2022航空氫動力研發(fā)進展

2022年度，氫能航空相關(guān)的研發(fā)活動顯著增強，包括航空氫動力、機載儲氫、液氫分配系統(tǒng)和機場氫能基礎(chǔ)設(shè)施等方面，而航空氫動力的研發(fā)主要集中在氫渦輪動力和氫燃料電池動力兩個方向，未來兩者亦可進一步組成混合動力。

為積極應(yīng)對氣候變化，全球超過140個國家和地區(qū)提出了“雙碳”目標(biāo)。2022年10月，國際民航組織（ICAO）在第 41 屆會員大會上確定了航空業(yè)的長期氣候目標(biāo)：2050年前實現(xiàn)國際航空業(yè)務(wù)的凈零碳排放。在此背景下，航空氫動力技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用受到了各國的高度重視。在航空業(yè)的碳排放中，由航空煤油燃燒產(chǎn)生的占了79%，因而航空動力的減碳創(chuàng)新發(fā)展是航空領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵，氫能源以其零碳排放的特性吸引了航空業(yè)界的廣泛關(guān)注，并在2022年取得了進展。

氫渦輪動力

氫渦輪動力適用于支線飛機及中大型飛機，參與者以傳統(tǒng)航空動力巨頭為主，通過對傳統(tǒng)渦輪發(fā)動機改進設(shè)計，包括燃燒室、燃料系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等，使用氫燃料替代現(xiàn)用的航空煤油以形成新的動力系統(tǒng)，預(yù)計于2035年后投入使用。

空客組建氫生態(tài)系統(tǒng)

空客公司全面布局氫能航空，聯(lián)手CFM國際公司、GE公司和賽峰集團研發(fā)氫渦輪動力技術(shù)?？湛凸驹O(shè)立專門的團隊與氫能行業(yè)利益相關(guān)者合作構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)：與歐美多國的機場運營商合作并著手建設(shè)氫動力飛機運營所需的基礎(chǔ)設(shè)施，包括與阿麗亞娜集團（Ariane Group）合作在圖盧茲布拉尼亞克機場建造的首座液氫加注站將于2025年投入使用；空客公司在西班牙、法國、德國和英國設(shè)立零排放開發(fā)中心（ZEDC）以研發(fā)氫能技術(shù)，已建造出首個機載液氫儲罐，并準(zhǔn)備使用改裝的滑翔機（配裝TJ-100渦噴發(fā)動機）進行氫氣燃燒對尾跡特性的影響研究；與CFM國際公司合作改造GE的“通行證”（Passport）發(fā)動機，并準(zhǔn)備在A380 MSN1測試飛機上開展燃氫試驗，氫儲罐、液氫分配系統(tǒng)和氫渦輪動力等組件在完成地面測試后，將于2026年年底之前開始飛行測試，目標(biāo)是2035年投入使用。

賽峰集團、大合（Daher）公司、液化空氣（Air Liquide）集團、 渦輪技術(shù)（Turbotech）發(fā)動機公司和Elixir飛機公司聯(lián)合研制的BeautHyFuel液氫飛機驗證機項目，獲得法國政府疫情經(jīng)濟復(fù)蘇計劃360萬歐元資助。該項目的驗證機基于Elixir飛機公司的單發(fā)雙座飛機進行改裝，安裝渦輪技術(shù)發(fā)動機公司的103kW的TP-90小型渦槳發(fā)動機，計劃2023年開始試飛。賽峰集團將為渦輪發(fā)動機使用液氫燃料提供技術(shù)支持，液化空氣集團負責(zé)研制液氫儲罐，大合公司提供整機系統(tǒng)集成的技術(shù)支持。

此外，GE公司的燃氣輪機摻氫燃燒累計運行超過800萬h，航改燃機和重型燃機都采用過氫氣作為燃料，其最先進的HA級燃機機組已具備50%摻氫燃燒的能力，并計劃在2030年前提高到100%，可為航空氫渦輪動力的研發(fā)提供相關(guān)經(jīng)驗。

羅羅積極推進氫動力設(shè)計和測試

羅羅公司在歐盟清潔航空聯(lián)合行動（CAJU）中主導(dǎo)了新型氫燃料發(fā)動機結(jié)構(gòu)設(shè)計（HEAVEN）項目和氫動力飛機與發(fā)動機的一體化設(shè)計與演示（CAVENDISH）項目。2022年6月，羅羅公司宣布正在收購德國赫勒電解槽（Hoeller Electrolyzer）公司54%的股權(quán)，以支持其新的mtu系列電解槽項目；2022年11月，羅羅公司使用改進的AE2100渦槳發(fā)動機完成了液氫燃料運行的地面測試，后續(xù)還將使用“珍珠”15發(fā)動機進行全尺寸地面測試。

普惠另辟蹊徑發(fā)展HySIITE項目

普惠公司獲得美國能源部氫蒸汽噴射間冷渦輪發(fā)動機（HySIITE）項目提供的380萬美元資金支持，將氫渦輪動力與蒸汽注入/回收系統(tǒng)集成，利用低溫液氫（約-253℃）來實現(xiàn)水的回收和蒸汽注入過程，能夠減少系統(tǒng)所需的換熱器的尺寸和質(zhì)量，實現(xiàn)零碳排放并最高減少80%的氮氧化物排放和35%的燃料消耗。項目為期24個月，研究側(cè)重于綜合系統(tǒng)評估、概念部件設(shè)計和部件可行性測試，預(yù)計于2035年之后投入使用，取決于配裝飛機的開發(fā)以及機場氫運輸?shù)幕A(chǔ)設(shè)施。

羅羅在AE2100渦槳發(fā)動機上完成液氫燃料試驗

更多的零碳項目

英國航空航天技術(shù)研究院（ATI）發(fā)布了《英國航空零碳排放愿景》并公布了零碳飛行（FlyZero）項目，論證了氫動力航空的可行性及諸多領(lǐng)域的技術(shù)路線圖，提出了2050年前氫燃料電池動力支線飛機、氫渦輪動力窄體飛機與中型寬體飛機的設(shè)計概念。FlyZero項目確定了13項關(guān)鍵技術(shù)，其中6項與氫動力飛機有關(guān)，包括氫渦輪動力、低溫燃料和儲存系統(tǒng)、氫燃料電池、熱管理、電力推進系統(tǒng)和空氣動力學(xué)結(jié)構(gòu)。

日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)（JAXA）宣布與文部科學(xué)省、川崎重工（KHI）等合作研發(fā)氫渦輪動力、液氫儲罐、氫動力飛機機體結(jié)構(gòu)檢查等技術(shù)，項目為期10年，由KHI主導(dǎo)、新能源和工業(yè)發(fā)展組織（NEDO）的綠色創(chuàng)新基金提供資助。

歐盟清潔天空2（Clean Sky 2）計劃中的LEAFINNOX項目擬開發(fā)航空用純氫燃燒室；歐洲地平線（Horizon Europe）計劃中的Overleaf項目擬開發(fā)新型低壓低溫液氫儲罐，項目于2022年5月啟動，為期3年，由西班牙Aciturri工程公司牽頭，參與者為來自6個歐洲國家的10家企業(yè)。

普惠公司的氫蒸汽噴射間冷渦輪發(fā)動機方案

氫燃料電池動力

氫燃料電池動力適用于支線及以下的小型飛機，傳統(tǒng)航空動力領(lǐng)域外的大量公司和機構(gòu)積極涌入。氫燃料電池使用機載儲氫和空氣中的氧氣，利用化學(xué)能發(fā)出直流電，逆變器將其轉(zhuǎn)換為交流電，電機驅(qū)動減速齒輪進而帶動風(fēng)扇/螺旋槳/旋翼產(chǎn)生動力，有望2030年前在部分小型飛機上投入使用。

空客自行研發(fā)動力系統(tǒng)

2022年11月30日，空客公司首次展出氫燃料電池動力概念，并計劃自行研發(fā)兆瓦級動力?？湛凸九c愛爾鈴克鈴爾公司（ElringKlinger）成立合資公司Aerostack，以研發(fā)氫燃料電池系統(tǒng)，目前正在評估首個氫燃料電池組原型；與歐洲粒子物理實驗室（CERN）合作探索使用液氫冷卻的低溫超導(dǎo)動力系統(tǒng)，考慮未來將氫燃料電池動力與氫渦輪動力組成混合動力系統(tǒng)，計劃于2026年左右對氫燃料電池動力進行地面和飛行試驗。同時，在完成氫渦輪動力的飛行試驗后，空客公司將于2027—2028年做出氫能支線飛機的動力配置決定，目標(biāo)是2035年投入使用。

空客公司的氫燃料電池動力

DLR牽頭引領(lǐng)德國氫動力發(fā)展

德國航空航天中心（DLR）牽頭 開 展328H2-FC項 目，H2FLY公司、德國飛機公司、代傲（Diehl）航空公司和其他6家合作伙伴參與，開發(fā)1.5MW的氫燃料電池系統(tǒng)，并改裝一架多尼爾328飛機。改裝工作涉及動力系統(tǒng)的電氣化和燃料電池系統(tǒng)的集成，包括冷卻系統(tǒng)和液氫罐，使其成為符合歐洲航空安全局（EASA）適航要求的驗證機，預(yù)計2025 年首飛，為未來40座的支線飛機奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

MTU公司發(fā)布飛行燃料電池（FFC）概念，即氫燃料電池動力，并預(yù)計在2035年用于短途通勤飛機和支線飛機，2050 年應(yīng)用于中短途商用飛機，相關(guān)研發(fā)支出占MTU公司總研發(fā)支出的20%～25%。MTU公司計劃與DLR合作，在多尼爾228飛機上開展氫燃料電池動力的飛行測試（替換兩臺渦槳發(fā)動機中的1臺），并將與EASA合作制定FFC相關(guān)的適航條例。

德國初創(chuàng)公司H2FLY的4座HY4氫燃料電池動力客機于2022年4月，在兩個商業(yè)機場之間完成首飛，距離達123km，首飛燃料采用了氣態(tài)氫（未來改為液態(tài)氫），2023年年初將開始嚴格的地面測試。H2FLY公司同時還為AVIO公司的混合電推進驗證機“琥珀”（Amber），提供兆瓦級燃料電池系統(tǒng)以及相應(yīng)的架構(gòu)、接口和燃料電池控制。AVIO公司于2022年12月獲得了3400萬歐元，用于結(jié)合氫燃料電池和“催化劑”（Catalyst）渦槳發(fā)動機，進行混合電推進系統(tǒng)的技術(shù)演示。

吉凱恩公司的采用氫燃料電池動力的小型地面演示驗證飛機

吉凱恩全面布局氫燃料電池

英國吉凱恩（GKN）公司于2022年牽頭開展了H2GEAR項目（6476萬美元預(yù)算，為期5年），目前正在開發(fā)用于19座支線客機的1 ～2MW的低溫液氫燃料電池動力系統(tǒng)，預(yù)計2026年投入使用。2022年8月，吉凱恩公司與菲爾頓系統(tǒng)工程（FSE）公司、新西蘭Fabrum 公司建立合作關(guān)系以開發(fā)液氫燃料基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)。2022年11月，吉凱恩公司交付首個采用氫燃料電池動力的小型地面演示驗證飛機，并驗證了液氫燃料系統(tǒng)。2022年12月，吉凱恩公司與初創(chuàng)機構(gòu)先進推進研發(fā)中心（IAAPS）建立合作關(guān)系，以研發(fā)使用質(zhì)子交換膜（PEM）氫燃料電池的兆瓦級低溫電驅(qū)動系統(tǒng)，IAAPS將提供綜合測試和驗證，包括綠色氫燃料生產(chǎn)、液氫儲存設(shè)施、混合氫和電力架構(gòu)的組件和系統(tǒng)級測試，并推動對氣態(tài)和液態(tài)氫輸送基礎(chǔ)設(shè)施的投資，以及低溫冷卻系統(tǒng)的開發(fā)。

荷蘭欲借機重建飛機工業(yè)

荷蘭聯(lián)合體（Dutch Consortium）計劃開發(fā)用于40 ～80座支線飛機（航程750km）的氫燃料電池動力系統(tǒng)，也可用于更大的零排放飛機，目標(biāo)是2025年試飛，2028年投入使用。該計劃名為“氫能飛機動力總成和存儲系統(tǒng)”（HAPPS），獲得荷蘭政府1億歐元的資金支持，由荷蘭創(chuàng)新中心牽頭，成員涉及17家公司、荷蘭政府和荷蘭航空航天中心（NLR），該計劃的一個重要目標(biāo)是重建荷蘭商用飛機工業(yè)。

ZeroAvia開發(fā)多型氫燃料電池動力系統(tǒng)

美國ZeroAvia公司為14座賽斯納208B飛機開發(fā)了一套600kW的ZA600型氫燃料電池動力系統(tǒng)，該系統(tǒng)于2022年12月獲得英國民航局（CAA）頒發(fā)的飛行許可證。ZA600配裝多尼爾228飛機于2023年年初完成了首飛，預(yù)計于2023年年底前提交ZA600動力總成的生產(chǎn)合格配置以供認證，2025年完成FAA認證；其2 ～5MW的ZA2000型氫燃料電池動力系統(tǒng)能與40 ～90座的渦槳飛機兼容，預(yù)計于2030年前上市。

通用氫能打造試驗臺

美國初創(chuàng)公司通用氫能（Universal Hydrogen） 于2022年 建 成 了 一 個1MW鐵鳥試驗臺，用于對氫燃料電池動力進行地面測試。通用氫能公司正在針對支線飛機開發(fā)氫燃料電池動力改裝套件，將用于ATR72和“沖”8（Dash 8）飛機的改裝，計劃于2025年獲得首個美國聯(lián)邦航空局（FAA）的補充型號合格證（STC），并交付第一架改裝的ATR飛機。與此同時，該公司也在構(gòu)建可擴展的綠色氫燃料物流系統(tǒng)，將其模塊化儲罐從生產(chǎn)中心運輸?shù)綑C場。

其他研究進展

巴西航空工業(yè)公司2022年12月更新了Energia系列飛機概念設(shè)計，Energia氫燃料電池飛機采用氫燃料電池推進、后置電動機以及19 座和30座兩種構(gòu)型，相關(guān)技術(shù)于2035年就緒。

美國Hydroplane公司獲得美空軍75萬美元的合同，以驗證氫燃料電池動力裝置，計劃2023年配裝派珀公司輕型飛機試飛；同時其正在開發(fā)一種200kW的氫燃料電池動力，以取代廣泛用于通航飛機的活塞式發(fā)動機。

新加坡H3動力公司于2022年1月完成了氫燃料電池動力無人機的風(fēng) 洞 測 試；2022年11月 在25kg級無人機平臺上首次成功測試了分布式氫燃料電池動力短艙；2022年12月宣布與澳大利亞Carbonix公司合作開發(fā)氫能電動垂直起降（eVTOL）無人機。

俄羅斯中央航空發(fā)動機研究院（CIAM）開展了基于氫燃料電池的飛機混合動力裝置（HPU）的研究工作。

ZeroAvia基于多尼爾228飛機改裝的ZA600氫燃料電池動力驗證機

結(jié)束語

氫能在航空領(lǐng)域的應(yīng)用愈發(fā)引起業(yè)界重視，但仍面臨者諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，2022年相關(guān)研發(fā)活動顯著增強。從研發(fā)布局角度來看，歐洲企業(yè)、研究機構(gòu)及政府對航空氫動力的研發(fā)非常積極，以商業(yè)應(yīng)用為目標(biāo)開展了全產(chǎn)業(yè)鏈布局，其中以空客最具代表性；美國企業(yè)則對氫能持較為謹慎的態(tài)度，但也開展了部分技術(shù)探索與研發(fā)。從技術(shù)創(chuàng)新角度來看，氫渦輪動力主要技術(shù)瓶頸在于機械領(lǐng)域，主要研發(fā)力量仍為傳統(tǒng)航空動力巨頭；氫燃料電池動力主要技術(shù)瓶頸在于化學(xué)和電力領(lǐng)域，與傳統(tǒng)航空動力關(guān)聯(lián)不大。從產(chǎn)業(yè)影響角度來看，氫渦輪動力的突破有利于加強傳統(tǒng)航空動力企業(yè)在產(chǎn)業(yè)鏈中的龍頭作用；氫燃料電池動力則與傳統(tǒng)航空動力關(guān)聯(lián)度不高，一旦獲得突破，或?qū)ΜF(xiàn)有產(chǎn)業(yè)鏈造成顛覆性影響。