沈海軍

利用氫能為飛機(jī)提供動(dòng)力，是航空領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)低碳化、綠色化的重要途徑之一。在國(guó)際上，氫能航空動(dòng)力已成為航空業(yè)減碳發(fā)展的重要方向之一，許多國(guó)家和地區(qū)都在積極開(kāi)展相關(guān)技術(shù)研究和示范應(yīng)用。

美國(guó)：2050年“改朝換代”

波音公司計(jì)劃在2050年后完全用氫燃料替代其客機(jī)上的傳統(tǒng)航空燃料，該公司采用氫燃料電池的“鉆石”飛機(jī)及氫動(dòng)力無(wú)人機(jī)“幻影眼”已分別于2008年和2012年成功進(jìn)行了試飛。

在美國(guó)能源部的支持下，2022年2月，普惠公司開(kāi)發(fā)了新型高效氫燃料推進(jìn)技術(shù)，啟動(dòng)了氫蒸汽噴射、間冷渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)（HySIITE）項(xiàng)目。該項(xiàng)目將使用液氫燃料和水蒸氣回收技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)飛機(jī)飛行中的二氧化碳減排，預(yù)計(jì)可將下一代單通道飛機(jī)的碳排放量減少80%，燃料消耗減少35%。同時(shí)，HySIITE項(xiàng)目的半封閉式系統(tǒng)架構(gòu)將實(shí)現(xiàn)比氫燃料電池更高的熱效率。

美國(guó)初創(chuàng)公司HyPoint在氫能源研發(fā)領(lǐng)域領(lǐng)先全球，該公司在2020年推出的渦輪空冷（TAC）氫燃料電池系統(tǒng)原型機(jī)曾榮獲美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）在當(dāng)年推出的創(chuàng)新科技大賽大獎(jiǎng)。這一燃料電池系統(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項(xiàng)技術(shù)。與現(xiàn)有液冷低溫質(zhì)子交換膜（LTPEM）燃料電池相比，HTPEM技術(shù)將單位功率提高了3倍，其能量密度則是現(xiàn)有鋰電池的5倍。在獲得英國(guó)政府一筆高達(dá)4億美元的資助后，HyPoint公司于2022年2月在英國(guó)開(kāi)設(shè)了新的氫研發(fā)和生產(chǎn)基地。該公司未來(lái)的目標(biāo)平臺(tái)包括電垂直起降飛行器（eVTOL）和貨運(yùn)無(wú)人機(jī)。HyPoint公司還與德國(guó)化工巨頭巴斯夫公司合作開(kāi)發(fā)下一代TAC HTPEM燃料電池，以減輕燃料電池的質(zhì)量并提高其耐用性。該燃料電池預(yù)計(jì)于2024年年中推向市場(chǎng)。

美國(guó)ZeroAvia公司成立于2017年，目前在美國(guó)和英國(guó)均設(shè)有基地。在英國(guó)政府資助下，該公司在2020年10月完成了世界上首個(gè)由氫燃料電池支持的商用飛機(jī)飛行。這架名為“HyFlyer”的氫燃料電池動(dòng)力飛機(jī)共有6個(gè)座位，原計(jì)劃最早于2023年首次投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。從中期發(fā)展目標(biāo)看，ZeroAvia公司旨在開(kāi)發(fā)以氫燃料電池為動(dòng)力的10～20座飛機(jī)，其航程將達(dá)到800千米，預(yù)計(jì)為客貨兩用。為達(dá)成這一目標(biāo)，2023年1月，ZeroAvia公司完成了一架19座Do-228型飛機(jī)的首飛。這架Do-228螺旋槳飛機(jī)看似普通，但其左側(cè)的螺旋槳是一個(gè)由兩個(gè)氫燃料電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，其右側(cè)仍使用傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，這是迄今為止全球最大的氫燃料飛機(jī)。該項(xiàng)目被稱為HyFlyer II。目前，ZeroAvia公司已經(jīng)開(kāi)始研發(fā)世界上最大的零碳排放飛機(jī)，其改裝基礎(chǔ)是從阿拉斯加航空公司退役的沖-8飛機(jī)。沖-8是加拿大龐巴迪公司于1998年推出的一款76座的渦輪螺旋槳支線客機(jī)。ZeroAvia公司將為該飛機(jī)配備氫電推進(jìn)系統(tǒng)。2021年，阿拉斯加航空公司投資了ZeroAvia公司。之后，兩家公司宣布將聯(lián)合開(kāi)發(fā)氫能源支線客機(jī)。如今，阿拉斯加航空公司已將要改裝的飛機(jī)移交給了ZeroAvia公司。雖然之前的HyFlyer II飛機(jī)仍使用氣態(tài)氫燃料，但沖-8飛機(jī)將以液態(tài)氫為動(dòng)力。

2023年3月，美國(guó)初創(chuàng)公司Universal Hydrogen成功試飛了一架以氫燃料電池為動(dòng)力的40座支線客機(jī)。這架綽號(hào)為L(zhǎng)ightning McClean的ATR 72飛機(jī)大約飛行了15分鐘，飛行高度約為3500米。這次飛行是該公司為期兩年的飛行測(cè)試活動(dòng)的第一次，也是迄今為止在空中進(jìn)行測(cè)試時(shí)使用氫燃料電池推進(jìn)的最大的氫燃料飛機(jī)。Universal Hydrogen公司預(yù)計(jì)于2025年將以氫燃料電池為動(dòng)力進(jìn)行改裝的ATR 72支線飛機(jī)投入客運(yùn)服務(wù)領(lǐng)域。

歐洲空客：2035年全球“首發(fā)”

雄心勃勃的空客公司計(jì)劃于2035年前推出世界上第一架零碳排放的商用飛機(jī)。該計(jì)劃發(fā)布于2020年9月，被稱作ZEROe。ZEROe共包含3個(gè)氫能飛機(jī)概念，分別是翼身融合混合動(dòng)力飛機(jī)、渦槳?dú)浠旌蟿?dòng)力飛機(jī)和渦扇氫混合動(dòng)力飛機(jī)。其中，翼身融合混合動(dòng)力飛機(jī)由兩臺(tái)氫燃料渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，其液氫儲(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，飛機(jī)航程在3700千米左右；渦槳?dú)浠旌蟿?dòng)力飛機(jī)的液氫儲(chǔ)存和分配系統(tǒng)與翼身融合混合動(dòng)力飛機(jī)類似，只是采用兩臺(tái)氫燃料渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)六葉螺旋槳提供推力，可以搭載100名左右的乘客，瞄準(zhǔn)短程飛行市場(chǎng)；渦扇氫混合動(dòng)力飛機(jī)的液氫儲(chǔ)罐位于機(jī)翼下方，機(jī)艙內(nèi)部空間寬敞，主動(dòng)力仍為兩臺(tái)氫燃料渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。

2020年12月，空客公司又公布了一種帶有6個(gè)推進(jìn)吊艙的全新氫燃料飛機(jī)構(gòu)型，它的每個(gè)吊艙都由各自獨(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)、八葉螺旋槳和其他必要的輔助設(shè)備組成。根據(jù)發(fā)展時(shí)間表，空客公司將在2024—2025年完成氫動(dòng)力相關(guān)技術(shù)的選擇，目前的可選項(xiàng)包括氫燃料電池推進(jìn)、氫渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、氫燃料電池+氫渦輪機(jī)混合動(dòng)力。在之后的5年內(nèi)，空客公司會(huì)依次完成小尺寸技術(shù)驗(yàn)證機(jī)以及全尺寸原型機(jī)的研制工作，最終在2030—2035年實(shí)現(xiàn)100座級(jí)以上氫動(dòng)力客機(jī)的商業(yè)化。

2023年6月，空客公司宣布其氫燃料電池系統(tǒng)測(cè)試成功，達(dá)到1.2兆瓦的滿功率水平。這是航空業(yè)針對(duì)大型飛機(jī)設(shè)計(jì)的燃料電池進(jìn)行的測(cè)試。這次測(cè)試為該項(xiàng)目開(kāi)展下一步工作奠定了基礎(chǔ)：將完整的推進(jìn)系統(tǒng)與電動(dòng)機(jī)集成。一旦這些優(yōu)化和測(cè)試完成，燃料電池推進(jìn)系統(tǒng)將安裝在ZEROe多模式飛行測(cè)試平臺(tái)上—空客飛機(jī)生產(chǎn)的第一架A380客機(jī)。隨后，空客公司將對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行地面測(cè)試，然后進(jìn)入A380飛行測(cè)試的關(guān)鍵階段，目前計(jì)劃于2026年進(jìn)行飛行測(cè)試。

德國(guó)：采用液態(tài)氫

2021年1月，德國(guó)運(yùn)輸和數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施部撥款，委托德國(guó)航空航天中心（DLR）牽頭，研制大功率氫燃料電池航空動(dòng)力，用于40～60座、1000千米航程的支線客機(jī)。實(shí)際上，在此前的15年里，德國(guó)航空航天中心已經(jīng)深耕于氫能航空領(lǐng)域，其合作伙伴H2FLY公司的HY4型氫燃料電池驗(yàn)證機(jī)便是它的標(biāo)志性成果。HY4項(xiàng)目于2011年啟動(dòng)，2016年9月完成首架飛機(jī)的試飛工作，后經(jīng)不斷改進(jìn)，到2020年11月，HY4飛機(jī)的氫燃料電池動(dòng)力已升級(jí)至第六代。

H2FLY公司的全稱為德國(guó)氫能電動(dòng)航空技術(shù)公司，由德國(guó)航空航天中心和烏爾姆大學(xué)的5名工程師創(chuàng)立于2015年，專門從事氫電航空技術(shù)的開(kāi)發(fā)工作。2021年，H2FLY公司被在美國(guó)上市的eVTOL公司Joby收購(gòu)。2023年9月，HY4飛機(jī)再次成功完成試飛，成為世界上首架液氫電動(dòng)載人飛機(jī)。此次飛行持續(xù)了約3小時(shí)，耗氫10千克。該飛機(jī)的最大液氫儲(chǔ)存容量為24千克，可持續(xù)飛行8小時(shí)。由于采用了以液氫作為燃料的新的技術(shù)路線，HY4飛機(jī)的最大航程從此前的750千米增加到了1500千米。

HY4飛機(jī)的機(jī)體由蝙蝠飛機(jī)公司制造，由兩架該公司生產(chǎn)的“大金?！憋w機(jī)和一架雙座動(dòng)力滑翔機(jī)并聯(lián)而成，是目前實(shí)際飛行的載重最大、座位數(shù)最多的氫燃料電池載人飛機(jī)。這種機(jī)身組合形式十分新穎，飛行員坐在機(jī)身右側(cè)，燃油系統(tǒng)則被隔離在機(jī)身左側(cè)，電力推進(jìn)系統(tǒng)和氫轉(zhuǎn)換燃料電池則被安裝在中央機(jī)艙中。H2FLY公司研發(fā)的氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)由儲(chǔ)氫裝置、120千瓦燃料電池能量轉(zhuǎn)換器和電動(dòng)機(jī)組成。自2016年以來(lái)，使用氫電混合動(dòng)力的HY4飛機(jī)一直在飛行，并最終于2023年夏天取得了突破—以液態(tài)氫而不是氣態(tài)氫作為燃料。液態(tài)氫比氣態(tài)氫具有更高的能量密度，可以顯著降低油箱重量和體積。對(duì)于HY4飛機(jī)來(lái)說(shuō)，使用液態(tài)氫可將航程增加1倍，成效顯著。

為了便于儲(chǔ)存液態(tài)氫，HY4飛機(jī)的儲(chǔ)氫罐由玻璃纖維和碳纖維制成，這種新型復(fù)合材料能夠極大地減少自重并增加有效容積。在同等容積下，碳纖維復(fù)合材料燃料罐比現(xiàn)有的最先進(jìn)的航天低溫罐減少了75%的重量。

英國(guó)：2026年投入商用

2021年3月，英國(guó)商業(yè)、能源和工業(yè)戰(zhàn)略部（BEIS）宣布投入重金支持綠色航空技術(shù)，鼓勵(lì)企業(yè)利用氫或電力作為替代動(dòng)力，以實(shí)現(xiàn)航空業(yè)的碳減排。該計(jì)劃中涉及氫動(dòng)力的兩個(gè)項(xiàng)目分別為氫電混動(dòng)系統(tǒng)（H2GEAR）和HyFlyerⅡ。其中，H2GEAR項(xiàng)目旨在開(kāi)發(fā)創(chuàng)新的液氫電動(dòng)混合推進(jìn)系統(tǒng)，用于區(qū)域航線飛行，并確?？蓴U(kuò)展至更大型飛機(jī)和用于更長(zhǎng)航線的飛行。HyFlyer II項(xiàng)目旨在研制以氫燃料電池為動(dòng)力的50座支線飛機(jī)，目標(biāo)是在2026年將飛機(jī)投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)；19座以下的名為HyFlyer II的氫燃料電池電動(dòng)飛機(jī)將于2024年首先投入運(yùn)營(yíng)，該款氫燃料電池電動(dòng)飛機(jī)的設(shè)計(jì)航程為 560千米。

在2023年7月舉行的范堡羅航展上，英國(guó)吉?jiǎng)P恩（GKN）集團(tuán)公布了低溫超導(dǎo)氫能航空技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目，該項(xiàng)目研發(fā)出的最新技術(shù)主要應(yīng)用于19座、48座和96座飛機(jī)。項(xiàng)目計(jì)劃在2026年將相關(guān)技術(shù)應(yīng)用于支線飛機(jī)。目前，這一項(xiàng)目已得到英國(guó)政府5400萬(wàn)英鎊的資助。

其他國(guó)家：爭(zhēng)先恐后 各具千秋

早在2016年，我國(guó)中航技進(jìn)出口有限責(zé)任公司和科比特航空公司聯(lián)合推出的多旋翼垂直起降無(wú)人機(jī)HYDrone-1800已經(jīng)搭載了先進(jìn)的氫燃料電池系統(tǒng)，并創(chuàng)造了該級(jí)別無(wú)人機(jī)270分鐘續(xù)航的新世界紀(jì)錄。該六軸無(wú)人機(jī)的最大飛行半徑為100千米，最大載荷達(dá)到25千克，可以安裝更多的偵察和作戰(zhàn)模塊，能直接從戰(zhàn)斗車輛上起飛，執(zhí)行長(zhǎng)航時(shí)任務(wù)，為步兵分隊(duì)提供超過(guò)20千米縱深的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)獲取能力。今年1月29日，我國(guó)自主研制的全球首款四座氫能飛機(jī)RX4HE原型機(jī)在沈陽(yáng)完成首飛。此次試飛的原型機(jī)搭載的是國(guó)內(nèi)首款2.0升零碳排放增壓直噴氫燃料內(nèi)燃機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率經(jīng)測(cè)試達(dá)到120千瓦，可以在大多數(shù)通航機(jī)場(chǎng)起降，滿足日常運(yùn)營(yíng)要求。該機(jī)型的驗(yàn)證機(jī)于2023年3月完成驗(yàn)證試飛，是我國(guó)自主研制的第一架以氫內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的通航飛機(jī)。繼C919之后，中國(guó)商用飛機(jī)有限責(zé)任公司也設(shè)計(jì)出一款新一代氫能源概念機(jī)—“靈雀M”。

2021年11月，巴西航空工業(yè)公司公布了名為ENERGIA飛機(jī)系列的研發(fā)計(jì)劃，并表示其研發(fā)目標(biāo)是探索“幫助行業(yè)實(shí)現(xiàn)到2050年凈零碳排放目標(biāo)”的方法，其中便包括氫燃料電池飛機(jī)和氫渦輪動(dòng)力飛機(jī)兩種氫動(dòng)力機(jī)型。其中，氫燃料電池飛機(jī)將在2035年推出，最多可搭載19名乘客，其二氧化碳的排放量為零；氫渦輪動(dòng)力飛機(jī)將采用氫渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，能夠搭載35～50名乘客，其二氧化碳的排放量同樣為零，計(jì)劃在2040年投入市場(chǎng)。

2022年2月，韓國(guó)大韓航空公司、韓國(guó)液化氣集團(tuán)、仁川國(guó)際機(jī)場(chǎng)和空客公司簽署了一份諒解備忘錄，擬共同探索氫氣在韓國(guó)航空業(yè)脫碳場(chǎng)景中的應(yīng)用以及韓國(guó)國(guó)內(nèi)機(jī)場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)如何支持氫燃料飛機(jī)運(yùn)行等問(wèn)題的解決方案。其中，韓國(guó)液化氣集團(tuán)將負(fù)責(zé)氫氣的生產(chǎn)、液化、儲(chǔ)存和輸送層面的技術(shù)支持，大韓航空公司將負(fù)責(zé)提供地面飛機(jī)運(yùn)營(yíng)和航空管理與運(yùn)營(yíng)層面的技術(shù)支持，空客公司則為氫燃料飛機(jī)提供技術(shù)層面的支持，仁川國(guó)際機(jī)場(chǎng)將提供機(jī)場(chǎng)發(fā)展計(jì)劃實(shí)施層面的支持。

【責(zé)任編輯】趙 菲