氫能飛機發(fā)展現(xiàn)狀分析

■ 賴耀勝 李龍 / 中國航發(fā)渦輪院

減少碳排放的手段目前主要有三種：一是提高現(xiàn)有能源利用效率，二是利用替代能源，三是使用碳捕捉、封存和利用技術(shù)（CCUS）。具體到航空領(lǐng)域，前兩種減排路徑最為適用，并且只有采用替代能源才能實現(xiàn)凈零碳排放。氫能源作為替代能源，具有儲量豐富、來源廣泛、能量密度高、清潔且價格低廉等優(yōu)點，在航空減碳方面具有廣闊的開發(fā)前景。

根據(jù)麥肯錫咨詢公司開展的一項研究顯示：燃?xì)鉁u輪發(fā)動機直接燃?xì)?，可以將飛機排放氣體等對氣候的影響降低50%～75%；如果使用氫燃料電池來驅(qū)動電機，其對氣候影響的正向效益將提高到75%～90%。當(dāng)前，世界各國都紛紛開展了大量氫能飛機及動力系統(tǒng)的研究，動力方案主要有氫燃料發(fā)動機、氫燃料電池和氫燃料電池混合電推進系統(tǒng)等，推動了氫能飛機的發(fā)展。但不可否認(rèn)的是，這些技術(shù)的發(fā)展程度離氫能飛機的商業(yè)應(yīng)用尚有一定的差距，除了燃?xì)浒l(fā)動機的改造問題需要解決以外，還需要攻克氫的制備和儲存等一系列難題。

氫能飛機研究進展概述

空客多方案并進推進氫能飛行技術(shù)發(fā)展

空客公司目前正在研究利用氫能制造合成燃料、氫燃料電池、可以直接使用氫燃料的改進型渦扇發(fā)動機和使用氫燃料和燃料電池的混合動力系統(tǒng)的氫能飛機方案。

空客發(fā)布帶吊艙的氫能飛機概念

2020年9月，空客公司發(fā)布了3個名為ZEROe的氫能飛機概念：渦扇氫混合動力、渦槳氫混合動力和翼身融合混合動力。其中，翼身融合飛機由兩臺氫燃料渦扇發(fā)動機提供動力，液氫儲存和分配系統(tǒng)位于后增壓艙，預(yù)計能搭載120 ～200名乘客，航程為3700km左右；渦槳氫混合動力飛機的液氫儲存和分配系統(tǒng)設(shè)計與第一種類似，只是換成了兩臺氫燃料渦槳發(fā)動機驅(qū)動六葉螺旋槳提供推力，搭載乘客100名左右，瞄準(zhǔn)短程飛行市場；渦扇氫混合動力液氫儲罐位于機翼下方，內(nèi)部空間較為寬敞，主動力仍為兩臺氫燃料渦扇發(fā)動機。

2020年12月，空客公司又公布了一種以6個推進吊艙為主要特征的全新氫動力飛機構(gòu)型，每個吊艙有各自獨立的液氫儲罐、冷卻系統(tǒng)、燃料電池、電力電子裝置、電動機、八葉螺旋槳和其他必要的輔助設(shè)備組成。2021年3月，空客公司透露其從2016年開始建設(shè)電動飛機系統(tǒng)試驗中心，該中心可開展混合電推進系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計集成、電推進子系統(tǒng)集成、替代能源發(fā)電系統(tǒng)（可持續(xù)航空燃料、氫）等技術(shù)的試驗，該設(shè)施目前的核心任務(wù)是ZEROe氫動力飛行器項目。目前，ZEROe項目還停留在概念演示階段，根據(jù)空客公司公布的氫動力飛機發(fā)展時間表，將在2024—2025年完成氫動力相關(guān)技術(shù)的選擇，主要是氫燃料電池推進、氫燃料燃?xì)廨啓C、氫燃料電池+氫燃料燃?xì)廨啓C混合動力，在之后5年內(nèi)完成小尺寸技術(shù)驗證機研制，并啟動全尺寸原型機研制工作，以確保在2030—2035年間，實現(xiàn)100座級以上氫動力客機的商業(yè)化。

德國大力推動氫動力技術(shù)發(fā)展，開展兆瓦級氫動力系統(tǒng)研究

德國聯(lián)邦運輸和數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施部于2021年1月宣布，向氫燃料電池航空電驅(qū)總成項目（BALIS）撥款2600萬歐元，由德國航空航天中心（DLR）牽頭，研制以氫燃料電池為動力的大功率航空電驅(qū)總成（單臺功率不低于1.5MW），用于40 ～60座、1000km航程的支線客機。DLR已經(jīng)在氫能航空技術(shù)領(lǐng)域進行了15年的深入研究，HY4氫燃料電池驗證機項目是其中的代表性成果。該項目于2011年開始研究，2016年9月首飛，后續(xù)不斷升級，2020年11月首次試飛了該機第六代氫燃料電池電驅(qū)總成，該驗證機為4座，最大速度200km/h，電機功率120kW，燃料電池單個電堆功率55kW。目前，DLR正在建設(shè)專用試驗設(shè)施，包括儲氫罐、電機系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等，可滿足航空平臺的要求。

英國資助零排放航空氫電替代動力技術(shù)開發(fā)

2021年3月，英國商業(yè)、能源和工業(yè)戰(zhàn)略部（BEIS）宣布投入8460萬英鎊支持開發(fā)開創(chuàng)性的綠色航空技術(shù)，共支持氫電混動系統(tǒng)（H2GEAR）、HyFlyer二期和電動飛機飛行控制、儲能和推進綜合系統(tǒng)（InCEPTion）3個研發(fā)項目，重點關(guān)注利用氫或電力作為替代動力開發(fā)零排放航空技術(shù)。H2GEAR項目將開發(fā)創(chuàng)新的液氫電動混合推進系統(tǒng)，用于區(qū)域航線飛行，并確?？蓴U至更大型飛機用于更長航線。HyFlyer二期計劃研制50座氫燃料電池支線飛機，目標(biāo)是2026年投入商業(yè)運營，2024年將有19座以下的名為HyFlyer II的氫燃料電池電動飛機首先投入運營，設(shè)計航程560km。InCEPTion項目將開發(fā)全電動零排放推進系統(tǒng)，可用于短途飛行的小型飛機，具備靜音、高效等優(yōu)點。

航空發(fā)動機燃?xì)浼夹g(shù)

目前氫能飛機的動力主要包括氫燃料電池、燃?xì)浒l(fā)動機等，相較于氫燃料電池，燃?xì)浒l(fā)動機的發(fā)展較為緩慢，這跟氫燃料與航空煤油的許多特性的不同有密切關(guān)系，航空發(fā)動機從燃油到燃?xì)?，對結(jié)構(gòu)設(shè)計尤其是燃燒室的設(shè)計帶來了挑戰(zhàn)。20世紀(jì)80年代，蘇聯(lián)便在航空發(fā)動機上使用氫燃料開展了試驗研究，在圖-155飛機上成功測試了NK88雙燃料（煤油和氫）發(fā)動機。20世紀(jì)90年代后，氫能飛機的研究從軍用擴展至民用。2000年，歐盟資助了一項為期兩年的低溫民用飛機項目（CRYPLANE），系統(tǒng)研究了液氫在民用航空亞聲速飛行領(lǐng)域使用液氫的可能性，研究內(nèi)容包括傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)燃?xì)浒l(fā)動機和非傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)燃?xì)浒l(fā)動機。自2000年低溫民用飛機項目后，盡管空客公司在2020年提出了氫能飛機方案，但至今燃?xì)浜娇瞻l(fā)動機的研究未見有重大進展。

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)燃?xì)浒l(fā)動機

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)燃?xì)浜娇瞻l(fā)動機即在不對發(fā)動機結(jié)構(gòu)進行大改的前提下，實現(xiàn)發(fā)動機燃?xì)洹榱颂嵘龤涞臏囟?，突破燃油控制系統(tǒng)極限，同時實現(xiàn)效益最大化，需要采用換熱器。換熱器位置不同，則發(fā)動機結(jié)構(gòu)不同，而在加入換熱器后，發(fā)動機熱力循環(huán)必然發(fā)生變化，需要對一些部件做一些小更改。例如，西班牙學(xué)者科切洛（Corchero）和蒙塔涅斯（Montanes）等人提出了3種方案：在發(fā)動機主流中插入換熱器；從主流中引一部分空氣流經(jīng)換熱器，再從發(fā)動機下游氣動截面返回主流；把換熱器放到外部氣流中，即置于發(fā)動機外部。科切洛等隨后在BR710-48渦扇發(fā)動機上對上述方案進行了試驗，結(jié)果表明，外部換熱器方案具備諸多優(yōu)點，耗油率也低，但是會帶來發(fā)動機結(jié)構(gòu)問題；低壓渦輪出口換熱器方案雖然也具備耗油率優(yōu)勢，但推力損失較大。從發(fā)動機部件匹配工作角度而言，需縮短渦輪半徑，所幸縮短的尺寸在渦輪半徑公差范圍內(nèi)。

非傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)燃?xì)浒l(fā)動機

研究非傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)燃?xì)浒l(fā)動機的機構(gòu)較多，但方案差別不大。例如，英國克蘭菲爾德大學(xué)的博賈 （Boggia）等人在V2527-A5發(fā)動機上研究了3種非傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)燃?xì)浒l(fā)動機方案。

方案一是前冷發(fā)動機。該方案用液氫的吸熱能力冷卻壓氣機空氣，為壓氣機節(jié)省一部分功；另外，材料耐高溫性能基于壓縮空氣的最高溫度，采用中間冷卻可以匹配更高的總壓比，也能提升發(fā)動機性能。以V2527-A5作為基準(zhǔn)發(fā)動機，液氫通過增壓級進口前的換熱器后，可被蒸發(fā)加熱至280K（起飛條件下），核心氣流冷卻近25K。

前冷發(fā)動機方案

方案二是頂端循環(huán)發(fā)動機。該方案包括主渦扇發(fā)動機和頂端回路。來自主發(fā)動機的一部分壓縮空氣從高壓壓氣機引出，進入頂端回路。這部分壓縮空氣先經(jīng)氫—空氣換熱器完成預(yù)冷，然后和所有燃料一起在頂端回路燃燒室內(nèi)富油燃燒，燃?xì)饬鹘?jīng)頂端循環(huán)內(nèi)的渦輪進入主燃燒室，燃?xì)鈨?nèi)的氫與主流空氣摻混，充分燃燒，然后在主發(fā)動機渦輪內(nèi)膨脹。該循環(huán)的主要目的是增大發(fā)動機輸出的凈推力。此外，在給定頂端回路工作介質(zhì)高焓值條件下，增加的渦輪機械的質(zhì)量相對于提取的功率而言并不多。

方案三是高渦輪進口溫度發(fā)動機。就基準(zhǔn)發(fā)動機V2527-A5而言，其冷卻空氣有15%來自壓氣機出口，用于冷卻渦輪導(dǎo)向葉片和高壓渦輪第一級轉(zhuǎn)子，冷卻空氣的溫度越低，則葉片冷卻效果更好，渦輪材料極限溫度相同條件下，渦輪進口溫度就可以越高。在該方案中，在低壓渦輪前額外增加了一個氫—空氣換熱器，液氫首先通過基準(zhǔn)發(fā)動機內(nèi)的主換熱器蒸發(fā)和預(yù)熱，然后流經(jīng)第二個換熱器。讓燃油得到進一步加熱，冷卻空氣的溫度進一步降低。為了進一步開發(fā)渦輪功率，將發(fā)動機的涵道比從4.8 : 1增至6.5 : 1。為了驅(qū)動更大的風(fēng)扇，額外增加了兩級低壓渦輪。

試驗結(jié)果表明，運用液氫燃料的吸熱能力可有效提升發(fā)動機性能，降低發(fā)動機運行成本。其中，方案一、方案三可節(jié)省約3%的運行成本，而且不需要額外增加渦輪機械，在技術(shù)上可行，從安全的角度也是可以實施的。

燃機燃?xì)浼夹g(shù)

燃機的技術(shù)與航空發(fā)動機相似，部分燃機由航空發(fā)動機衍生發(fā)展而來，其燃?xì)浼夹g(shù)對航空發(fā)動機燃燒室等部件的設(shè)計有一定的借鑒意義。目前，西門子和GE等公司都在進行燃機燃?xì)浼夹g(shù)研究，其中西門子公司采用干低排放燃燒室（DLE）技術(shù)和濕低排放燃燒室（WLE）技術(shù)，目標(biāo)是實現(xiàn)百分之百燃?xì)?。DLE燃燒系統(tǒng)一般采用渦流穩(wěn)定火焰結(jié)合貧油預(yù)混在不稀釋燃料的前提下實現(xiàn)低NOx排放，非DLE燃燒技術(shù)則采用擴散火焰或部分預(yù)混火焰。

頂端循環(huán)發(fā)動機方案

高渦輪進口溫度發(fā)動機方案

SGT-A65和A45非DLE燃燒系統(tǒng)

西門子大型燃機SGT5/6-2000E和SGT5/6-4000F采用HR3火焰筒設(shè)計?；诨旌匣鹧嫱哺拍?，HR3采用中央導(dǎo)向旋流器和同心對角旋流器，通過旋流器葉片（SFI）注入燃?xì)?。SGT5/6-5000F和SGT5/6-8000F燃機則采用超低NOx平臺燃燒系統(tǒng)（ULN/PCS），該系統(tǒng)將SFI技術(shù)與預(yù)混導(dǎo)向和同心布局主旋流器集成在一起，可以適應(yīng)從純天然氣到氫含量達(dá)到30%體積的混合燃?xì)?，目?biāo)是2030年實現(xiàn)百分之百燃?xì)洹Ｖ行腿紮CSGT-750燃機配備結(jié)合中央導(dǎo)流預(yù)混和徑向主旋流器的第4代DLE火焰筒，試驗表明SGT-750燃機最高可使用氫體積含量為40%的混合燃料。航空發(fā)動機衍生燃機SGT-A35和SGT-A65采用軸向分級DLE火焰筒（第一級采用徑向旋流器，第二級采用位于軸向下游的非旋流預(yù)混管道），目前這兩型燃機的燃料氫體積含量最高達(dá)到了15%。

西門子航空發(fā)動機衍生燃機的非DLE系統(tǒng)改良自航空發(fā)動機應(yīng)用，可以在氣態(tài)和液態(tài)燃料之間切換，通過注水降低火焰溫度的方式降低NOx排放。SGT-A65和SGT-A45采用第五代燃燒系統(tǒng)，而SGT-A35采用第二代燃燒系統(tǒng)。以上3種非DLE燃機都具備燃燒純氫燃料的能力。

儲氫技術(shù)

氫的能量密度接近40kW·h/kg，是傳統(tǒng)汽油的近3倍，而且其燃燒產(chǎn)物為水，對環(huán)境無污染。但是氫作為飛機燃料，也存在一些缺點，如體積密度小和易燃易爆導(dǎo)致的儲運困難。相較于傳統(tǒng)航空燃油，液氫燃料需要額外占據(jù)3倍體積，壓縮氫氣則需要額外占據(jù)5倍體積。目前氫能儲存技術(shù)主要有以下幾種：高壓儲氫、液化儲氫、固態(tài)儲氫和有機氫化物儲氫。

高壓儲存室是應(yīng)用最廣的一種儲存方式，通常采用氣瓶作為容器。由于氫密度小、儲氫效率低，故需加大壓力來提高攜氫量，但加壓有可能導(dǎo)致氫分子從容器壁溢出或產(chǎn)生氫脆現(xiàn)象。

將溫度降至-253℃以下，可以實現(xiàn)液態(tài)儲氫，這種儲存方式體積儲氫密度高，適合于航空應(yīng)用。但長時間存放會出現(xiàn)氫氣排盡現(xiàn)象，且因為液氫儲存溫度低，需要復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)和高度絕緣的球形或緊湊圓柱體儲罐，導(dǎo)致整個燃料系統(tǒng)的質(zhì)量能量密度下降。另外，傳統(tǒng)機翼油箱無法采用，需要引入革命性機體設(shè)計思路，如翼身融合結(jié)構(gòu)或分布式氫燃料電池推進系統(tǒng)。

通過氫氣與材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或者物理吸附將氫儲存于固體材料中可實現(xiàn)固體儲氫，具有體積儲氫密度高、儲氫壓力低、結(jié)構(gòu)緊湊、安全性高和氫氣純度高等優(yōu)點，缺點是質(zhì)量儲氫密度低和成本高。目前常用的儲氫材料主要為不飽和芳烴與對應(yīng)氧化物（環(huán)烷烴），可以在不破壞碳環(huán)的主體結(jié)構(gòu)下加氫和脫氫，反應(yīng)可逆，具有儲存密度高、安全和儲運方便的優(yōu)點，在規(guī)模化儲運氫方面有廣闊的發(fā)展前景，但同時也存在工藝復(fù)雜、釋氫效率低等不足。

結(jié)束語

在減排壓力下，世界各國都在尋求以氫作為綠色航空的出路，計劃在2035年左右實現(xiàn)氫能飛機的商業(yè)化。目前，對氫燃料電池方案的探索比較多，功率水平大概在100kW級左右，載客量為10座以下，應(yīng)用對象為通用飛機，更大載客量（如幾十座）的支線飛機，則需要幾百千瓦至兆瓦級的燃料電池。只有空客公司計劃研究氫能渦扇和渦槳混合動力方案，但也并未完全確定其氫能飛機到底是采用氫燃料電池還是燃?xì)浒l(fā)動機作為動力。另外，不管是氫燃料電池還是燃?xì)浒l(fā)動機，都繞不開氫儲存的難題，目前，空客公司提出的翼身融合方案和以推進吊艙為特征的分布式氫推進系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或許能在一定程度上解決氫在飛機上儲存難的問題。