趙國棟，徐悅，朱海濤，段辰龍，劉志君

1.中國航空研究院，北京 100012

2.北京航空航天大學，北京 100191

氣候變化是當今國際廣泛關注的全球性議題，近年來我國提出了碳達峰、碳中和的雙碳戰(zhàn)略目標，旨在2060 年全面建立綠色低碳循環(huán)發(fā)展的經(jīng)濟體系和清潔低碳安全高效的能源體系。航空運輸作為全球經(jīng)濟活動不可或缺的一環(huán)，碳排放總量多年居高不下，占全球交通運輸總碳排放量的10%以上[1]。根據(jù)國際航空的有關分析，如果不采取更加強有力的行動，全球航空運輸業(yè)的碳排放量將在2050 年達到11×108～18.5×108t[2]，是2019 年6×108t 碳排放水平的2～3 倍，降低航空運輸碳排放、推廣使用清潔綠色的航空替代燃料迫在眉睫。

為了降低航空運輸對環(huán)境的影響，大力發(fā)展綠色低碳航空，國際民航組織ICAO）提出了國際航空碳抵消和減排計劃（CORSIA），該計劃中的航空運營商可以通過碳抵消項目或使用符合CORSIA 標準的低碳或可持續(xù)航空燃料（SAF）來抵消或降低超過排放基準的碳增長。碳抵消路線作為CORSIA 的一部分，其有效性多年來備受質疑[3-5]，而研發(fā)新技術無疑是從根本上解決航空碳排放問題的最佳方式，使用可持續(xù)能源、利用氫能源等直接減排路線成為綠色航空的必經(jīng)之路，其中以氫能源為代表的清潔能源全面應用則是航空碳中和之路的終極目標。

從氫燃料航空器的發(fā)展路線來看，短期的氫燃料電池發(fā)動機方案受電池能量密度的限制，很難在大飛機上應用，而氫渦輪發(fā)動機技術目前仍不成熟，氫內燃機方案近期也只在一些小型通航飛機上進行了試飛驗證[6]。從新能源航空器的使用模式來看，目前的在研項目大多朝著通用航空方向發(fā)展，各國政府、相關組織也正在積極推動城市低空立體交通系統(tǒng)的建設，意圖徹底解決城市道路交通擁堵問題[7]。通航作為目前國內整個交通運輸體系中開發(fā)利用率極低、極欠發(fā)達的一環(huán)，未來在我國的市場空間廣闊，發(fā)展空間很大。其中，大力發(fā)展氫能源等清潔能源動力的通用航空器并率先實現(xiàn)推廣應用將會是我國打破歐美發(fā)達國家對傳統(tǒng)化石燃料航空產(chǎn)業(yè)壟斷格局、實現(xiàn)彎道超車的重要契機和關鍵舉措，同時能夠解決碳排放等環(huán)境問題、道路擁堵等交通問題、化石能源的安全問題等多項難題。而限制通用航空發(fā)展乃至新能源、氫燃料通用航空發(fā)展的一個重要因素，就是航空安全問題。不能因安全認知偏差，制約了航空興國的發(fā)展前景[8]，從技術上剖析新能源、氫燃料通用航空器的飛行安全問題是發(fā)展新能源通用航空的必要工作。我國航空運輸業(yè)減少碳排放路線圖如圖1[9]所示。

圖1 2020—2060年我國航空業(yè)減少碳排放路線圖1[9]Fig.1 Road map for reducing carbon emissions in China's air transport industry(2020 —2060)[9]

為此，本文針對氫燃料通用航空器，概述其發(fā)展與應用現(xiàn)狀，分析氫燃料的動力特性及其在航空領域的應用特點，探討氫燃料應用于通用航空器的飛行安全問題，為我國的氫燃料通用航空發(fā)展建設工作提供借鑒。

1 氫燃料通用航空器發(fā)展概述

氫能源的開發(fā)和利用并不是一個新興的命題，早在20世紀70 年代，美國為了應對中東戰(zhàn)爭引發(fā)的石油危機，提出氫能源未來具備替代傳統(tǒng)化石能源的潛力，有望成為未來交通運輸業(yè)的主要能源。此后的幾十年，氫燃料電池作為氫能源利用的一個重要方向，在發(fā)電、航空航天、交通領域積累了一定的基礎，但并未引起大規(guī)模的關注。

近年來，隨著全球能源結構向著低碳無碳、綠色清潔方向加速轉型，許多政府、組織陸續(xù)發(fā)布了氫能源發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，氫能源作為“21世紀的終極能源”再一次回歸到人們的視野。同時，為應對全球能源體系的深刻變革，航空業(yè)也掀起一波氫能源化浪潮。

2020 年，我國政府提出2030 年碳達峰、2060 年碳中和的戰(zhàn)略目標之后，航空產(chǎn)業(yè)也迅速布局，如國務院在《2030年前碳達峰行動方案》中提出，大力推進可持續(xù)航空燃料替代傳統(tǒng)燃油，發(fā)展新能源航空器，以及積極參與國際航運、航空減排談判[10]；國家發(fā)改委及能源局聯(lián)合印發(fā)的《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035年）》中提出，積極探索燃料電池在航空器等領域的應用，推動大型氫能航空器研發(fā)[11]；民航局、發(fā)改委及交通部聯(lián)合印發(fā)的《“十四五”民用航空發(fā)展規(guī)劃》中提出，加強氫燃料電池等適航驗證方法的基礎性研究，推進可持續(xù)航空燃料常態(tài)化應用試點示范工作[12]。近期，航空工業(yè)發(fā)布了重要頂層文件——《中共中國航空工業(yè)集團有限公司黨組關于民用航空產(chǎn)業(yè)高質量發(fā)展的決定》，航空工業(yè)集團將打造包含“通用飛機”在內的六大產(chǎn)業(yè)化發(fā)展平臺，實施包含“航空應急救援裝備發(fā)展、通用航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展、綠色低碳航空器發(fā)展”等在內的七大創(chuàng)新工程。堅持創(chuàng)新驅動，面向前沿發(fā)展，聚焦新能源、無人機等戰(zhàn)略性新興領域，協(xié)同社會各方力量加快創(chuàng)新突破，探索實踐“換道超車”和創(chuàng)新引領新方向[13]。

2020年5月，歐盟發(fā)布了“氫能航空”研究報告[14]，給出了氫燃料航空的研發(fā)和創(chuàng)新活動路線圖，包括氫燃料動力核心組件、氫燃料飛機系統(tǒng)研發(fā)等內容，并明確提出歐盟氫能航空發(fā)展的第一階段是2020—2028年，重點發(fā)展基礎共性技術、通航飛機通過認證、短途氫能飛機試飛等[15]。

2021 年10 月，英國政府發(fā)布了“凈零”（Jet Zero Strategy）戰(zhàn)略計劃[16]，旨在推動英國航空業(yè)向更為環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的方向轉型，該計劃將投資數(shù)百萬英鎊用于研究和開發(fā)氫能航空技術，并將在未來幾年內開展氫燃料航空器的試飛項目。

盡管美國并未發(fā)布過針對航空氫能源發(fā)展的相關戰(zhàn)略規(guī)劃，但其能源部在2020 年11 月發(fā)布了《氫能計劃發(fā)展規(guī)劃》[17]，其中涉及氫能源生產(chǎn)、儲存、運輸和應用技術的發(fā)展規(guī)劃，以及對氫燃料電池和氫渦輪發(fā)動機等氫能轉化技術的研究，這些推廣氫能技術的目標和措施將有助于氫能航空技術的發(fā)展和應用。

1.1 氫燃料通用航空器的概念

氫燃料航空器是指使用氫作為主要能源的航空器，其動力系統(tǒng)主要由燃料電池或氫燃料發(fā)動機構成。與傳統(tǒng)燃油動力的航空器相比，氫燃料航空器具有更高的能源轉化效率和更低的碳排放量。氫燃料通用航空器是指使用氫作為燃料的小型航空器，通常用于輕型客貨運、私人飛行、應急救援、探測觀測、科學研究等。

氫燃料通用航空器具有廣泛的應用場景和多種用途，具有靈活、便捷和安全等特點。隨著氫燃料電池發(fā)動機技術的迅猛發(fā)展及通用航空器研制水平的提升，氫燃料通用航空器在未來投入使用成為可能。在需求和技術的雙重推動下，全球航空產(chǎn)業(yè)已開始升級和轉型，部分國家已陸續(xù)將低空域的開放提上日程，希望能夠實現(xiàn)低空區(qū)域內航空器的自主飛行和管理，打開通航在城市規(guī)劃、私人飛行、物流配送、農(nóng)業(yè)種植等多領域的巨大市場，推動經(jīng)濟發(fā)展和社會進步。

氫燃料本身的特性為氫燃料通用航空器帶來了許多傳統(tǒng)航空器不具備的優(yōu)勢。首先，氫燃料動力系統(tǒng)的排放物只有水蒸氣和少量的氧氣，能夠真正達到零排放。其次，氫元素在宇宙組成中的占比非常高，根據(jù)現(xiàn)代宇宙學的研究，氫元素在宇宙物質中的質量占比大約為75%，因此氫燃料與化石燃料相比是一種更為豐富的資源，并且可以通過水解、太陽能等可再生能源生產(chǎn)，理論上不存在能源枯竭問題。在能源的使用方面，氫氣是一種高能量密度的燃料，可以提供高性能和長航程的飛行；氫燃料電池系統(tǒng)的噪聲遠低于傳統(tǒng)燃油動力系統(tǒng)；隨著技術的進步和規(guī)模效應的充分發(fā)揮，氫燃料動力的運營成本有望低于化石燃料。

1.2 氫燃料動力推進技術的發(fā)展與應用

氫燃料動力推進主要分為兩種類型：一種是氫燃料電池動力推進，另一種是氫燃燒動力推進。氫燃料電池動力推進技術是一種將氫氣與氧氣反應產(chǎn)生電能，再通過電動機帶動風扇轉動產(chǎn)生推力的技術。氫燃燒動力推進技術則是將氫氣與空氣混合燃燒產(chǎn)生推力的技術，其主要應用有氫渦輪發(fā)動機和氫渦輪電動發(fā)動機，如圖2所示。

圖2 氫渦輪和氫燃料電池發(fā)動機Fig.2 Hydrogen turbines and hydrogen fuel cell engines

1.2.1 氫燃料電池動力推進技術

氫燃料電池動力推進技術是一種以氫為燃料的新型動力推進技術，它通過氫和氧的電化學反應產(chǎn)生電能，進一步將電能轉化為機械能，為飛行器提供推力，在航空領域的應用主要面向小型通用航空飛行器。

氫燃料電池系統(tǒng)大致可分為氫氣供應系統(tǒng)、氫氣燃料電池系統(tǒng)及電動驅動系統(tǒng)。氫氣供應系統(tǒng)主要包括氫氣儲存罐、氫氣傳輸管路和氫氣供應系統(tǒng)控制單元等部分。氫氣燃料電池系統(tǒng)將氫氣和氧氣進行反應生成電能，它主要包括燃料電堆、電池控制單元和電池壓縮系統(tǒng)等部分。電動驅動系統(tǒng)將燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)生的電能轉化為機械能，主要包括電動機、變速器和驅動軸等部分。

氫燃料電池有很多種，但它們的工作原理大致相同：氫燃料電池由陽極、電解質和陰極三個相鄰的部分組成，氫氣在陽極發(fā)生氧化反應（H2→ 2H++ 2e-）產(chǎn)生陽離子，通過電解質遷移到陰極，自由電子流動到外部電路。同時，陰極發(fā)生還原反應，氧氣被陽離子和電子還原成水（4H++ O2+ 4e-→ 2H2O）。

根據(jù)使用的電解質類型，燃料電池可分為堿性燃料電池（AFCs）、質子交換膜燃料電池（PEMFCs）、磷酸燃料電池（PAFCs）、高溫熔融碳酸鹽燃料電池（MCFCs）和固體氧化物燃料電池（SOFCs）等。燃料電池的分類和特性見表1[18]。AFCs在較低的氧還原過電位和較低的工作溫度（20～80℃）下反應，電解質為KOH，OH-為移動離子。PEMFCs 在-40～ 90℃的工作溫度下反應，移動離子為H+，陰極內的氧化劑為空氣和氧氣。PAFCs 和MCFCs 因輸出范圍大而廣泛應用于發(fā)電站。SOFCs 在高溫（600～1000℃）下反應，陶瓷材料（如Y2O3-ZrO2）作為電解質。燃料電池可根據(jù)所需功率輸出規(guī)模在不同場景下使用，通用航空領域應用的燃料電池大多在100kW～1MW 量級。PEMFC 具有起動時間快、工作溫度范圍廣（-40～90℃）、高比能等獨特優(yōu)勢，使其在所有類型的燃料電池中脫穎而出，應用較為廣泛，典型集成化PEMFC電堆的基本結構如圖3所示。

表1 燃料電池的分類及特性Table1 Classification and characteristics of fuel cells

圖3 典型集成化PEMFC電堆的基本結構Fig.3 Basic structure of typical integrating PEMFC stack

氫燃料電池動力推進技術具有零排放、高效能、安靜舒適、能量轉化效率高等優(yōu)點，但目前的挑戰(zhàn)在于新型氫燃料飛行器的設計或改型、氫的存儲及輸送系統(tǒng)、氫供應的成本和可靠性以及相應的基礎設施建設等。

1.2.2 氫燃燒動力推進技術

除了氫燃料電池動力推進技術外，氫燃燒動力推進技術是另一種受到廣泛關注的氫燃料動力推進技術，目前主要有可以應用于小型通用航空飛機上的氫內燃機、可以應用于中大型通用航空飛機及運輸類飛機的氫渦輪發(fā)動機，以及擁有更大推力的氫氧火箭發(fā)動機。

氫內燃機是在傳統(tǒng)內燃機的基礎上改變燃料并做出一系列的適應性改型而來的。其基本原理與傳統(tǒng)的燃油內燃機相同，通過氫在汽缸中燃燒產(chǎn)生能量帶動活塞運動，按吸氣—壓縮—做功—排氣四沖程將氫燃燒的熱能轉化為機械能。氫內燃機對氫燃料的純度要求不高，因此可以利用工業(yè)副產(chǎn)氫而無須提純，也可以在一定條件下與其他燃料混合使用，具有成本低、轉化應用便捷的優(yōu)勢，但同時也存在由氫燃料本身特性引起的早燃、爆燃、回火、氫脆等問題，由內燃機工作方式引起的振動和噪聲大的問題，由高溫下?lián)交烊紵纫鸬牡趸锱欧鸥叩膯栴}，以及能量轉換效率低、功率較低、安全性較低等問題。

氫渦輪發(fā)動機目前又分為直接驅動和電動兩種主要形式：直接驅動的氫渦輪發(fā)動機與傳統(tǒng)的航空發(fā)動機構造相似，通過氫燃料在燃燒室內燃燒來推動渦輪轉動，并帶動風扇或螺旋槳等推進器產(chǎn)生較大功率的推力；而氫渦輪電動發(fā)動機則由渦輪帶動發(fā)電機，將氫燃燒產(chǎn)生的化學能轉化為電能，驅動電動風扇或螺旋槳進而產(chǎn)生推力，同時可以通過電池來儲存多余電力并調節(jié)飛機電力的供需，氫渦輪電動發(fā)動機能夠更加高效地利用能量并減少對環(huán)境的影響。由于氫氣可以快速反應，并且制熱量大，因此氫渦輪發(fā)動機具有較高的功率輸出和瞬間響應能力，可以滿足高速、長途、重載等專業(yè)需求。此外，渦輪發(fā)動機不僅需要承受高壓氫氣的作用，還要選用耐高溫、耐腐蝕、抗氫脆的材料，因此其對材料和制造要求比傳統(tǒng)燃油發(fā)動機高得多，導致設計和制造難度大、成本高；在制氫、儲氫、供氫方面，有關技術也尚需發(fā)展，經(jīng)濟性仍有待提高，故目前氫渦輪發(fā)動機尚未得到廣泛應用。

1.3 氫燃料在航空領域的應用現(xiàn)狀

目前在航空領域，氫燃料電池動力推進技術發(fā)展更為成熟，應用更為廣泛；而氫燃燒動力推進技術雖然更具潛力，但仍存在更大的挑戰(zhàn)，在航空領域的應用尚處于試驗階段。由于氫燃料通用航空器的動力需求較低，研制難度小于大型民航客機，因此目前成功試飛的氫燃料飛機中，通航類飛機占比較大，同時也有望更早投入使用。

早在十幾年前，空客的母公司歐洲宇航防務集團就提出了零排放超聲速飛機（ZEHST）方案，設計速度可達到4倍聲速（即Ma4）。ZEHST 的動力由三類7 臺發(fā)動機共同提供，其中低速起降段的動力主要依靠兩臺傳統(tǒng)航空噴氣發(fā)動機，燃料為由藻類制造的生物燃料；起飛完成后繼續(xù)依靠三臺低溫火箭發(fā)動機加速爬升至32km高度，此后依靠兩臺大推力沖壓火箭發(fā)動機保持巡航，燃料均為液氫液氧。由于該方案較為激進，各項指標都很高，因此短期內難以實現(xiàn)，空客計劃最早于2050 年后才能投入使用[19]。2020 年，空客公司又公布了ZEROe 氫動力飛機方案的三種概念機型，如圖4 所示，分別采用氫渦槳、氫渦扇混合動力及翼身融合混合動力，計劃于5 年內完成氫燃料動力方案選型及氫燃料發(fā)動機測試，并在15年內開始投入使用[20-21]。

圖4 ZEROe氫燃料飛機方案的三種概念機型Fig.4 Three concept models of the ZEROe hydrogen powered aircraft program

除空客公司外，美國波音公司早在2003年就啟動了氫燃料飛機的研究項目，波音的一架小型氫燃料電池飛機早在2008年就已首飛。此后，波音又進行了氫燃料方向的多次嘗試，包含約5種混有氫燃料的航空器。近年來，波音公司將目光更多地轉向了SAF，但美國仍有一些企業(yè)關注氫能源航空發(fā)展。僅2023年初，就有兩家公司的氫燃料飛機成功首飛：1月，美國ZeroAvia 公司的多尼爾228 氫燃料電池電推驗證機成功首飛，如圖5 所示[22]；3 月，美國氫能航空初創(chuàng)企業(yè)“環(huán)球氫能”公司（Universal Hydrogen）研制的基于沖鋒8-300 型支線客機改裝的氫燃料電池電推驗證機成功首飛[23]，該驗證機是全球第一架改裝氫燃料電池動力的25部飛機，在氫能飛機中重量（質量）僅次于1988年蘇聯(lián)試飛的液氫動力圖-115。

圖5 ZeroAvia 19座氫燃料電池載人飛機首飛Fig.5 ZeroAvia made its maiden flight with 19 manned hydrogen fuel cells

國內的氫燃料通用航空器研究近年來在一系列政策和項目的支持下突飛猛進發(fā)展，有望進一步實現(xiàn)“換道超車”。2017年，我國自主研制的首架有人駕駛氫燃料電池試驗機在沈陽試飛成功；2023年3月，我國首款四座氫內燃機驗證機在沈陽完成首飛，搭載的是一汽集團基于“紅旗”汽油機研發(fā)的國內首款2.0L零排放增壓直噴氫燃料內燃機[6]。這些氫燃料通用航空器的研制成果為后續(xù)研制更成熟、更安全的氫燃料飛機打下了堅實的基礎。

2 氫能特性及氫燃料通用航空器的安全問題

氫氣是最輕的氣體，密度僅僅是空氣的1/14，黏性很低且具有強擴散性，因此氫氣易泄漏，泄漏后會迅速擴散上浮，速度可達9m/s，開放環(huán)境下不易聚集爆炸。氫氣無色、無味、無毒、無腐蝕性，因此氫的泄漏和聚集難以被察覺，在密閉環(huán)境下容易產(chǎn)生安全隱患。氫氣高度易燃，純氫燃燒后的產(chǎn)物只有水，火焰無色也不會產(chǎn)生煙霧，因此是一種理想的清潔能源。但每種能源都有其局限性，盡管氫能源具備清潔環(huán)保的優(yōu)勢，但氫氣自身的一些物理化學特點，給氫氣成為清潔優(yōu)質的航空燃料帶來了獨特的挑戰(zhàn)。如氫氣的爆炸極限范圍非常寬，在4%～75.6%（而天然氣是5%～15%），最小點火能量僅需0.02mJ，相對來說，氫氣非常易于爆炸。1937 年，興登堡號飛艇火災空難結束了氫氣飛艇的客運歷史；近年來，世界范圍內多起加氫站、儲氫罐等爆炸事故更是引起了公眾對氫能源安全性的廣泛關注。

就通用航空器而言，其功率需求比運輸航空飛機小，大多采用氫內燃機或氫燃料電池發(fā)動機即可滿足需求，而目前試飛過的氫燃料飛機也是這兩種能量供給形式，因此本節(jié)重點圍繞氫內燃機或氫燃料電池發(fā)動機展開探討。氫燃料的使用可粗略分為氫燃料在飛機中存儲以及能量轉換反應，而氫燃料電池發(fā)動機的能量轉換過程相較燃氫而言十分溫和，安全性問題較小，因此氫燃料對于通用航空器的安全問題主要體現(xiàn)在燃氫發(fā)動機的使用以及氫燃料的存儲上。

2.1 燃氫發(fā)動機使用過程中的安全問題

燃氫發(fā)動機使用過程中的安全問題直接影響氫燃料通用航空器的飛行安全。由于氫氣比燃油更易燃，相比傳統(tǒng)燃油發(fā)動機，氫燃料發(fā)動機更容易出現(xiàn)早燃、回火、爆燃與爆轟等異常燃燒的問題；氫氣與金屬之間發(fā)生的“氫脆”反應更是會影響氫燃料發(fā)動機的使用壽命與使用安全。

2.1.1 早燃

早燃是指燃料進入氣缸后，未等點火系統(tǒng)點燃就提早發(fā)生的燃燒現(xiàn)象。氫氣作為燃料時存在點火能量低、著火界限寬、火焰淬息距離小和火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤斓奶匦?。因此，相比傳統(tǒng)的燃油和天然氣發(fā)動機，氫燃料發(fā)動機的早燃問題更加嚴重，由此引發(fā)的氫燃料發(fā)動機工作不穩(wěn)定現(xiàn)象也更常見。除氫氣自身的特性外，早燃還受進入汽缸的混合氣的溫度、壓力以及發(fā)動機轉速的影響，進入汽缸的混合氣的溫度、壓力以及發(fā)動機轉速的數(shù)值越高越容易引起早燃。氫氣燃燒后的火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤蛇_汽油燃燒時的9倍，當氫氣早燃現(xiàn)象發(fā)生后，燃燒區(qū)域大、火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤靃24]，燃燒汽缸內溫度、壓力會急劇升高，輕則引發(fā)發(fā)動機振動、噪聲增大，重則引發(fā)發(fā)動機運行異常及破壞氣缸、進氣管和點火系統(tǒng)等安全問題。早燃可通過控制進氣量、進氣溫度以及進氣時間來解決。

2.1.2 回火

回火是指在氫燃料供應過程中，進氣門打開，火焰迅速進入進氣管道燃燒的現(xiàn)象?；鼗鸬闹饕蛞彩菤淙剂蠘O易燃燒的特性，同時早燃也易引起氫發(fā)動機回火問題。氫燃料發(fā)動機的燃料噴射方式也在一定程度上影響氫氣的燃燒質量和安全。對發(fā)動機本身而言，提早結束噴氫能夠遏制回火現(xiàn)象發(fā)生，但會損失燃氫的效率和動力提供，因此避免發(fā)動機回火問題的一個重要設計參數(shù)是噴氣管噴氫的脈寬。發(fā)動機回火可能會引起噪聲、進氣管和供氫系統(tǒng)的損壞，進而引起發(fā)動機空中停車等安全隱患。回火問題可以通過安裝回火抑制器、改進供氫系統(tǒng)、控制進氫量和進氫狀態(tài)以及縮短進氫持續(xù)時間來控制，其中供氫系統(tǒng)的設計是解決回火問題的關鍵。

2.1.3 爆燃與爆轟

氫氣與空氣的預混合氣體的燃燒可能會產(chǎn)生爆燃或爆轟現(xiàn)象。爆燃是指燃燒波以亞聲速向未燃混合燃料傳播的劇烈燃燒過程；爆轟則是燃燒波以超聲速傳播的劇烈燃燒現(xiàn)象[25]。燃氫發(fā)動機內發(fā)生輕微的爆燃會在汽缸內產(chǎn)生金屬的敲擊聲，俗稱敲缸，此時發(fā)動機功率也會出現(xiàn)一定程度的增加；高速的爆燃和爆轟都會產(chǎn)生強烈的沖擊波，可以認為是一種爆炸。爆燃和爆轟發(fā)生時發(fā)動機易產(chǎn)生劇烈振動、過壓過熱等異常情況，嚴重時會損壞發(fā)動機部件和供氫系統(tǒng)。氫燃料發(fā)動機中的氫氣燃燒反應易受摻混的空氣影響，當燃燒過程中空氣與氫氣的比例不同時，燃燒的反應也會發(fā)生相應的變化。因此，氫燃料發(fā)動機的轉速和缸內壓強控制、燃料空燃比和壓縮比控制、燃料噴射方式和點火時機是保證氫氣正常燃燒的重要設計要素。

2.1.4 氫脆和氫腐蝕

氫氣是自然界中分子量最小的物質，化學性質活潑，且具有很強的滲透性。通常情況下，高強度鋼等金屬材料在制造過程中接觸氫氣時，氫會通過在金屬表面吸附、溶解、擴散等過程滲入金屬晶體結構內部，形成固溶體、氫化物、氫分子、氫原子、氫離子等物質，改變金屬的微觀結構，使其易在應力作用下產(chǎn)生裂紋等氫致?lián)p傷缺陷，導致金屬變脆，即氫脆現(xiàn)象[26]。另外，由于氫元素化學性質活潑，其在高溫高壓環(huán)境下更容易滲透到金屬內部，并與金屬發(fā)生反應，導致氫腐蝕的發(fā)生。氫燃料發(fā)動機在使用過程中無法避免與氫的接觸，發(fā)動機汽缸、儲氫罐及輸氣管道等部件處于高氫濃度、高溫、高壓環(huán)境下，極易發(fā)生氫脆、氫腐蝕現(xiàn)象，對發(fā)動機的性能造成很大的影響，同時存在結構斷裂失效等安全隱患。此外，氫脆、氫腐蝕會在接觸面拐角或尖銳部位加快，在平緩表面比較緩慢，傳統(tǒng)機翼油箱處于機翼中，大多為不規(guī)則多邊形結構，拐角部分更易受到腐蝕。解決氫脆問題的關鍵是針對氫燃料發(fā)動機及儲氫供氫系統(tǒng)研制抗氫脆、耐腐蝕的新材料、新結構，采用球形或柱形新型存儲罐以緩解結構形狀引起的氫脆；同時建立相關材料在氫燃料發(fā)動機特殊工況下的性能數(shù)據(jù)庫，為氫燃料航空發(fā)動機的安全性設計奠定理論基礎和提供數(shù)據(jù)支撐。

2.2 通用航空器的氫燃料儲運安全問題

在氫燃料通用航空器系統(tǒng)中，如何儲存并運輸氫燃料是一個重要議題，同時也是影響氫燃料通用航空器安全性的一個方面。相比于傳統(tǒng)的化石燃料，氫燃料的質量和體積密度很低，如圖6所示[27]。同時，氫氣易燃、易擴散、滲透性及高壓/低溫氫脆等物理化學特性也給氫燃料的航空儲運帶來了挑戰(zhàn)。

圖6 氫密度與壓力和溫度的關系[27]Fig.6 Hydrogen density versus pressure and temperature[27]

目前有望應用在通用航空領域的儲氫方式主要有高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫、金屬氫化物及有機液體等儲氫方式。

2.2.1 高壓氣態(tài)儲氫及其安全問題

常態(tài)下氫氣密度很低，可以通過加壓來增加其存儲密度，從而減小儲氫體積。高壓氣體儲氫是最易行且成熟的方法，在氫燃料電池車等領域已有一定的應用市場。其優(yōu)點是技術簡單，且充放氫速度快、溫度適應范圍廣；其主要缺點是空間需求大和安全問題突出。

壓縮氫氣的儲存壓力主要取決于氫氣儲存的體積能量密度和儲氫罐重量之間的權衡?？刂谱兞壳闆r下，氫存儲壓力越大，體積能量密度越大，則需要的儲罐、閥門等配套設備的承壓能力和重量就越大，造成系統(tǒng)整體的質量能量密度減小。在航空應用領域，各系統(tǒng)的重量要求更為嚴苛，儲氫罐的輕量化設計更為重要。

目前常用的儲氫罐大致分為4類，分別為I型、Ⅱ型、Ⅲ型和Ⅳ型，如圖7 所示。其中，Ⅰ型、Ⅱ型的主要材料為耐高壓鋼材，以固定式應用為主。I型的構造只有一層材料，結構簡單，成本低，重量大，一般存儲的氣體壓力為15～20MPa。II型比I型增加了外層的箍圈式纖維樹脂復合材料包裹，增強了一定的抗壓能力，存儲氣體壓力為20～30MPa。Ⅲ型、Ⅳ型在輕量化方面做出了較大的改進，主要是為了解決氫燃料交通工具對移動儲氫罐的應用需求。Ⅲ型罐體內層采用較薄的高強度金屬，外層采用兩極或螺旋鋪設的纖維樹脂復合材料包裹，壓力主要有35MPa和70MPa兩種，此類氫罐在氫燃料電池領域應用較為成熟。IV型罐體內層采用了抗壓高分子材料，具備強度高、工藝性好、熱穩(wěn)定性高、化學穩(wěn)定性好等優(yōu)勢，外層采用兩極或螺旋鋪設的纖維樹脂復合材料包裹，進一步突出了輕量化設計，儲氫壓力有望繼續(xù)提升至100MPa[26]。

圖7 主流氫罐結構Fig.7 Mainstream hydrogen tank structure

高壓氣態(tài)儲氫的安全性主要受儲氫瓶內壓力、溫度以及儲氫瓶結構狀態(tài)的影響。在加氫、機體劇烈振動或發(fā)生碰撞等特殊情況下，儲氫瓶內燃料狀態(tài)變化幅度大，容易產(chǎn)生安全隱患。主要安全問題可能存在于以下幾種情況：（1）受氫氣寬爆炸極限范圍（4%～75.6%）和低點火能量（0.02mJ）的燃燒特性影響，異常狀態(tài)下氫燃料的泄漏、燃燒和爆炸是氫燃料航空器的一項重大安全隱患； （2）儲氫瓶的環(huán)境溫度會隨著飛機的飛行高度、地理位置等產(chǎn)生一定變化，為了提高儲氫密度，儲氫溫度可能設計為低于氫罐外的環(huán)境溫度，當溫度控制系統(tǒng)發(fā)生故障等，將外界熱量導入罐內時，會影響儲氫瓶內壓力變化，從而引發(fā)泄漏甚至物理爆炸風險；（3）I型、II型、III型儲氫瓶的內層為金屬材料，與氫接觸易發(fā)生氫脆現(xiàn)象，從而破壞儲氫瓶的結構，造成氫氣泄漏的安全隱患。

因此，儲氫瓶內的氣體狀態(tài)和儲氫瓶各結構的使用狀態(tài)需時刻監(jiān)測，機載儲氫瓶需要配備安全管理監(jiān)測系統(tǒng)和相應的安全控制策略，基于溫度、壓力等傳感器獲取狀態(tài)數(shù)據(jù)，進而通過安全控制策略判斷儲氫狀態(tài)，并在存在安全隱患時做出相應的安全防護動作。

2.2.2 低溫液態(tài)儲氫及其安全問題

氫可以在液態(tài)下儲存，低溫液態(tài)儲氫是另一種更為高效的儲氫方式。由圖6可以看出，同等壓力下，溫度越低，儲氫密度越大，因此低溫是另一個提高儲氫效率的方向。標準大氣壓下，當溫度降低到-253℃以下時氫氣液化，加壓時至多可提高到-240℃左右，液氫密度可達氣氫密度的幾千倍[26]，能夠有效降低移動儲氫容積需求。在液化再氣化的過程中氫氣被再次提純，對提高氫燃料電池發(fā)動機的壽命是有利的。液氫儲運的工作壓力較小，相較高壓儲氫，安全性得以提高。液氫存儲技術相較高壓存儲技術難度更高，配套儲氫系統(tǒng)也更復雜，目前的儲氫系統(tǒng)在維持低溫環(huán)境時也會消耗大量額外能量，進一步降低用于飛機推進系統(tǒng)的有效燃料比例，因此如何減少環(huán)控系統(tǒng)的能量消耗是提高氫動力飛機性能的另一個重要議題。液氫動力在航空器領域的應用尚不成熟，國內的移動液氫存儲技術起步較晚，目前僅在航天軍工領域有所應用。由于液氫儲運在通用航空器領域尚無應用案例，其安全問題暫無法從應用中得知。結合液氫儲運特性，預想液氫在通用航空器領域的儲運安全問題可能集中在4個方面：（1）與高壓氫相同，氫特性導致液氫在使用時或加氫時存在氫泄漏風險，進而引發(fā)燃燒或爆炸等安全問題；（2）劇烈振動或低溫絕熱系統(tǒng)損壞等引起外界熱量導入液氫儲罐，液氫快速氣化會引起儲罐迅速增壓，罐內巨大壓力易引發(fā)結構破壞或物理爆炸等安全問題；（3）超低溫液氫泄漏后引起閥門及管路等機載部件結冰、堵塞或結構破壞，以及接觸人員凍傷等安全問題；（4）液氫低溫氫脆引起金屬材料結構失效帶來安全問題。

此外，金屬氫化物及有機液體等其他儲氫方式目前仍在預研階段，短期內無法應用于通用航空領域，在此不作探討。

2.3 氫燃料通用航空器的其他安全問題

除氫燃料及氫燃料動力系統(tǒng)本身帶來的安全問題外，氫燃料通用航空器還存在許多其他衍生出來的系統(tǒng)安全性問題：（1）在整機設計過程中，由于氫燃料推進的特殊性，需平衡動力、氣動、結構、控制、電系統(tǒng)等多方面的需求，復雜程度高、綜合性強、目標新穎的系統(tǒng)設計帶來了一定的安全問題；（2）由于目前能應用在飛機上的氫燃料的體積密度較小，為了最大限度利用機上空間，多采用翼身融合布局，從而衍生出氫燃料翼身融合布局航空器相關適航安全性問題；（3）目前氫燃料電池發(fā)動機的功率普遍較小，在大功率的氫能源發(fā)動機投入應用之前，過渡階段多采用分布式推進布局，從而衍生出一系列安全問題；（4）為了最大限度減少材料的氫脆現(xiàn)象發(fā)生，氫燃料通用航空器需采用抗氫脆及抗氫腐蝕的新型復合材料，由此引發(fā)的結構安全問題；（5）目前國內外通航飛機的事故率遠大于民航大型飛機，加之氫燃料易燃易爆，因此氫燃料航空器故障墜地導致爆炸的概率可能大于民航飛機，對地面的人、財、物造成安全威脅。

盡管現(xiàn)階段氫燃料通航飛機還有很多安全性問題有待研究解決，如飛機氫燃料地面加注過程中的防泄漏與防滅火、故障后的爆炸可能性問題等，但這并不意味著它們注定會成為“自爆卡車”或“自爆飛機”。隨著氫燃料飛機及相關系統(tǒng)研制技術的進步、氫能源相關政策的支持，氫燃料電池、氫燃燒控制、抗氫脆材料及氫儲運、氫燃料飛機平臺的集成以及高安全性的設計方案、相關標準正在逐步發(fā)展和完善，這些成果及進步都在推動氫燃料通用航空器的落地應用，并逐步提高其安全性水平。

3 氫燃料通用航空器安全性相關標準

國際氫安全相關的標準主要集中于國際標準化組織（ISO）和國際電工委員會 （IEC），目前均為氫安全的通用標準，由于氫燃料通用航空器仍在設計研發(fā)階段，因此目前尚無有針對性的專用標準。

ISO TR 15916—2015《氫系統(tǒng)安全的基本考慮》是有關氫的基本特性及氫系統(tǒng)危險因素及風險控制的一項基礎標準。在此基礎上，我國國家市場監(jiān)督管理總局和中國國家標準化管理委員會發(fā)布了GB/T 29729—2022《氫安全的基本要求》。

在更具針對性的燃料電池交通工具領域，ISO1988X、ISO 1398X分別規(guī)定了地面車輛使用氣氫、液氫的相關標準，中國國標的相關標準規(guī)范集中在GB/T 400XX中。ISO 12619系列《道路車輛—壓縮氣態(tài)氫（CGH2）和氫/天然氣混合燃料系統(tǒng)部件》規(guī)定了一系列詳細標準規(guī)范。近年來，我國的新能源汽車發(fā)展迅速，氫燃料電池汽車相關的安全要求及標準規(guī)范也陸續(xù)出臺，如GB/T 31138—2022《燃料電池電動汽車安全要求》、GB/T 26779—2021《燃料電池電動汽車加氫口》等標準規(guī)范對于氫燃料電池飛機設計均有一定的參考價值。

在氫氣儲運方面，ISO 210XX 系列規(guī)定了固定低溫容器的設計、裝配、檢查、測試及其材料、結構、組件等相關的要求；而ISO 7866、ISO 9809 及ISO11119 系列則覆蓋了可移動式氫罐的相關標準。

在基礎設施方面，國際標準化組織出版了ISO 19880系列，如加氫站的技術規(guī)范ISO 19880-1:2020《氣態(tài)氫—加氫站—第1 部分：一般要求》，限定了輕型道路車輛氣態(tài)氫加氫站的最低設計、安裝、調試、運行、檢查和維護及在適當情況下的性能要求，該標準中同時也提到了部分液氫的相關要求。ISO 19880-2 到ISO 19880-9 分別規(guī)定了加氫站的加氫機和分配系統(tǒng)、閥門、加氫機軟管和軟管組件、配件、O形密封圈、燃料質量控制及燃料質量分析取樣，其中多項標準仍處于計劃完善狀態(tài)。與此相關的中國國家標準有GB 50516—2010《加氫站技術規(guī)范》、GB/T 34584—2017《加氫站安全技術規(guī)范》、GB/T 34583—2017《加氫站用儲氫裝置安全技術要求》以及GB/T 31138—2022《加氫機》等。

目前，氫能源在全球范圍內屬研究熱點領域，除上述標準外，仍有非常多與氫能源相關的標準和規(guī)范已發(fā)布或在快速的研究制定中，如歐洲標準（EN）、歐洲工業(yè)氣體協(xié)會（EIGA）、美國國家標準學會（ANSI）、美國汽車工程師學會（SAE）、電機電子工程師學會（IEEE）、美國電氣制造商協(xié)會（NEMA）、加拿大標準協(xié)會（CSA）等組織機構均發(fā)布了氫能源相關標準規(guī)范，在氫燃料通用航空器設計過程中，以上標準提供了豐富的安全性指標和準則，但在空中應用場景下的專用標準目前仍不完善，需在大量試驗測試數(shù)據(jù)及設計經(jīng)驗支撐下補充制定。

4 結束語

在未來的通用航空領域，我們可以預見到更加綠色環(huán)保、高效安全的飛行方式。但受限于各種影響因素，目前國內通用航空發(fā)展仍非常緩慢[28-30]。究其原因，包含但不限于以下幾點：

（1） 國防安全問題，近年來國際局勢動蕩，存在“低慢小”乃至通用航空器的滲透風險。

（2） 交通安全問題，2022 年我國通航事故率為0.0367起/萬架次遠大于運輸航空重大事故率0.011 起/百萬架次[28]，國外通航飛機事故頻發(fā)，事故率約為50 起/百萬架次[29]，同樣遠大于民航飛機總事故率1.21 起/百萬架次[30]，而氫能源通航飛機一旦墜落，造成的安全問題將更加嚴重，目前的通航產(chǎn)品、運營經(jīng)驗、技術手段等仍達不到社會可接受的安全水平，不足以全面放開并推廣低空立體交通。

（3） 產(chǎn)業(yè)安全問題，國內的通航產(chǎn)品及技術水平近年來已在穩(wěn)步提升，但仍存在政策孵化不足、技術人才稀缺、運營經(jīng)驗較少、民眾認識不夠等問題，整體滯后于國際同行產(chǎn)業(yè)發(fā)展，若在準備不足的情況下貿然開放，存在引入國外競爭性要素擠占國內通航產(chǎn)業(yè)市場的風險。

隨著技術的不斷革新和完善，未來氫燃料通用航空器將越來越多地出現(xiàn)在我們的視野中。而氫燃料通用航空器設計是一項前沿的科學技術研究，仍有很多難題需要逐一解決。我們不能忽視任何一個威脅飛行安全的潛在隱患，但仍需要客觀理性地對待氫燃料通用航空器的安全問題，需要依靠充分的試驗數(shù)據(jù)、科學的設計生產(chǎn)、嚴格的維護檢測以及規(guī)范的制度標準[31]來保證未來氫燃料通用航空器的安全性。