氫能飛機蓄勢待發(fā)

■ 羅彧/中國航發(fā)研究院

氫是實現(xiàn)凈零碳排放目標最具前景的動力能源和技術創(chuàng)新點，與氫能飛機相關的技術和產(chǎn)品的發(fā)展與應用已引起廣泛關注，航空業(yè)面臨的不是發(fā)不發(fā)展，而是如何發(fā)展以及如何快速發(fā)展的問題。

氫具有良好的燃燒特性，拓展了貧油燃燒邊界，在消耗同等空氣量時，所需要的氫燃料少于其他燃料，還可以降低燃燒溫度，減少氮氧化物排放。氫的自燃溫度高，與碳氫發(fā)動機相比，氫燃料發(fā)動機的高自燃溫度使其具有更高的壓縮比，而壓縮比越高，熱效率越高，損失的能量越小。鑒于氫能的優(yōu)良特性，航空業(yè)對氫能的關注度也越來越高。為了達成2050年凈零碳排放目標，獲取零碳飛行技術和市場的制高點和先發(fā)優(yōu)勢，近年來業(yè)界正積極謀劃氫能動力系統(tǒng)及飛機的發(fā)展。

氫能動力的發(fā)展

美國HyPoint公司推出創(chuàng)新的渦輪冷卻氫燃料電池

2021年3月，美國初創(chuàng)公司HyPoint推出了一型渦輪空冷（TAC）氫燃料電池動力系統(tǒng)原型機，既可為包括支線飛機在內的電動飛機提供動力，也可替換現(xiàn)有支線飛機的渦槳發(fā)動機。

HyPoint 公司的渦輪冷卻氫燃料電池

HyPoint公司推出的TAC氫燃料電池的功率密度是現(xiàn)有液冷燃料電池的3倍，能量密度是現(xiàn)有鋰離子電池的5倍。動力系統(tǒng)融合了高溫質子交換膜（HTPEM）燃料電池、空氣冷卻及渦輪增壓等3種技術以改善性能。TAC氫燃料電池較液體冷卻系統(tǒng)質量更輕、結構更簡單，通過燃料電池組循環(huán)高壓空氣并重復循環(huán)排氣提高了功率輸出。公司對400W的原型機開展了大量試驗，在此基礎上，預計TAC HTPEM燃料電池動力系統(tǒng)初始原型機的能量密度可達1000W·h/kg，而鋰電池的能量密度為200W·h/kg，功率密度為2000W/kg，液體冷卻的低溫質子交換膜（LTPEM）功率密度僅為700W/kg。HyPoint公司預計從2022年開始向開發(fā)電動飛機的客戶交付全尺寸動力系統(tǒng)。

2021年10月，HyPoint公司與德國巴斯夫（BASF）公司開展合作，開發(fā)下一代TAC HTPEM燃料電池，采用增強力學性能的新型質子交換膜，可以在更高的溫度和壓差環(huán)境下運行。兩家公司還將共同開發(fā)一種新的膜電極組件（MEA），將TAC HTPEM燃料電池的功率密度提高到3000W/kg，進而減輕33%的質量。下一代TAC HTPEM燃料電池計劃于2024年中期向顧客交付。

英國吉凱恩公司開展的氫能推進項目

2021年年初，英國啟動了氫電混合動力系統(tǒng)（H2GEAR）項目，周期為5年，由吉凱恩（GKN）公司牽頭，開發(fā)一種新的氫燃料電池動力系統(tǒng)，初期目標是用于19座通勤飛機，最終將擴展到70～90座支線客機。

2021年7月，瑞典國家合作項目氫燃料發(fā)動機（H2JET）項目啟動，周期為2年，由GKN公司牽頭，目的是為氫燃料中程民用飛機推進系統(tǒng)的3個重要發(fā)動機子系統(tǒng)開發(fā)技術解決方案，研究用于單通道客機的氫燃料渦槳發(fā)動機和渦扇發(fā)動機。

2021年10月，GKN公司和瑞典皇家理工學院（KTH）又啟動了為期18個月的EleFanT項目，研究可用于電池、氫燃料電池或更傳統(tǒng)的混合電推進系統(tǒng)。與傳統(tǒng)螺旋槳推進相比，涵道風扇安全性更高、噪聲更低、安裝發(fā)動機更便捷。

H2GEAR項目氫動力系統(tǒng)

H2JET項目氫燃料渦扇發(fā)動機

EleFanT項目兆瓦級電動涵道風扇

H2GEAR項目將在2022年進入詳細設計階段，最早將于2026年投入使用。H2JET項目的目標是2035年在歐洲航線上投入使用。

德國開發(fā)兆瓦級氫燃料電池推進系統(tǒng)

德國政府為了發(fā)展氫動力技術，建立了國家氫燃料電池技術組織（NOW），由德國聯(lián)邦交通部投資開展國家氫燃料電池創(chuàng)新技術（NIP）項目。2021年1月，德國航空航天中心（DLR）啟動氫燃料電池推進系統(tǒng)項目（BALIS），項目將持續(xù)到2023年7月，目標是將燃料電池功率提高到1.5MW，為40～60座、航程為1000km的支線飛機提供動力，也可用于大型車輛、火車、船舶等平臺。

2021年10月，DLR在德國南部恩普芬根動工建設氫燃料電池推進系統(tǒng)試驗場，用于支線客機1.5MW的氫燃料電池推進系統(tǒng)進行地面測試，并將展示完整的動力系統(tǒng)及其配套基礎設施，包括氫罐、燃料電池、電動機、控制和調節(jié)系統(tǒng)。試驗場的調試計劃于2022年秋季開始，其中燃料電池和電動機計劃最早于2023年年初做好準備，DLR預計在2024—2025年進行完整系統(tǒng)的測試。

DLR氫動力系統(tǒng)在飛機上的布局和氫動力試驗場布局

空客超導電動總成系統(tǒng)架構

空客啟動先進超導和低溫電驅驗證項目

2021年4月，空客公司啟動了先進超導和低溫動力總成系統(tǒng)演示器（ASCEND）項目，計劃在3年內研制一套500kW通用超導航空電驅動總成驗證系統(tǒng)。

ASCEND項目開發(fā)的超導電驅動系統(tǒng)將結合液氫冷卻和超導技術演示純電/混合電推進，探索超導材料和低溫系統(tǒng)對飛機電力推進系統(tǒng)性能的影響。其中，液氫只用于冷卻，而不作為燃料。項目開發(fā)的超導系統(tǒng)不是服務于某個特定機型，而是證明超導電驅技術應用的可行性和潛力，其開發(fā)的動力模塊可以從千瓦級放大到兆瓦級的功率水平，供空客公司在不同的飛機研究中使用。

ASCEND項目第一階段動力總成系統(tǒng)測試預計在2023年年底完成；在2024—2025年的第二階段將開發(fā)針對飛機的技術和目標飛機的動力總成；2026—2028年的第三階段將進行動力總成的飛行測試。

空客與CFM開展氫動力示范項目

2022年2月22日，空客公司與CFM國際公司簽署合作協(xié)議，雙方將于2025年前后共同啟動一項氫動力示范項目，將用一架A380作為飛行測試平臺，對氫燃料發(fā)動機進行地面和飛行測試，為2035年前將一型零排放飛機投入使用做好準備。

該示范項目選用GE公司的“通行證”（Passport）發(fā)動機，由CFM國際公司負責對Passport發(fā)動機的燃燒室、燃料系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進行改裝，并完成一系列的地面測試?？湛凸矩撠煂380飛行平臺進行改裝，提供液氫罐，提出對氫推進系統(tǒng)的要求，并在A380巡航階段對氫燃料發(fā)動機進行測試。

Passport發(fā)動機安裝在A380測試飛機后機體尾部，便于將為A380提供動力的發(fā)動機和Passport發(fā)動機進行分開獨立測試，測試用的4個液氫罐也安排在A380后機體中。

氫能飛機發(fā)展

空客的ZEROe氫動力概念飛機

2020年9月21日，空客公司發(fā)布了3個號稱能改變游戲規(guī)則的未來飛機概念，稱作ZEROe。這些飛機概念均采用氫燃料渦輪發(fā)動機和氫燃料電池組合，形成一個高效的混合電推進系統(tǒng)。

其中的渦扇飛機由兩臺混合氫燃料渦扇發(fā)動機提供動力，液態(tài)氫燃料的存儲和分配系統(tǒng)位于機體后增壓艙。渦槳飛機由兩臺混合氫燃料渦槳發(fā)動機驅動6槳葉螺旋槳產(chǎn)生推力，與渦扇飛機類似，液態(tài)氫燃料的存儲和分配系統(tǒng)也位于機體后增壓艙。翼身融合體（BWB）飛機由兩臺混合氫燃料渦扇發(fā)動機提供推力，具有非常寬敞的內部空間，為液態(tài)氫燃料的存儲和分配提供了多種選擇。如果氫燃料技術能以預期的速度發(fā)展，空客公司預計首款零污染飛機將于2035年投入商業(yè)運營。

A380飛機氫動力示范項目

ATI推出氫能客機概念

2021年12月6日，英國航空航天技術研究院（ATI）發(fā)布了FlyZero液氫動力遠程中型飛機概念。2022年1月26日，ATI又發(fā)布了FlyZero液氫動力支線飛機概念。2022年3月14日，ATI發(fā)布了包括窄體客機在內的3種氫動力概念的詳細方案。FlyZero項目的目標是在2030年前成功研制凈零碳排放飛機。ATI發(fā)布的支線、窄體和中型客機概念圖和信息提供了詳細的方案預覽，確定研究的技術包括：無燃料箱機翼（干機翼）、液氫罐、低溫燃料系統(tǒng)、燃料電池和電力系統(tǒng)，以及氫燃料發(fā)動機。

ATI發(fā)布的3種氫能飛機

FlyZero中型飛機的翼展為54m，采用兩臺氫燃料渦扇發(fā)動機，可載客279人，航程為9723km。液氫燃料儲存在后機體的一對液氫罐和機體前部兩側的兩個較小的液氫罐中，存儲溫度為-253℃。

空客的ZEROe氫動力概念飛機

FlyZero液氫動力支線飛機可載客75人，巡航速度為325km/h，航程為1482km，可從倫敦飛到羅馬，比目前同級別的渦槳支線飛機航程更遠。液氫燃料儲存在低溫燃料箱中，存儲溫度為-253℃，位于機體尾部燃料電池系統(tǒng)旁邊。機翼上有6個短艙（每側機翼3個），每個短艙里包含電動機、電力電子設備和用作燃料電池熱管理系統(tǒng)的熱交換器。配電系統(tǒng)將電力輸送到機翼上的6個短艙帶動電動螺旋槳產(chǎn)生動力。

其他在研氫動力飛機

德國飛機公司正在恢復40座多尼爾D328渦槳支線飛機的生產(chǎn)，復產(chǎn)型號為多尼爾D328eco，動力采用氫燃料電池，并與燃料電池專業(yè)公司H2Fly、通用氫能公司合作，探索開發(fā)液氫燃料的潛力，該驗證機將在2025年開始飛行測試。

DLR已經(jīng)與德國MTU公司合作開發(fā)500kW的燃料電池動力系統(tǒng)，以代替19座多尼爾D228飛機一側的渦槳發(fā)動機，將其用作氫能飛行測試平臺，計劃于2026年首飛。

多尼爾D328eco氫燃料電池動力飛機

通用氫能公司還在為加拿大德·哈維蘭公司40座“沖” 8-300支線飛機開發(fā)氫燃料電池推進系統(tǒng)，包括一個1.6MW的推進電動機和一個用于驅動附件的350kW電動機，新推進系統(tǒng)將取代飛機原有的PW123渦槳發(fā)動機。新的氫動力“沖” 8計劃于2025年投入市場。

初創(chuàng)公司ZeroAvia正在開發(fā)600kW級的燃料電池推進系統(tǒng)，并對19座多尼爾D228飛機進行改裝。在英國政府的資助下，ZeroAvia公司計劃在2023年1月進行560km的演示飛行，并在2023年年底前通過系統(tǒng)認證并做好入市準備。

多尼爾D228飛機

氫能技術發(fā)展展望

在氫燃料電池技術方面，質子交換膜（PEM）是應該重點關注的技術。目前，鋰離子電池的能量密度限制和氫燃料電池的特定功率限制影響了零排放航空的發(fā)展，但美國HyPoint公司推出的TAC氫燃料電池概念則突破了傳統(tǒng)氫燃料電池的限制，其功率密度和能量密度都遠遠超過了目前的鋰離子電池和傳統(tǒng)氫燃料電池，達到了滿足商業(yè)旅行的水平，這其中的關鍵就是PEM技術。而ATI將PEM技術確定為可能促進英國航空市場份額和就業(yè)機會增長、保持航空領先地位的關鍵技術之一。

氫能飛機所涉及的眾多飛機和動力系統(tǒng)相關的新構型和新技術需要突破，而干機翼、燃料電池技術和氫渦輪發(fā)動機則是需要重點突破的綱領性技術，正如ATI在最新的研究報告《英國在零碳飛機技術方面的能力》中強調，干機翼、燃料電池技術和氫燃料發(fā)動機是英國應該重點投資的領域，以確保增加全球市場份額和就業(yè)機會，相關的研究成果將有助于塑造全球航空業(yè)的未來。

結束語

綜上可以看出，氫能動力和飛機呈現(xiàn)出多樣化的發(fā)展態(tài)勢，涉及產(chǎn)業(yè)眾多。從目前發(fā)展態(tài)勢判斷，2025年前后，將迎來氫能飛機投入市場的初始浪潮；之后一直到2035年前后，各種氫能動力系統(tǒng)及氫能飛機將迎來快速發(fā)展期，支線、干線和中型飛機將可能有眾多機型投入市場。自此，氫能飛機也將進入高速發(fā)展期。