■ 羅彧/中國航發(fā)研究院

氫是實(shí)現(xiàn)凈零碳排放目標(biāo)最具前景的動(dòng)力能源和技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)，與氫能飛機(jī)相關(guān)的技術(shù)和產(chǎn)品的發(fā)展與應(yīng)用已引起廣泛關(guān)注，航空業(yè)面臨的不是發(fā)不發(fā)展，而是如何發(fā)展以及如何快速發(fā)展的問題。

氫具有良好的燃燒特性，拓展了貧油燃燒邊界，在消耗同等空氣量時(shí)，所需要的氫燃料少于其他燃料，還可以降低燃燒溫度，減少氮氧化物排放。氫的自燃溫度高，與碳?xì)浒l(fā)動(dòng)機(jī)相比，氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的高自燃溫度使其具有更高的壓縮比，而壓縮比越高，熱效率越高，損失的能量越小。鑒于氫能的優(yōu)良特性，航空業(yè)對氫能的關(guān)注度也越來越高。為了達(dá)成2050年凈零碳排放目標(biāo)，獲取零碳飛行技術(shù)和市場的制高點(diǎn)和先發(fā)優(yōu)勢，近年來業(yè)界正積極謀劃氫能動(dòng)力系統(tǒng)及飛機(jī)的發(fā)展。

氫能動(dòng)力的發(fā)展

美國HyPoint公司推出創(chuàng)新的渦輪冷卻氫燃料電池

2021年3月，美國初創(chuàng)公司HyPoint推出了一型渦輪空冷（TAC）氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)原型機(jī)，既可為包括支線飛機(jī)在內(nèi)的電動(dòng)飛機(jī)提供動(dòng)力，也可替換現(xiàn)有支線飛機(jī)的渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)。

HyPoint 公司的渦輪冷卻氫燃料電池

HyPoint公司推出的TAC氫燃料電池的功率密度是現(xiàn)有液冷燃料電池的3倍，能量密度是現(xiàn)有鋰離子電池的5倍。動(dòng)力系統(tǒng)融合了高溫質(zhì)子交換膜（HTPEM）燃料電池、空氣冷卻及渦輪增壓等3種技術(shù)以改善性能。TAC氫燃料電池較液體冷卻系統(tǒng)質(zhì)量更輕、結(jié)構(gòu)更簡單，通過燃料電池組循環(huán)高壓空氣并重復(fù)循環(huán)排氣提高了功率輸出。公司對400W的原型機(jī)開展了大量試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上，預(yù)計(jì)TAC HTPEM燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)初始原型機(jī)的能量密度可達(dá)1000W·h/kg，而鋰電池的能量密度為200W·h/kg，功率密度為2000W/kg，液體冷卻的低溫質(zhì)子交換膜（LTPEM）功率密度僅為700W/kg。HyPoint公司預(yù)計(jì)從2022年開始向開發(fā)電動(dòng)飛機(jī)的客戶交付全尺寸動(dòng)力系統(tǒng)。

2021年10月，HyPoint公司與德國巴斯夫（BASF）公司開展合作，開發(fā)下一代TAC HTPEM燃料電池，采用增強(qiáng)力學(xué)性能的新型質(zhì)子交換膜，可以在更高的溫度和壓差環(huán)境下運(yùn)行。兩家公司還將共同開發(fā)一種新的膜電極組件（MEA），將TAC HTPEM燃料電池的功率密度提高到3000W/kg，進(jìn)而減輕33%的質(zhì)量。下一代TAC HTPEM燃料電池計(jì)劃于2024年中期向顧客交付。

英國吉?jiǎng)P恩公司開展的氫能推進(jìn)項(xiàng)目

2021年年初，英國啟動(dòng)了氫電混合動(dòng)力系統(tǒng)（H2GEAR）項(xiàng)目，周期為5年，由吉?jiǎng)P恩（GKN）公司牽頭，開發(fā)一種新的氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)，初期目標(biāo)是用于19座通勤飛機(jī)，最終將擴(kuò)展到70～90座支線客機(jī)。

2021年7月，瑞典國家合作項(xiàng)目氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)（H2JET）項(xiàng)目啟動(dòng)，周期為2年，由GKN公司牽頭，目的是為氫燃料中程民用飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的3個(gè)重要發(fā)動(dòng)機(jī)子系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)解決方案，研究用于單通道客機(jī)的氫燃料渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)和渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。

2021年10月，GKN公司和瑞典皇家理工學(xué)院（KTH）又啟動(dòng)了為期18個(gè)月的EleFanT項(xiàng)目，研究可用于電池、氫燃料電池或更傳統(tǒng)的混合電推進(jìn)系統(tǒng)。與傳統(tǒng)螺旋槳推進(jìn)相比，涵道風(fēng)扇安全性更高、噪聲更低、安裝發(fā)動(dòng)機(jī)更便捷。

H2GEAR項(xiàng)目氫動(dòng)力系統(tǒng)

H2JET項(xiàng)目氫燃料渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)

EleFanT項(xiàng)目兆瓦級(jí)電動(dòng)涵道風(fēng)扇

H2GEAR項(xiàng)目將在2022年進(jìn)入詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，最早將于2026年投入使用。H2JET項(xiàng)目的目標(biāo)是2035年在歐洲航線上投入使用。

德國開發(fā)兆瓦級(jí)氫燃料電池推進(jìn)系統(tǒng)

德國政府為了發(fā)展氫動(dòng)力技術(shù)，建立了國家氫燃料電池技術(shù)組織（NOW），由德國聯(lián)邦交通部投資開展國家氫燃料電池創(chuàng)新技術(shù)（NIP）項(xiàng)目。2021年1月，德國航空航天中心（DLR）啟動(dòng)氫燃料電池推進(jìn)系統(tǒng)項(xiàng)目（BALIS），項(xiàng)目將持續(xù)到2023年7月，目標(biāo)是將燃料電池功率提高到1.5MW，為40～60座、航程為1000km的支線飛機(jī)提供動(dòng)力，也可用于大型車輛、火車、船舶等平臺(tái)。

2021年10月，DLR在德國南部恩普芬根動(dòng)工建設(shè)氫燃料電池推進(jìn)系統(tǒng)試驗(yàn)場，用于支線客機(jī)1.5MW的氫燃料電池推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行地面測試，并將展示完整的動(dòng)力系統(tǒng)及其配套基礎(chǔ)設(shè)施，包括氫罐、燃料電池、電動(dòng)機(jī)、控制和調(diào)節(jié)系統(tǒng)。試驗(yàn)場的調(diào)試計(jì)劃于2022年秋季開始，其中燃料電池和電動(dòng)機(jī)計(jì)劃最早于2023年年初做好準(zhǔn)備，DLR預(yù)計(jì)在2024—2025年進(jìn)行完整系統(tǒng)的測試。

DLR氫動(dòng)力系統(tǒng)在飛機(jī)上的布局和氫動(dòng)力試驗(yàn)場布局

空客超導(dǎo)電動(dòng)總成系統(tǒng)架構(gòu)

空客啟動(dòng)先進(jìn)超導(dǎo)和低溫電驅(qū)驗(yàn)證項(xiàng)目

2021年4月，空客公司啟動(dòng)了先進(jìn)超導(dǎo)和低溫動(dòng)力總成系統(tǒng)演示器（ASCEND）項(xiàng)目，計(jì)劃在3年內(nèi)研制一套500kW通用超導(dǎo)航空電驅(qū)動(dòng)總成驗(yàn)證系統(tǒng)。

ASCEND項(xiàng)目開發(fā)的超導(dǎo)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將結(jié)合液氫冷卻和超導(dǎo)技術(shù)演示純電/混合電推進(jìn)，探索超導(dǎo)材料和低溫系統(tǒng)對飛機(jī)電力推進(jìn)系統(tǒng)性能的影響。其中，液氫只用于冷卻，而不作為燃料。項(xiàng)目開發(fā)的超導(dǎo)系統(tǒng)不是服務(wù)于某個(gè)特定機(jī)型，而是證明超導(dǎo)電驅(qū)技術(shù)應(yīng)用的可行性和潛力，其開發(fā)的動(dòng)力模塊可以從千瓦級(jí)放大到兆瓦級(jí)的功率水平，供空客公司在不同的飛機(jī)研究中使用。

ASCEND項(xiàng)目第一階段動(dòng)力總成系統(tǒng)測試預(yù)計(jì)在2023年年底完成；在2024—2025年的第二階段將開發(fā)針對飛機(jī)的技術(shù)和目標(biāo)飛機(jī)的動(dòng)力總成；2026—2028年的第三階段將進(jìn)行動(dòng)力總成的飛行測試。

空客與CFM開展氫動(dòng)力示范項(xiàng)目

2022年2月22日，空客公司與CFM國際公司簽署合作協(xié)議，雙方將于2025年前后共同啟動(dòng)一項(xiàng)氫動(dòng)力示范項(xiàng)目，將用一架A380作為飛行測試平臺(tái)，對氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行地面和飛行測試，為2035年前將一型零排放飛機(jī)投入使用做好準(zhǔn)備。

該示范項(xiàng)目選用GE公司的“通行證”（Passport）發(fā)動(dòng)機(jī)，由CFM國際公司負(fù)責(zé)對Passport發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室、燃料系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行改裝，并完成一系列的地面測試。空客公司負(fù)責(zé)對A380飛行平臺(tái)進(jìn)行改裝，提供液氫罐，提出對氫推進(jìn)系統(tǒng)的要求，并在A380巡航階段對氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行測試。

Passport發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在A380測試飛機(jī)后機(jī)體尾部，便于將為A380提供動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)和Passport發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行分開獨(dú)立測試，測試用的4個(gè)液氫罐也安排在A380后機(jī)體中。

氫能飛機(jī)發(fā)展

空客的ZEROe氫動(dòng)力概念飛機(jī)

2020年9月21日，空客公司發(fā)布了3個(gè)號(hào)稱能改變游戲規(guī)則的未來飛機(jī)概念，稱作ZEROe。這些飛機(jī)概念均采用氫燃料渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和氫燃料電池組合，形成一個(gè)高效的混合電推進(jìn)系統(tǒng)。

其中的渦扇飛機(jī)由兩臺(tái)混合氫燃料渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，液態(tài)氫燃料的存儲(chǔ)和分配系統(tǒng)位于機(jī)體后增壓艙。渦槳飛機(jī)由兩臺(tái)混合氫燃料渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)6槳葉螺旋槳產(chǎn)生推力，與渦扇飛機(jī)類似，液態(tài)氫燃料的存儲(chǔ)和分配系統(tǒng)也位于機(jī)體后增壓艙。翼身融合體（BWB）飛機(jī)由兩臺(tái)混合氫燃料渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)提供推力，具有非常寬敞的內(nèi)部空間，為液態(tài)氫燃料的存儲(chǔ)和分配提供了多種選擇。如果氫燃料技術(shù)能以預(yù)期的速度發(fā)展，空客公司預(yù)計(jì)首款零污染飛機(jī)將于2035年投入商業(yè)運(yùn)營。

A380飛機(jī)氫動(dòng)力示范項(xiàng)目

ATI推出氫能客機(jī)概念

2021年12月6日，英國航空航天技術(shù)研究院（ATI）發(fā)布了FlyZero液氫動(dòng)力遠(yuǎn)程中型飛機(jī)概念。2022年1月26日，ATI又發(fā)布了FlyZero液氫動(dòng)力支線飛機(jī)概念。2022年3月14日，ATI發(fā)布了包括窄體客機(jī)在內(nèi)的3種氫動(dòng)力概念的詳細(xì)方案。FlyZero項(xiàng)目的目標(biāo)是在2030年前成功研制凈零碳排放飛機(jī)。ATI發(fā)布的支線、窄體和中型客機(jī)概念圖和信息提供了詳細(xì)的方案預(yù)覽，確定研究的技術(shù)包括：無燃料箱機(jī)翼（干機(jī)翼）、液氫罐、低溫燃料系統(tǒng)、燃料電池和電力系統(tǒng)，以及氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。

ATI發(fā)布的3種氫能飛機(jī)

FlyZero中型飛機(jī)的翼展為54m，采用兩臺(tái)氫燃料渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，可載客279人，航程為9723km。液氫燃料儲(chǔ)存在后機(jī)體的一對液氫罐和機(jī)體前部兩側(cè)的兩個(gè)較小的液氫罐中，存儲(chǔ)溫度為-253℃。

空客的ZEROe氫動(dòng)力概念飛機(jī)

FlyZero液氫動(dòng)力支線飛機(jī)可載客75人，巡航速度為325km/h，航程為1482km，可從倫敦飛到羅馬，比目前同級(jí)別的渦槳支線飛機(jī)航程更遠(yuǎn)。液氫燃料儲(chǔ)存在低溫燃料箱中，存儲(chǔ)溫度為-253℃，位于機(jī)體尾部燃料電池系統(tǒng)旁邊。機(jī)翼上有6個(gè)短艙（每側(cè)機(jī)翼3個(gè)），每個(gè)短艙里包含電動(dòng)機(jī)、電力電子設(shè)備和用作燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的熱交換器。配電系統(tǒng)將電力輸送到機(jī)翼上的6個(gè)短艙帶動(dòng)電動(dòng)螺旋槳產(chǎn)生動(dòng)力。

其他在研氫動(dòng)力飛機(jī)

德國飛機(jī)公司正在恢復(fù)40座多尼爾D328渦槳支線飛機(jī)的生產(chǎn)，復(fù)產(chǎn)型號(hào)為多尼爾D328eco，動(dòng)力采用氫燃料電池，并與燃料電池專業(yè)公司H2Fly、通用氫能公司合作，探索開發(fā)液氫燃料的潛力，該驗(yàn)證機(jī)將在2025年開始飛行測試。

DLR已經(jīng)與德國MTU公司合作開發(fā)500kW的燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)，以代替19座多尼爾D228飛機(jī)一側(cè)的渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)，將其用作氫能飛行測試平臺(tái)，計(jì)劃于2026年首飛。

多尼爾D328eco氫燃料電池動(dòng)力飛機(jī)

通用氫能公司還在為加拿大德·哈維蘭公司40座“沖” 8-300支線飛機(jī)開發(fā)氫燃料電池推進(jìn)系統(tǒng)，包括一個(gè)1.6MW的推進(jìn)電動(dòng)機(jī)和一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)附件的350kW電動(dòng)機(jī)，新推進(jìn)系統(tǒng)將取代飛機(jī)原有的PW123渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)。新的氫動(dòng)力“沖” 8計(jì)劃于2025年投入市場。

初創(chuàng)公司ZeroAvia正在開發(fā)600kW級(jí)的燃料電池推進(jìn)系統(tǒng)，并對19座多尼爾D228飛機(jī)進(jìn)行改裝。在英國政府的資助下，ZeroAvia公司計(jì)劃在2023年1月進(jìn)行560km的演示飛行，并在2023年年底前通過系統(tǒng)認(rèn)證并做好入市準(zhǔn)備。

多尼爾D228飛機(jī)

氫能技術(shù)發(fā)展展望

在氫燃料電池技術(shù)方面，質(zhì)子交換膜（PEM）是應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注的技術(shù)。目前，鋰離子電池的能量密度限制和氫燃料電池的特定功率限制影響了零排放航空的發(fā)展，但美國HyPoint公司推出的TAC氫燃料電池概念則突破了傳統(tǒng)氫燃料電池的限制，其功率密度和能量密度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了目前的鋰離子電池和傳統(tǒng)氫燃料電池，達(dá)到了滿足商業(yè)旅行的水平，這其中的關(guān)鍵就是PEM技術(shù)。而ATI將PEM技術(shù)確定為可能促進(jìn)英國航空市場份額和就業(yè)機(jī)會(huì)增長、保持航空領(lǐng)先地位的關(guān)鍵技術(shù)之一。

氫能飛機(jī)所涉及的眾多飛機(jī)和動(dòng)力系統(tǒng)相關(guān)的新構(gòu)型和新技術(shù)需要突破，而干機(jī)翼、燃料電池技術(shù)和氫渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)則是需要重點(diǎn)突破的綱領(lǐng)性技術(shù)，正如ATI在最新的研究報(bào)告《英國在零碳飛機(jī)技術(shù)方面的能力》中強(qiáng)調(diào)，干機(jī)翼、燃料電池技術(shù)和氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)是英國應(yīng)該重點(diǎn)投資的領(lǐng)域，以確保增加全球市場份額和就業(yè)機(jī)會(huì)，相關(guān)的研究成果將有助于塑造全球航空業(yè)的未來。

結(jié)束語

綜上可以看出，氫能動(dòng)力和飛機(jī)呈現(xiàn)出多樣化的發(fā)展態(tài)勢，涉及產(chǎn)業(yè)眾多。從目前發(fā)展態(tài)勢判斷，2025年前后，將迎來氫能飛機(jī)投入市場的初始浪潮；之后一直到2035年前后，各種氫能動(dòng)力系統(tǒng)及氫能飛機(jī)將迎來快速發(fā)展期，支線、干線和中型飛機(jī)將可能有眾多機(jī)型投入市場。自此，氫能飛機(jī)也將進(jìn)入高速發(fā)展期。