宋薇薇 ，楊鳳田，項松*，韓成業(yè)，康桂文，樊馨月

（1. 北京銳翔氫能飛行器科技研究院有限公司，北京 102433；2. 沈陽航空航天大學民用航空學院，沈陽 110136）

一、前言

當前，航空產(chǎn)業(yè)依然保持迅猛發(fā)展態(tài)勢，航空器的數(shù)量和飛行小時數(shù)也在逐年增加；但產(chǎn)生的CO2排放量約占全球總量的3%，引起了各國廣泛關注。氫是宇宙中最豐富的元素[1]，氫能源是未來實現(xiàn)零碳排放、可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略能源[2]，以氫燃料作為能源的氫能飛機是推動實現(xiàn)航空領域碳達峰、碳中和（“雙碳”）目標的重要形式之一。

氫能飛機研究具有較長的歷史，早在1991年即有專著對發(fā)展史、應用潛力、基礎設施需求、技術要點、飛行驗證程序等進行了梳理[3]。研究指出，將氫用于航空燃氣渦輪發(fā)動機，需要重新設計燃燒室、燃料控制系統(tǒng)、液氫氣化部件[4]；氫燃料消耗率較煤油降低超過60%，氫燃料發(fā)動機的渦輪進口溫度降低約40 K，發(fā)動機結構的改動程度不大[5]；氫作為燃料增加了發(fā)動機的凈推力輸出、降低了燃料消耗率，應用燃料散熱器能夠有效提高發(fā)動機性能[6]；氫燃料電池在航空領域的應用潛力較大，既可作為輕型飛機的能源，也可用于輔助動力裝置、地面支持設備[7]；使用氫能可降低機翼面積和翼展的設計值，使遠程運輸飛機的能耗降低約11%[8]。此外，以ATR72飛機為對象進行了氫燃料改型的方案驗證[9]，微混合燃燒室能夠顯著降低氮氧化物的排放水平[10]。

隨著全球范圍內(nèi)對氫能飛機關注度的持續(xù)提升，我國氫能航空領域興起了新一輪研究熱潮，相關工作集中在氫能航空和氫能飛機發(fā)展態(tài)勢[11～14]、低碳減排[15]、商業(yè)化運行探討[16～19]等方面。氫能未來將以替代燃油的方式率先在交通運輸系統(tǒng)中獲得規(guī)?；瘧?，航空業(yè)將是代表性領域，但以氫能為動力源實現(xiàn)航空領域綠色發(fā)展仍面臨諸多挑戰(zhàn)[20]。一方面，氫能技術產(chǎn)業(yè)鏈長、難點多，現(xiàn)有技術成果的經(jīng)濟性還不能滿足氫能航空的商業(yè)化需求；另一方面，針對氫能飛機總擁有成本（TCO）的研究稀缺，發(fā)展氫能飛機涉及的燃料費用、維修費用、加氫 / 充電設施建設費用等運營成本不甚清晰。

得益于“雙碳”目標的推動，氫能作為一種清潔能源，將在能源供給側和消費側助力深度脫碳，促進航空業(yè)變革轉型。本文結合氫能飛機發(fā)展背景，梳理國內(nèi)外研制進展，提煉關鍵技術體系，構建TCO模型并分析產(chǎn)業(yè)化前景，進一步提出我國氫能飛機發(fā)展建議，以期為氫能飛機技術探索、應用布局、產(chǎn)業(yè)發(fā)展等研究提供基礎參考。

二、氫能飛機的發(fā)展背景及國內(nèi)外研制進展

（一）氫能飛機將為航空領域實現(xiàn)“雙碳”目標提供重要支撐

地球是人類共同且唯一的家園。隨著工業(yè)化程度的提升，煤炭、石油、天然氣等化石燃料大量使用并排放出以CO2為主的溫室氣體；溫室氣體包裹著地球，持續(xù)捕獲來自太陽輻射的能量，導致全球變暖和氣候變化，破壞了原有的自然界平衡。為了減緩全球變暖趨勢，《巴黎協(xié)定》（2015年）制定了長期目標，將全球平均氣溫較工業(yè)化時期上升幅度控制在2 ℃以內(nèi)（努力追求限制在1.5 ℃以內(nèi)）[21]。在此背景下，有超過20個國家和地區(qū)宣布了碳中和目標，如美國和歐盟設定2050年實現(xiàn)“碳中和”[22]。

航空領域碳減排同樣受到國際組織和各國政府的高度重視[23]。國際民航組織（ICAO）提出的國際航空碳抵消和減排計劃（CORSIA）（2016 年）是首個全球性的行業(yè)減排市場機制[24]，要求全球航空業(yè)2035 年的CO2排放量不超過2020 年的水平（即碳達峰），2050年的CO2排放量應達到2005年水平的50%以下（即碳中和）[25,26]。我國“雙碳”戰(zhàn)略目標的正式提出，為民航運輸業(yè)的綠色低碳發(fā)展指明了發(fā)展方向，需要采取一系列的技術與管理變革。

對于航空運輸業(yè)而言，氫能飛機的研制和應用將是重要的轉折點，因為使用氫能源能夠顯著降低航空活動對氣候的影響。氫能飛機作為新興事物，需要動力系統(tǒng)、燃料存儲系統(tǒng)、地面基礎設施等的適應性改進，將影響飛機的運營成本。然而，氫能飛機將會帶來航空技術及應用的顛覆性變化，有望創(chuàng)造氫能航空產(chǎn)業(yè)并形成豐厚的市場回報，起到加速“雙碳”進程的積極作用?？梢哉J為，氫能飛機是提升我國航空業(yè)技術基礎的重要方向。加快發(fā)展氫能飛機，對于超前布局先導產(chǎn)業(yè)、搶占新能源航空技術制高點、發(fā)揮航空制造綜合優(yōu)勢具有重要意義。2023年3月，我國首款氫燃料內(nèi)燃機飛機驗證機完成首飛，標志著我國航空領域在氫能應用方面邁出堅實步伐。

（二）國外氫能飛機的研制進展

氫能航空的先驅者德國科學家Von Ohain 早在1937 年即將氫氣用作燃氣渦輪發(fā)動機的替代燃料（實現(xiàn)了有效推力）[27]。20世紀50年代，美國普惠公司研究了航空發(fā)動機使用液氫燃料的可行性，對J-57、J-47、J-65B-3、J71-A-11等航空發(fā)動機進行了氫燃料噴射改造，完成了相應地面測試；1956 年，B-57轟炸機換裝了1臺J-65氫燃料渦噴發(fā)動機并進行了飛行測試（高度約為15 km、速度為Ma0.75）[28]。1988年，蘇聯(lián)將圖-154飛機中的1臺發(fā)動機換用氫氣作為燃料，以研究氫能推進的技術可行性[29]。

2000年，受歐盟委員會資助，空中客車公司牽頭、34家航空企業(yè)及研究機構參與開展了“低溫航線”項目，系統(tǒng)分析了以液氫為燃料的飛機方案。2005 年，美國航空環(huán)境公司制造并測試了世界首架液氫動力無人機。日本發(fā)布了《氫基本戰(zhàn)略》（2017 年）、《氫能利用進度表》（2019 年），鼓勵相關企業(yè)發(fā)展氫能飛機。2020年，歐盟委員會支持開展“潔凈天空計劃”項目，計劃2028年完成氫動力通勤飛機認證和支線飛機試飛、2035年完成中程氫動力飛機開發(fā)、2050 年完成中遠程氫動力飛機開發(fā)[30]。美國能源部發(fā)布《氫能計劃發(fā)展規(guī)劃》（2020年），將氫燃料電池、氫渦輪機、氫氣“制儲輸用”技術作為未來的重要研發(fā)方向。

當前，航空強國的相關企業(yè)都在積極開展氫能飛機及動力系統(tǒng)研究，主流的動力方案有氫燃料發(fā)動機、氫燃料電池、氫燃料電池混合電推進系統(tǒng)等[14]，加快了氫能飛機研制進程。① ZeroAvia公司主推氫 - 電航空解決方案，近期發(fā)展目標是航程約800 km 的10～20 座飛機，用于客運、快遞、農(nóng)業(yè)等；2020 年9 月，改裝的6 座燃料電池飛機首飛，由2臺電機驅動可變距螺旋槳，能源包括16.25 kW·h的鋰電池、100 kW的氫燃料電池；2023年1月，改裝的19座燃料電池飛機完成10 min試飛，后續(xù)將采用2 臺600 kW 氫 - 電動力系統(tǒng)并攜帶100 kg 氣態(tài)氫，擬于2025 年開始商業(yè)飛行。② 空中客車公司正在論證渦槳氫混合動力、渦扇氫混合動力、翼身融合混合動力等構型的氫能飛機方案，擬于2035年前研制零排放商用飛機；明確新一代單通道客機需求，牽引發(fā)展更高效率、清潔排放的航空動力系統(tǒng)[31]。③ 美國Universal Hydrogen 公司完成了50 座飛機的氫燃料電池驗證機改裝并于2023年3月首飛。

（三）我國氫能飛機的研制進展

與國際上氫能飛機發(fā)展趨勢同步，我國氫能飛機研發(fā)工作正在展開，形成了遼寧通用航空研究院（氫燃料電池與鋰電池混合動力飛機技術攻關）、北京航空航天大學（燃油渦槳發(fā)動機PT6的氫燃料改型論證）、中國航天科技集團有限公司第六研究院第一〇一研究所（氫制取 / 液氫生產(chǎn)和存儲、輕質(zhì)高效液氫燃料儲裝置）、哈爾濱工業(yè)大學和佛吉亞斯林達安全科技（沈陽）有限公司（高壓氣態(tài)儲氫）等優(yōu)勢研究機構，綜合技術水平接近國際先進。

2010年，沈陽航空航天大學組建了通用航空重點實驗室，開始試制氫燃料電池無人機。2012 年，“雷鳥”氫燃料電池無人機完成首飛，成為我國首款氫燃料電池無人機（見圖1）。2017年，沈陽航空航天大學、中國科學院大連化學物理研究所聯(lián)合研制了我國首架2 座氫燃料電池試驗機并完成試飛（見圖2）。2023 年，沈陽航空航天大學研制的4 座氫燃料內(nèi)燃機飛機（搭載了2 L 氫燃料內(nèi)燃機）完成首飛，成為我國首架以氫內(nèi)燃機為動力的通航飛機；飛機采用上單翼、低平尾、前置螺旋槳、前三點式不可收放起落架的總體布局，翼展為13.5 m，機長為8.2 m，巡航速度為180 km/h，留空時間＞1 h；攜帶的高壓氣態(tài)儲氫為4.5 kg，氫內(nèi)燃機最大熱效率＞43%、綜合熱效率＞40%（見圖3）。

圖3 4座氫內(nèi)燃機飛機驗證機

2019年，中國商飛北京民用飛機技術研究中心研制的“靈雀H”燃料電池驗證機完成首飛，標志著民機主制造商在新能源飛機探索方面的實質(zhì)性進展。驗證機采用氫燃料電混合動力，旨在驗證以氫燃料電池為主、鋰電池為輔的混合動力技術在飛機上應用的適當性（見圖4）。

圖4 “靈雀H”燃料電池驗證機

2023年，浙江氫航科技有限公司研制的氫動力多旋翼無人機通過了中國電力科學研究院有限公司的檢測認證，主要性能指標均符合電力巡檢的使用要求。

三、氫能飛機關鍵技術分析

（一）氫能飛機總體設計

氫能飛機與傳統(tǒng)燃油飛機的主要區(qū)別是：① 傳統(tǒng)飛機多采用機翼油箱以充分利用機翼空間并降低翼載荷，但氫能飛機氫燃料的儲氫裝置（高壓氣態(tài)或液態(tài)）是壓力容器或絕熱容器，加之氫密度低、儲氫裝置占用體積大，無法采用機翼油箱布局；② 液氫必須氣化后才能用于航空發(fā)動機，而發(fā)動機自身、壓氣機引氣及滑油有著冷卻需求，需要進行有效的能量管理。因此，熱管理系統(tǒng)、氫儲裝置需要與飛機結構及功能進行一體化設計，主要有改進型、創(chuàng)新型兩種技術路徑：前者簡單調(diào)整機身以容納儲氫裝置，利于氫能飛機盡快投入使用；后者采用全新構型，需要進行大量的數(shù)值分析和風洞試驗，以實現(xiàn)優(yōu)化的飛機總體方案與結構布局。

（二）液態(tài)儲氫罐

液態(tài)儲氫罐的絕熱結構應具有輕質(zhì)結構、低傳熱特性，才能適應長時飛行中的增壓要求，相應絕熱系統(tǒng)方案分為主動和被動兩種。大氣成分中的所有氣體都會在液氫溫度下凍結，應抽盡絕熱系統(tǒng)中的空氣。主動系統(tǒng)需要利用惰性氣體或者泵裝置以保持真空狀態(tài)。

對于整體式、非整體式液態(tài)儲氫罐設計，均采用一體式結構以盡量減少潛在的泄漏源。液態(tài)儲氫罐的主體結構設計主要考慮絕熱方式、支撐結構、安全附件等因素，制造工藝主要涉及焊接、探傷、套管等；相應試驗主要從氣密、耐壓、低溫沖擊等角度考慮，以確保液態(tài)儲氫罐從設計、制造到出廠檢驗的全過程安全。

（三）氫燃料電池

氫燃料電池具有高效率、高比能的特點，是氫能通用飛機或氫能通勤飛機的良好能源形式。相應系統(tǒng)主要包括：燃料電池堆、氫氣供應系統(tǒng)、空氣供應系統(tǒng)、水熱管理系統(tǒng)、電源管理控制系統(tǒng)。高性能氫燃料電池研發(fā)，主要涉及高性能催化劑、增強復合膜、高性能低鉑膜電極、耐蝕薄層金屬雙極板、高比功率電堆、耐低溫系統(tǒng)集成、質(zhì)子交換膜高效電解水制氫等技術環(huán)節(jié)。

（四）氫燃料渦輪發(fā)動機

1. 氫燃料增壓泵研發(fā)

氫燃料增壓泵應具有長壽命、高可靠、可維護、高效率特點，一般設計為可更換單元。增壓泵工作溫度極低，其軸承需適應低溫環(huán)境。液氫被增壓到3.172×105Pa，后通過燃料管（帶閥門）輸送到高壓泵；即使在最小流量條件下，液氫也應獲得足夠的升壓?？紤]到液氫的潤滑性很差，具有較低潤滑要求的離心泵是最佳的候選方案，工作范圍較寬且失速特性良好。增壓泵應基于燃料控制能力進行設計，多采用三級變速方式，因而直流電機驅動是優(yōu)選。增壓泵各個零件的平均故障間隔時間＞2500 h，大修間隔時間＞8000 飛行小時，存放期＞5年，具有立即可用的能力。

2. 熱交換器研發(fā)

液氫發(fā)動機的熱交換器一般安裝在渦輪后支撐支柱來實現(xiàn)熱交換，也可放置在噴管的內(nèi)表面，起到的作用有：進入燃燒室之前的液氫燃料氣化、發(fā)動機滑油冷卻、壓氣機引氣冷卻、渦輪葉片冷卻。液氫燃料由液氫增壓泵加壓后送入熱交換器，液氫在熱交換器中氣化，溫度和壓力迅速升高，故熱交換器主要控制溫度、壓力、流量等參數(shù)。

3. 氫燃料燃燒室設計

氫的燃料特性不同于傳統(tǒng)燃油，如直接使用傳統(tǒng)燃燒室，由于燃料噴射點的數(shù)量有限導致氫燃料和空氣的混合往往不充分；大規(guī)模的氫擴散火焰形成高的局部溫度，造成NOx快速生成，也將阻礙氫氣與空氣的進一步混合。為此，氫燃料的燃燒室需要重新設計。減少NOx排放的主要方式有：降低火焰溫度、消除反應區(qū)的熱點、減少火焰區(qū)的持續(xù)時間與暴露時間。通常采用貧氫預混燃燒室設計方案，以提高燃燒室溫度均勻性、減少NOx的生成。為了避免預混可能的早燃燒、回火危險而導致發(fā)動機結構損壞以及可靠性降低，基于微型擴散燃燒理論、具有微混合燃燒特征的非預混合方案也受到關注。

4. 氫脆

氫脆主要是由電鍍工藝中攜帶的金屬出現(xiàn)“氫化”現(xiàn)象而導致的，對于鐵、鎳、鈦、鈷及其合金能夠顯著發(fā)生，而對于銅、鋁、不銹鋼不發(fā)生。氫脆作為一種通用現(xiàn)象，可能顯著降低氫燃料渦輪發(fā)動機的的工作壽命。在發(fā)動機結構中，需要減少金屬中滲氫的數(shù)量，采用低氫擴散性、低氫溶解度的鍍涂層，在鍍前去應力、鍍后去氫，以防止氫脆的發(fā)生。

（五）氫燃料航空內(nèi)燃機

1. 燃燒系統(tǒng)高動力及異常燃燒控制

氫氣作為燃料燃燒時，具有火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?、點火能量低的特點，使得實際做功循環(huán)更接近等容循環(huán)。等容燃燒使得升功率過高、燃燒“粗暴”且不可控，伴生了振動噪聲、熱負荷偏高等問題。當發(fā)動機需要達到更高的升功率時，通常采用較濃的混合氣，則更容易出現(xiàn)回火、早燃、爆震等異常燃燒現(xiàn)象。應針對燃燒系統(tǒng)高動力及異常燃燒控制等，盡快開展深入研究。

2.缸蓋結構設計

在內(nèi)燃機缸內(nèi)的燃燒速度方面，氫氣是汽油的7～8 倍。氫氣缸內(nèi)燃燒的最大爆發(fā)壓力進一步升高且壓力升高率劇增。氫燃料內(nèi)燃機缸蓋在交變機械載荷與高熱負荷耦合作用下發(fā)生變形，面臨疲勞壽命問題，給缸蓋的強度、冷卻、可靠性設計帶來挑戰(zhàn)。應針對高爆壓缸蓋結構設計，開展理論、技術與應用研究。

3. 電子控制系統(tǒng)（ECU）開發(fā)

ECU控制系統(tǒng)是氫燃料內(nèi)燃機上各類控制策略的載體，在樣機開發(fā)到工程應用的過程中都是動力系統(tǒng)的核心零部件。針對氫氣的傳輸和燃燒特點，開發(fā)匹配的控制策略，配置可靠的執(zhí)行機構，支持各類工況下氫燃料內(nèi)燃機的穩(wěn)定與高效運行。自主開發(fā)氫燃料內(nèi)燃機ECU較為迫切。

4. 低壓大流量噴嘴設計及樣件試制技術

動力系統(tǒng)是整機的核心，而噴射裝置是動力系統(tǒng)的核心。對于氫燃料內(nèi)燃機而言，噴射裝置能夠影響噴氫的開啟及結束時刻，約束缸內(nèi)混合氣的質(zhì)量，從而涉及各缸、各個循環(huán)之間的一致性，氫燃料內(nèi)燃機的動力性、經(jīng)濟性和可靠性。低壓大流量噴嘴設計，適應壓力較低工況，可更加充分地使用儲氫罐中的氫氣。需要深入開展氫燃料內(nèi)燃機的噴嘴設計及試制，實現(xiàn)氫燃料內(nèi)燃機高功率、高效率、高可靠性等綜合性能。

（六）氫能飛機安全與適航技術

氫燃料以及儲氫裝置與傳統(tǒng)的燃油特性截然不同，導致氫能飛機的安全與適航面臨新的挑戰(zhàn)，涉及安全風險識別、安全設計要求、安全性驗證、安全性評估等方面。氫燃料的飛機應用可能面臨安全風險，需要識別氫能飛機的典型失效風險模式，建立氫能飛機安全性規(guī)章要求。發(fā)展氫燃料發(fā)動機安全性驗證技術，支持氫燃料發(fā)動機安全工作邊界及安全性判據(jù)構建。發(fā)展氫能飛機系統(tǒng)安全性評估技術，將氫能飛機的安全水平提升至工程應用可接受層次。建立氫燃料發(fā)動機、氫能飛機的適航標準與符合性驗證方法。

（七）氫燃料加注基礎設施

氫能飛機的規(guī)模化應用離不開氫燃料基礎設施，主要包括氫能的生產(chǎn)、儲存、運輸、加注等基礎設施。其中，加注基礎設施是釋放氫能航空應用潛力的關鍵因素，需要解決在盡量短的時間內(nèi)加注氫燃料、飛機的停場時間、加注過程安全性及經(jīng)濟性等問題。在近期，重點提出新的加注策略并形成配套技術，制定專門的氫能加注安全措施，審查與傳統(tǒng)燃油加注并行作業(yè)的潛在影響；在中長期，突破機場安裝大規(guī)模液氫供應及液化裝置相關的成套技術[32]。

四、基于TCO分析的氫能飛機產(chǎn)業(yè)化前景

氫能飛機因其綠色環(huán)保、能量密度高等特性而具有良好的發(fā)展前景，但作為新型飛機，在產(chǎn)業(yè)化之前深入探討商用可行性極為必要。為此，本研究建立了氫能飛機、純電動飛機、燃油飛機的TCO模型，量化并對比各類飛機的成本，據(jù)此測算氫能飛機的經(jīng)濟效益。采用了“自下而上”、極細顆粒度的建模方法，細化至主要組件的成本并構建飛機的總成本[32]；還考慮了燃料成本、維修費用，加氫 /充電設施建設費用等運營成本。

（一）TCO模型及分析框架

TCO模型主要用于從飛機運營角度開展的技術經(jīng)濟分析，以便明確當前和未來飛機應用中各類組件的成本構成，支持飛機制造和運營決策。在掌握成本結構、關鍵部件的成本變動后，可將TCO模型應用到其他飛機的商業(yè)模型中。TCO模型的分析框架采用了以下兩點假設，以便后續(xù)應用。① 計算時不考慮各地區(qū)的補貼情況，如飛機購買、基礎設施建設、燃料供應等方面的補貼，僅在特定的案例分析中計入補貼。② 整機生產(chǎn)商的毛利率恒定，但為氫能飛機、純電動飛機增加了因缺乏規(guī)模效益而帶來的額外成本。從整機制造及銷售的角度看，氫能飛機、電動飛機因生產(chǎn)數(shù)量有限、零部件缺乏規(guī)模效應，將造成整機制造成本顯著高于燃油飛機；將燃油飛機的制造成本作為比較基準，假設未來10年內(nèi)氫能飛機上動力系統(tǒng)以外的零部件將實現(xiàn)完全規(guī)模效應。

TCO包括購買成本、運營成本，其中的購買成本又細分為毛利、零部件成本加成、動力機、儲能組、其他零部件。對于氫能飛機、純電動飛機，額外計入因缺乏規(guī)模效益而帶來的成本增量。運營成本由燃料費用、基礎設施成本、維修費用、零部件替換成本和其他成本構成。

（二）我國氫能飛機TCO 分析——以通勤 / 短程飛機為例

針對通勤 / 短程氫能飛機，本文建立了TCO 模型分析框架（見圖5）。應用建立的TCO模型，測算了我國當前通勤 / 短程飛機的成本情況（見圖6）。相比純電動飛機、燃油飛機，氫能飛機的TCO分別高出47.6%、92.4%，這主要是由氫能飛機仍處研制階段、發(fā)展條件尚不成熟導致的。當前，氫氣價格依然較高，燃料成本在氫能飛機的運營成本中占比偏高；電費相對較低，燃料成本在純電動飛機的運營成本中占比較低。和氫能飛機相比，純電動飛機的維修費用更低，這是因為電機驅動的飛機，日常維修項目更少、零部件服役時間更長，顯著降低了相關成本。此外，氫能飛機的氫罐和鋰電池系統(tǒng)替換、純電動飛機的電池替換，分別帶來了額外的運營成本。

圖5 通勤 / 短程氫能飛機TCO模型分析框架

圖6 我國當前的通勤 / 短程飛機的成本情況

隨著氫氣存儲和運輸技術的提高、氫氣生產(chǎn)規(guī)模的擴大化，我國未來氫氣價格將持續(xù)快速下降，2033 年氫氣價格將下降至現(xiàn)在的50%以下（見圖7）。以此為前提，測算了2050年前我國通勤 / 短程飛機的成本情況（見圖8）。氫能飛機的先期TCO更高，但隨著氫氣價格的持續(xù)下降而快速下降；2045 年前后，通勤 / 短程氫能飛機與純電動飛機、燃油飛機的TCO將基本持平。也要注意到，實際運營中可能存在更為復雜的情況，很多無法在當前TCO模型中被量化的因素將對未來燃油飛機的使用構成較大影響：針對燃油飛機不斷收緊的排放標準將驅動燃油發(fā)動機、碳排放水平等的繼續(xù)提升；政策限制可能影響飛機的采購選型，航空碳中和目標將約束燃油飛機的應用規(guī)模。

圖7 我國氫氣價格預測

圖8 我國未來的通勤 / 短程飛機的成本情況

（三）我國氫能飛機產(chǎn)業(yè)化前景

氫能飛機具有綠色、環(huán)保、低噪音、零碳排放等突出優(yōu)點，產(chǎn)業(yè)化前景明確且廣闊。民用方面主要有初級飛行員培訓、私人交通工具、旅游觀光、航空攝影、航空測繪、森林消防、體育運動、飛播造林、醫(yī)療救護、電纜巡護等；軍用方面主要有海上偵察、巡邏警戒、搜索反潛等。研制氫能飛機，也將攻克總體設計、高壓氣態(tài)儲氫、集成測試、適航符合性驗證等關鍵技術，從而推動形成我國氫能飛機的適航標準。隨著我國低空空域的逐步開放，氫能飛機將具有廣闊的市場空間。

論證提出了我國氫能飛機產(chǎn)業(yè)化應用的兩類典型場景。① 西部地區(qū)地廣人稀、居住點分散，交通設施完善度不高。如果采用傳統(tǒng)的地面交通方式，道路和加油站基礎設施投入大、利用率低，尤其是管道和道路運送燃油到各個加油站的綜合成本極高。然而，西部地區(qū)擁有豐富的風 / 光資源，如能充分發(fā)揮區(qū)域內(nèi)新能源發(fā)電的優(yōu)勢開展風 / 光聯(lián)合制氫，可為氫能飛機的規(guī)?；瘧锰峁┏渥愕娜剂瞎环e極發(fā)展以氫能飛機為基礎的航空運輸業(yè)，將能以經(jīng)濟、綠色的方式解決西部地區(qū)交通運輸問題。② 南海海域島嶼眾多且多數(shù)島嶼遠離本土，保障需求突出而實際情況復雜，采用傳統(tǒng)船只進行補給和巡邏，反應慢、時效差，不利于有效管控。依托當前海水直接電解技術的發(fā)展，利用風、光、潮汐能發(fā)電并開展電解水制氫，形成穩(wěn)定的當?shù)貧淠芄?，特別適合采用氫能飛機進行空中巡視、島礁間運輸補給，對維護海洋權益和國土安全具有重要意義。

五、結語

氫燃料是實現(xiàn)綠色低碳的重要能源類型，氫能飛機將帶來航空領域的顛覆性技術變革。我國氫能飛機的發(fā)展，應立足自身需求和國情實際，以追求系統(tǒng)高性能為目標，盡快攻克飛行器設計、高壓儲氫、氫燃料電池、氫燃料渦輪發(fā)動機、氫燃料航空內(nèi)燃機、飛行器適航驗證等關鍵技術；通過TCO分析，辨明氫能飛機系統(tǒng)與氫燃料基礎設施在全面成熟之前的重點突破方向，促成氫能飛機及配套產(chǎn)業(yè)的商業(yè)化運營，從而探索出氫能航空經(jīng)濟運營體系。建議擇機成立創(chuàng)新機制的國家級氫能航空研究院，發(fā)揮戰(zhàn)略科技力量的關鍵作用，搶占氫能航空的制高點。為此，提出我國氫能飛機相關發(fā)展建議。

一是采取多技術路線同步發(fā)展。在通用航空領域，可以氫內(nèi)燃機、氫渦槳發(fā)動機、氫燃料電池為重點發(fā)展方向，多路線并舉推動氫能源通航飛機發(fā)展。在商用航空領域，以氫渦輪機（以渦輪風扇發(fā)動機為主）、液氫燃料為重點發(fā)展方向，推動氫能源商用飛機研制與規(guī)?；瘧谩?/p>

二是堅持動力先行。動力系統(tǒng)是將氫能源轉化為氫能飛機驅動力的核心關鍵裝置，直接決定了氫能飛機的總體飛行性能與綜合應用成本。應逐步改變國內(nèi)相關研究分散的格局，適時整合優(yōu)勢科研力量，協(xié)同而專向地開展氫能源航空動力研發(fā)。

三是科學有序地開展氫能飛機研發(fā)。秉持從小到大、由簡到繁的原則，按照先支線飛機、后干線飛機的順序，具體展開氫能飛機總體設計與試制。采取理論研究 - 技術探索 - 攻關與集成驗證 - 型號應用的流程，突出重點、以點帶面、循序漸進地開展關鍵技術攻關、驗證機驗證、型號研發(fā)、示范應用、市場化推廣。

四是同步推進適航標準體系建設。結合各類氫能飛機的研制進度，及時開展適航標準與符合性驗證方法、特殊風險評估、系統(tǒng)安全性分析等研究，固化技術成果以支持規(guī)模化應用需求，增強氫能航空產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展能力。

利益沖突聲明

本文作者在此聲明彼此之間不存在任何利益沖突或財務沖突。

Received date:August 16, 2023;Revised date:October 5, 2023

Corresponding author:Xiang Song is a professor from Beijing Ruixiang Hydrogen Aircraft Technology Research Institute Co., Ltd.His major research fields include hydrogen aircraft research, aircraft design. E-mail: 41002329@qq.com

Funding project:Chinese Academy of Engineering project “Strategic Research on Innovative Development of Hydrogen Energy Aviation”(2023-XY-03)