，而是與德國(guó)汽車燃料電池供應(yīng)商ElringKlinger成立了合資公司開(kāi)發(fā)相關(guān)技術(shù)。ElringKlinger公司表示采用金屬雙極板和特殊設(shè)計(jì)的膜電極組件密封設(shè)計(jì)后，可以更好地分配參與反應(yīng)的氫氧組分，消除活性區(qū)域的過(guò)高熱量并防止氣體和冷卻劑的泄漏，這樣燃料電池的質(zhì)量、體積和成本會(huì)大大降低，其功率密度超過(guò)了預(yù)期的15%以上。2020年12月，空客公司又公布了一種以6個(gè)推進(jìn)吊艙為主要特征的全新氫動(dòng)力飛機(jī)構(gòu)型，每個(gè)吊艙由各自獨(dú)立的液氫儲(chǔ)罐、冷卻系統(tǒng)、燃料電池、電力電子裝置、電動(dòng)機(jī)、八葉螺旋槳以及其他必要的輔助設(shè)備組成。顯然吊艙構(gòu)型本質(zhì)上就是一種分布式燃料電池推進(jìn)系統(tǒng)，即使個(gè)別推進(jìn)吊艙出現(xiàn)故障無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，也不會(huì)影響其余吊艙重新平衡推力，飛行動(dòng)力冗余度得以大大提升。此外，相比之前的氫動(dòng)力飛機(jī)設(shè)計(jì)概念，吊艙構(gòu)型不但更易于實(shí)現(xiàn)對(duì)氫動(dòng)力單元的快速拆卸維護(hù)，還能夠釋放更大的機(jī)艙空間從而搭載更多的旅客和貨物。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造商也紛紛開(kāi)始在氫動(dòng)力推進(jìn)領(lǐng)域發(fā)力布局。羅羅公司已積極參與了多個(gè)制氫項(xiàng)目，通過(guò)小型模塊化反應(yīng)堆產(chǎn)生零碳電力，可直接為電網(wǎng)供電從而驅(qū)動(dòng)電解槽產(chǎn)生綠色氫；利用與最近成立的戴姆勒/沃爾沃合資公司的合作關(guān)系，將氫燃料電池用作其數(shù)據(jù)中心等安全關(guān)鍵設(shè)施供能的應(yīng)急發(fā)電機(jī)。GE航空集團(tuán)已經(jīng)在全球安裝了70多臺(tái)可燃燒氫氣混合燃料發(fā)電的燃?xì)廨啓C(jī)，擬將在燃燒啟停、燃料噴射、燃燒防回火以及氮氧化物排放等方面積累的豐富經(jīng)驗(yàn)推廣到航空動(dòng)力領(lǐng)域；普惠公司計(jì)劃探索改造PW1000G發(fā)動(dòng)機(jī)，采用氫燃料的可行性，同時(shí)希望開(kāi)發(fā)更多的發(fā)動(dòng)機(jī)集成熱循環(huán)設(shè)計(jì)，以充分利用液氫中儲(chǔ)存的能量和液氫汽化時(shí)的吸熱能力。不過(guò)也要注意到，在技術(shù)、安全、取證、操作乃至社會(huì)認(rèn)可等方面的障礙被攻克之前，航空動(dòng)力制造商關(guān)于未來(lái)氫動(dòng)力飛行投放時(shí)間的表態(tài)普遍較為慎重，目前并未提出獨(dú)立的氫動(dòng)力飛行器整機(jī)設(shè)計(jì)驗(yàn)證計(jì)劃，這一點(diǎn)與空客公司雄心勃勃的概念構(gòu)想形成了明顯的差異。

吊艙式氫動(dòng)力飛機(jī)概念（來(lái)源：空客公司）

氫動(dòng)力飛行發(fā)展路線選擇

氫動(dòng)力飛行方式有燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)直接燃燒氫氣（氫燃料飛機(jī)）和氫燃料電池電推進(jìn)（氫電池飛機(jī)）兩種。用氫燃料替換航空煤油主要改變了燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室以及燃料儲(chǔ)存和輸送部件，這樣可充分利用燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的固有優(yōu)勢(shì)，看似對(duì)飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的重新改動(dòng)量似乎并不大。雖然氫的能量密度是航空煤油的3倍，但是同樣的能量即便將氫氣壓縮到液態(tài)，其所占的體積也是航空煤油的4倍多，這就涉及到在盡可能不改變飛機(jī)總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上如何開(kāi)發(fā)輕質(zhì)、隔熱的高強(qiáng)度燃料箱的問(wèn)題。此外，由于是自然界存在的最小分子，高壓下的氫非常容易擴(kuò)散到周圍金屬材料中使之脆化，相應(yīng)地帶來(lái)了閥門計(jì)量和燃料泄漏的新問(wèn)題。事實(shí)上，氫燃料在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中是以液態(tài)還是以氣態(tài)的方式進(jìn)行管理，目前仍沒(méi)有一個(gè)明確的答案。

盡管氫氧燃燒反應(yīng)簡(jiǎn)單迅速，但如果不能實(shí)現(xiàn)氫氣和空氣的“完美”混合，比航空煤油更高的燃燒溫度和更快的火焰?zhèn)鞑ニ俣葧?huì)導(dǎo)致過(guò)量的氮氧化物產(chǎn)生。目前考慮的解決方案是將燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中少量大型的噴嘴改造為數(shù)千個(gè)非常小的燃料噴口，在保留火焰擴(kuò)散性的同時(shí)加強(qiáng)了氫氣和空氣的混合程度、降低了駐留時(shí)間，可大幅度消除燃燒反應(yīng)的局部過(guò)熱點(diǎn)，從而有效減少氮氧化物的排放。從環(huán)境保護(hù)的角度看，氫氣直接燃燒生成的水并不能像燃料電池那樣大部分被儲(chǔ)存起來(lái)，過(guò)量水蒸氣可能誘導(dǎo)出煙塵和云霧阻礙熱輻射，有分析認(rèn)為這種影響在大氣平流層會(huì)更加劇烈，而這也正是直接燃燒氫氣的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)所配裝的商用飛機(jī)的主要飛行區(qū)域。

微混合氫燃燒器（來(lái)源：航空周刊）

相比之下，氫燃料電池有可能成為真正的溫室氣體零排放解決方案。氫燃料電池電解反應(yīng)中產(chǎn)生雜質(zhì)的可能性微乎其微，而產(chǎn)生的水蒸氣除了被儲(chǔ)存外也主要釋放到了通航飛機(jī)活動(dòng)的對(duì)流層，對(duì)環(huán)境的危害要小得多。不僅如此，氫燃料電池與電動(dòng)機(jī)結(jié)合后的效率仍有60%左右，較氫氣直接燃燒40%的效率有優(yōu)勢(shì)，同時(shí)在分布式推進(jìn)總體設(shè)計(jì)下引入邊界層攝取和流量控制等技術(shù)，還可額外降低20% ～30%的燃料消耗，飛行過(guò)程中也會(huì)變得更加安靜。當(dāng)然電池、電動(dòng)機(jī)和電力電子設(shè)備組成的電動(dòng)系統(tǒng)意味著飛機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)生了根本性變化，依靠螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生推力也限制了其在高空高速飛行上的應(yīng)用。而即便是通用航空領(lǐng)域，氫燃料電池在面對(duì)同樣清潔高效的鋰離子電池時(shí)也難以占到上風(fēng)，雖然有能量密度和使用壽命優(yōu)勢(shì)，但后者在功率密度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和綜合成本上表現(xiàn)更佳。

目前，航空界關(guān)于氫動(dòng)力發(fā)展路線的討論還在進(jìn)行之中。《航空周刊》認(rèn)為，燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)采用氫燃料之路更加漫長(zhǎng)和艱難，而稍早時(shí)候羅蘭貝格公司發(fā)布的咨詢報(bào)告則鮮明地給出了氫燃料電池飛機(jī)會(huì)稍晚出現(xiàn)的結(jié)論。有一點(diǎn)可以確定，無(wú)論是氫氣直接燃燒還是氫燃料電池，氫動(dòng)力飛行將主要聚焦在當(dāng)前由支線飛機(jī)和窄體飛機(jī)承擔(dān)的中短途民用航空市場(chǎng)，考慮到能量密度與功率密度的限制，那些長(zhǎng)距離大型航班仍將選用可持續(xù)航空燃料，而在以城市空中交通為代表的通用航空領(lǐng)域?qū)⒂射囯姵仳?qū)動(dòng)的eVTOL飛行器主導(dǎo)?？梢?jiàn)，在未來(lái)低碳環(huán)保的發(fā)展大趨勢(shì)下，由燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的混合電推進(jìn)系統(tǒng)會(huì)成為氫動(dòng)力系統(tǒng)在民用航空市場(chǎng)的主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

鋰電池和氫燃料電池對(duì)比（來(lái)源：飛行汽車eVTOL）

氫動(dòng)力飛行面臨的挑戰(zhàn)

毫無(wú)疑問(wèn)，為了使氫動(dòng)力飛行真正變成現(xiàn)實(shí)，需要對(duì)飛行器進(jìn)行重大革新，這意味著從機(jī)體布局到發(fā)動(dòng)機(jī)，再到燃料儲(chǔ)存系統(tǒng)，幾乎所有的部件都需要重新設(shè)計(jì)。如前所述，氫燃料飛機(jī)仍由改進(jìn)后的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，鑒于相對(duì)航空煤油的體積能量密度降低，有必要改變機(jī)艙布局、增加機(jī)體尺寸以加大氫燃料儲(chǔ)存能力，這也會(huì)帶來(lái)飛機(jī)氣動(dòng)外形的變化。氫電池飛機(jī)除了儲(chǔ)能方面的考慮外，還要整合電動(dòng)機(jī)、電力電子設(shè)備等分布式推進(jìn)系統(tǒng)，傳統(tǒng)飛機(jī)的管狀和翼狀組合結(jié)構(gòu)更會(huì)被徹底取代。另外，液態(tài)氫的儲(chǔ)存需要極低的外界溫度，冷卻所需的能量甚至相當(dāng)于燃料自身能量的45%，不但導(dǎo)致了復(fù)雜而沉重的隔熱殼體設(shè)計(jì)，從儲(chǔ)存到輸運(yùn)的過(guò)程中也不可避免地伴隨著巨大的能量損失。顯然，為了充分發(fā)揮液氫的高能量密度，必須在輕量化儲(chǔ)罐推進(jìn)低溫冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面取得重大進(jìn)展。

模塊化氫儲(chǔ)罐概念圖（來(lái)源：通用氫能公司）

除了航空業(yè)自身的努力外，氫動(dòng)力飛行的發(fā)展前景還與氫能源供應(yīng)鏈體系的構(gòu)建有著密切聯(lián)系。第一，工業(yè)用氫目前只有4%是通過(guò)電解制備的，其余如甲烷蒸氣轉(zhuǎn)化法和煤炭氣化法等都會(huì)產(chǎn)生副產(chǎn)物二氧化碳，這與利用氫能源實(shí)現(xiàn)航空業(yè)低碳發(fā)展的初衷是完全違背的，而即便是電解如果不利用可再生能源發(fā)電的話也無(wú)法成為“綠色”氫能源。第二，即使不計(jì)算儲(chǔ)存費(fèi)用，“綠色”氫氣的生產(chǎn)成本接近航空煤油的3倍。第三，氫能源基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)應(yīng)與技術(shù)攻關(guān)同步進(jìn)行，其中的關(guān)鍵就是如何由工廠向機(jī)場(chǎng)輸送液氫以及如何在機(jī)場(chǎng)給飛機(jī)加氫。目前有研究表明利用現(xiàn)有天然氣網(wǎng)絡(luò)改造實(shí)現(xiàn)氫氣運(yùn)輸是可能的，只是需要大量的資金支持。

說(shuō)起基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，就不得不提到氫燃料電池汽車。就在過(guò)去10年，全球電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)迎來(lái)了突破性發(fā)展的時(shí)候，曾經(jīng)被業(yè)界高度看好的氫燃料電池汽車卻始終不溫不火。事實(shí)上，與氫燃料電池汽車相比，純電動(dòng)汽車的最大優(yōu)勢(shì)就在于無(wú)所不在的電力基礎(chǔ)設(shè)施的支持，哪怕只有一個(gè)普通的家用插座也可以為電動(dòng)汽車充電，然而即便是發(fā)達(dá)國(guó)家，例如，美國(guó)目前也只有44個(gè)加氫站，嚴(yán)重的出行限制打消了市場(chǎng)上絕大部分的購(gòu)買熱情。近一年來(lái)，通用汽車、戴姆勒奔馳、日產(chǎn)以及福特等老牌汽車制造商更是紛紛暫停了氫燃料電池汽車研發(fā)計(jì)劃。但是與汽車出行的隨心所欲完全不同，氫動(dòng)力飛行所針對(duì)的民用航空市場(chǎng)則是嚴(yán)格按照時(shí)刻表點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的，只要讓主要空港樞紐具備氫動(dòng)力飛行的服務(wù)保障能力，就可以盤活整個(gè)市場(chǎng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。還是以美國(guó)為例，想要建設(shè)15萬(wàn)座加氫站、使之達(dá)到和加油站相仿的分布密度無(wú)疑是異想天開(kāi)，但在未來(lái)將已有的500多個(gè)支持民用飛行的機(jī)場(chǎng)進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施改造是很有可能逐步實(shí)現(xiàn)的。因此，如果用氫燃料電池汽車暗淡的未來(lái)去類比氫動(dòng)力飛行是不合適的，后者需要克服的社會(huì)發(fā)展慣性比前者要小得多，當(dāng)然它也需要更大的技術(shù)飛躍去真正走進(jìn)人們的生活。

“換氫”模式下的氫動(dòng)力飛行市場(chǎng)體系構(gòu)想（來(lái)源：通用氫能公司）

結(jié)束語(yǔ)

在氫動(dòng)力飛行的發(fā)展前景和市場(chǎng)價(jià)值越發(fā)得到航空界認(rèn)可的同時(shí)，也要認(rèn)識(shí)到目前氫能源在理論和應(yīng)用研究上還存在很多未知領(lǐng)域，到2025年氫動(dòng)力技術(shù)成熟度至少達(dá)到6級(jí)才有望在2030—2035年形成相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)。未來(lái)30年內(nèi)，現(xiàn)有的航空發(fā)動(dòng)機(jī)仍將活躍在民航機(jī)隊(duì)中。這期間為了更好地適配現(xiàn)有機(jī)隊(duì)，無(wú)論是可持續(xù)航空燃料、全電推進(jìn)系統(tǒng)、混合電推進(jìn)系統(tǒng)還是更高效環(huán)保的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，航空動(dòng)力系統(tǒng)仍需要嘗試采用多種多樣的發(fā)展路徑，為不同的飛行任務(wù)提供不同的動(dòng)力方案，以幫助整個(gè)行業(yè)逐步實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展目標(biāo)。