氫燃料客機 從概念到探索

易寒

英航探索從化石燃料轉(zhuǎn)向氫燃料可能

今年2月初，英國航空宣布與氫動能飛機初創(chuàng)企業(yè)ZeroAvia合作，探索氫動力飛機如何在未來可持續(xù)飛行中發(fā)揮主導(dǎo)作用。據(jù)了解，相關(guān)團隊將與專家遠程協(xié)作，探索從化石燃料轉(zhuǎn)向零排放氫燃料轉(zhuǎn)型的可能性，為航空公司機隊提供動力。

ZeroAvia 是一家氫動力總成公司，他們與現(xiàn)有的航空制造商和航空運營商合作，提供零排放，低成本的動力總成選擇。他們設(shè)計氫動力總成以無縫地裝配到現(xiàn)有飛機中，而他們不是飛機制造商。因此，現(xiàn)有飛機制造商實際上是 ZeroAvia 的合作伙伴，而不是其競爭對手。

去年9月份，ZeroAvia 完成了世界上第一架由氫燃料電池驅(qū)動的商用飛機的飛行，地點是在英國克蘭菲爾德的 ZeroAvia 研究與開發(fā)實驗室。使用的飛機是派珀 M 級（Piper Malibu M330）六座飛機。它完成了滑行，起飛，全模式巡回飛行和著陸，沒有任何問題。

這款經(jīng)過改裝的派珀 M 級飛機現(xiàn)在是世界上最大的氫動力飛機。該公司最初的目標(biāo)是將 500 英里范圍內(nèi)的 10-20 座飛機改裝之后用于商業(yè)旅客運輸，包裹運送，農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。但是，他們認(rèn)為最終無需任何新的基礎(chǔ)科學(xué)，氫動力飛機將與當(dāng)前化石燃料飛機的飛行距離和有效載荷相匹配。

這種方法使 ZeroAvia 可以專注于為航空脫碳提供動力。已經(jīng)有足夠的飛機制造商制造堅固、高效的機身，并將能夠接受 ZeroAvia 的燃料電池動力總成。通過使用現(xiàn)有飛機，ZeroAvia 可以更快地實現(xiàn)零排放商業(yè)飛行，而所需成本僅為設(shè)計一架全新飛機的一小部分。

同時，ZeroAvia的氫動力系統(tǒng)由于燃料和維護成本較低，預(yù)計運營成本將低于傳統(tǒng)噴氣燃料。該公司計劃控制其動力系統(tǒng)和其他商業(yè)客戶的氫燃料生產(chǎn)和供應(yīng)，從而大幅降低整個市場的燃料可用性和定價風(fēng)險。

據(jù)ZeroAvia預(yù)計，最早將在2023年實現(xiàn)飛機氫電動力的商業(yè)化——20座飛機的飛行里程可達500英里；2027年計劃能為100座的商業(yè)飛機提供可飛行500英里的動力；到2030年，可為100座以上的飛機1000英里的商業(yè)飛行提供動力。目前，ZeroAvia得到了英航航天技術(shù)研究所和Innovate UK的部分資助，并于去年年底完成了新一輪2140萬美元的融資。

航空巨頭空中客車的“雄心壯志”

不只是ZeroAvia這樣的初創(chuàng)型公司，航空巨頭也在努力。

為了在 2035 年前實現(xiàn)零排放飛行，歐洲飛機制造商空中客車公司（Airbus）在2020年9月展示了三款可以實現(xiàn)零排放飛行的概念機。空中客車嘗試了一種新的設(shè)計，將整個氫推進裝置、罐體和所有的東西都裝備在機翼的可拆卸吊艙中。

概念機型中設(shè)計了 6 個吊艙，每個吊艙都包括一個液態(tài)氫罐、一個冷卻系統(tǒng)、一個燃料電池、動力電子裝置、電動機、一個八葉輕質(zhì)復(fù)合材料螺旋槳和所有必要的輔助設(shè)備，使其作為一個獨立的推進裝置運行。

空客公司將這個最新項目命名為ZEROe?？湛凸鞠Ｍ屓藗冊诙潭?5年后就能搭乘它的一款全新設(shè)計飛機在空中翱翔，甚至喊出了讓噴氣式發(fā)動機造成的污染和乘坐飛機令人羞愧的日子一去不復(fù)返的口號。

ZEROe項目目前給出了三種不同設(shè)計方案。

一種是可搭載120-200名乘客的渦輪風(fēng)扇發(fā)動機設(shè)計方案，其航程超過2000海里，能夠進行跨大陸運行，由燃燒氫氣而非傳統(tǒng)航空燃料的改型燃氣渦輪發(fā)動機提供動力。液態(tài)氫將通過位于后耐壓艙壁后面的儲罐進行存儲和輸送。

第二種是最多搭載100名乘客的渦輪螺旋槳發(fā)動機的設(shè)計方案。使用渦輪螺旋槳發(fā)動機代替渦輪風(fēng)扇發(fā)動機，并且還通過改進的燃氣渦輪發(fā)動機中的氫燃燒來提供動力，航程超過1000海里，是短途旅行的理想選擇。

第三種是最多搭載200名乘客的翼身融合的設(shè)計方案。機翼與機身采用融合設(shè)計，航程與渦輪風(fēng)扇概念機相似。超寬的機身為氫氣的儲存和輸送，以及客艙布局提供了多種選擇。同時該方案也是具有話題性的機型，由于飛機的機翼與機身合并，形成高度流線型的形狀，就好像“飛行的翅膀”，類似于《星際迷航》中的飛行器，非常具有未來感。

空中客車首席執(zhí)行官傅里（Guillaume Faury）認(rèn)為：“對于整個民航業(yè)來說，這是一個歷史性的時刻。我們發(fā)布的概念飛機向世界展示了我們實現(xiàn)未來零排放飛行這一大膽愿景的雄心壯志。我堅信，無論是在合成燃料中還是作為民用飛機的主要動力來源，氫能源的使用都有可能顯著減少航空對氣候的影響。向氫能源過渡作為這些概念飛機的主要動力，將需要整個航空業(yè)生態(tài)系統(tǒng)采取果斷行動?！?h3>氫燃料發(fā)動機已在車輛動力上得到證明

事實上，氫燃料并不是陌生的概念。世界上第一臺內(nèi)燃機投入使用時，它所采用的燃料就是氫氣。整個20世紀(jì)，數(shù)量眾多的車企、院校，包括發(fā)明家甚至業(yè)余愛好者，都對氫燃料內(nèi)燃機的可行性進行了各種各樣的研究測試。

1970年，發(fā)明家保羅·迪格斯（Paul Dieges）率先申請了一項以氫燃料為動力的內(nèi)燃機設(shè)計專利。普惠公司也曾在上世紀(jì)50年代設(shè)計并制造了一臺使用氫燃料的燃氣渦輪發(fā)動機。

如今，氫燃料發(fā)動機已經(jīng)被證明具有向從小轎車到公共汽車等各種車輛提供動力的能力，這也吸引航空業(yè)將注意力轉(zhuǎn)向使用氫燃料來為民用飛機提供動力?？罩锌蛙嚬綵EROe零排放概念飛機便是其中之一。

普惠公司商用發(fā)動機大中華區(qū)客戶業(yè)務(wù)總裁范佑勛（Yogesh Farswani）認(rèn)為，在發(fā)動機層面上，在今后20年以及更遠的未來，燃氣渦輪發(fā)動機架構(gòu)依然是商用航空飛行的主流動力架構(gòu)。如果氫成為航空業(yè)未來的首選燃料，燃氣渦輪發(fā)動機亦將發(fā)揮關(guān)鍵作用。

他還指出：“實際上，燃氣渦輪發(fā)動機能夠相對容易地進行改裝來燃燒氫燃料。應(yīng)用這一燃料的主要挑戰(zhàn)在于改變航空器設(shè)計、燃料加注所需的基礎(chǔ)設(shè)施以及以綠色的方式進行氫的生產(chǎn)”。