氫燃料通用航空器發(fā)展及飛行安全問題探討

趙國(guó)棟，徐悅，朱海濤，段辰龍，劉志君

1.中國(guó)航空研究院，北京 100012

2.北京航空航天大學(xué)，北京 100191

氣候變化是當(dāng)今國(guó)際廣泛關(guān)注的全球性議題，近年來(lái)我國(guó)提出了碳達(dá)峰、碳中和的雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)，旨在2060 年全面建立綠色低碳循環(huán)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)體系和清潔低碳安全高效的能源體系。航空運(yùn)輸作為全球經(jīng)濟(jì)活動(dòng)不可或缺的一環(huán)，碳排放總量多年居高不下，占全球交通運(yùn)輸總碳排放量的10%以上[1]。根據(jù)國(guó)際航空的有關(guān)分析，如果不采取更加強(qiáng)有力的行動(dòng)，全球航空運(yùn)輸業(yè)的碳排放量將在2050 年達(dá)到11×108～18.5×108t[2]，是2019 年6×108t 碳排放水平的2～3 倍，降低航空運(yùn)輸碳排放、推廣使用清潔綠色的航空替代燃料迫在眉睫。

為了降低航空運(yùn)輸對(duì)環(huán)境的影響，大力發(fā)展綠色低碳航空，國(guó)際民航組織ICAO）提出了國(guó)際航空碳抵消和減排計(jì)劃（CORSIA），該計(jì)劃中的航空運(yùn)營(yíng)商可以通過(guò)碳抵消項(xiàng)目或使用符合CORSIA 標(biāo)準(zhǔn)的低碳或可持續(xù)航空燃料（SAF）來(lái)抵消或降低超過(guò)排放基準(zhǔn)的碳增長(zhǎng)。碳抵消路線作為CORSIA 的一部分，其有效性多年來(lái)備受質(zhì)疑[3-5]，而研發(fā)新技術(shù)無(wú)疑是從根本上解決航空碳排放問題的最佳方式，使用可持續(xù)能源、利用氫能源等直接減排路線成為綠色航空的必經(jīng)之路，其中以氫能源為代表的清潔能源全面應(yīng)用則是航空碳中和之路的終極目標(biāo)。

從氫燃料航空器的發(fā)展路線來(lái)看，短期的氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)方案受電池能量密度的限制，很難在大飛機(jī)上應(yīng)用，而氫渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)目前仍不成熟，氫內(nèi)燃機(jī)方案近期也只在一些小型通航飛機(jī)上進(jìn)行了試飛驗(yàn)證[6]。從新能源航空器的使用模式來(lái)看，目前的在研項(xiàng)目大多朝著通用航空方向發(fā)展，各國(guó)政府、相關(guān)組織也正在積極推動(dòng)城市低空立體交通系統(tǒng)的建設(shè)，意圖徹底解決城市道路交通擁堵問題[7]。通航作為目前國(guó)內(nèi)整個(gè)交通運(yùn)輸體系中開發(fā)利用率極低、極欠發(fā)達(dá)的一環(huán)，未來(lái)在我國(guó)的市場(chǎng)空間廣闊，發(fā)展空間很大。其中，大力發(fā)展氫能源等清潔能源動(dòng)力的通用航空器并率先實(shí)現(xiàn)推廣應(yīng)用將會(huì)是我國(guó)打破歐美發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)傳統(tǒng)化石燃料航空產(chǎn)業(yè)壟斷格局、實(shí)現(xiàn)彎道超車的重要契機(jī)和關(guān)鍵舉措，同時(shí)能夠解決碳排放等環(huán)境問題、道路擁堵等交通問題、化石能源的安全問題等多項(xiàng)難題。而限制通用航空發(fā)展乃至新能源、氫燃料通用航空發(fā)展的一個(gè)重要因素，就是航空安全問題。不能因安全認(rèn)知偏差，制約了航空興國(guó)的發(fā)展前景[8]，從技術(shù)上剖析新能源、氫燃料通用航空器的飛行安全問題是發(fā)展新能源通用航空的必要工作。我國(guó)航空運(yùn)輸業(yè)減少碳排放路線圖如圖1[9]所示。

圖1 2020—2060年我國(guó)航空業(yè)減少碳排放路線圖1[9]Fig.1 Road map for reducing carbon emissions in China's air transport industry(2020 —2060)[9]

為此，本文針對(duì)氫燃料通用航空器，概述其發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀，分析氫燃料的動(dòng)力特性及其在航空領(lǐng)域的應(yīng)用特點(diǎn)，探討氫燃料應(yīng)用于通用航空器的飛行安全問題，為我國(guó)的氫燃料通用航空發(fā)展建設(shè)工作提供借鑒。

1 氫燃料通用航空器發(fā)展概述

氫能源的開發(fā)和利用并不是一個(gè)新興的命題，早在20世紀(jì)70 年代，美國(guó)為了應(yīng)對(duì)中東戰(zhàn)爭(zhēng)引發(fā)的石油危機(jī)，提出氫能源未來(lái)具備替代傳統(tǒng)化石能源的潛力，有望成為未來(lái)交通運(yùn)輸業(yè)的主要能源。此后的幾十年，氫燃料電池作為氫能源利用的一個(gè)重要方向，在發(fā)電、航空航天、交通領(lǐng)域積累了一定的基礎(chǔ)，但并未引起大規(guī)模的關(guān)注。

近年來(lái)，隨著全球能源結(jié)構(gòu)向著低碳無(wú)碳、綠色清潔方向加速轉(zhuǎn)型，許多政府、組織陸續(xù)發(fā)布了氫能源發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，氫能源作為“21世紀(jì)的終極能源”再一次回歸到人們的視野。同時(shí)，為應(yīng)對(duì)全球能源體系的深刻變革，航空業(yè)也掀起一波氫能源化浪潮。

2020 年，我國(guó)政府提出2030 年碳達(dá)峰、2060 年碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)之后，航空產(chǎn)業(yè)也迅速布局，如國(guó)務(wù)院在《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》中提出，大力推進(jìn)可持續(xù)航空燃料替代傳統(tǒng)燃油，發(fā)展新能源航空器，以及積極參與國(guó)際航運(yùn)、航空減排談判[10]；國(guó)家發(fā)改委及能源局聯(lián)合印發(fā)的《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃（2021—2035年）》中提出，積極探索燃料電池在航空器等領(lǐng)域的應(yīng)用，推動(dòng)大型氫能航空器研發(fā)[11]；民航局、發(fā)改委及交通部聯(lián)合印發(fā)的《“十四五”民用航空發(fā)展規(guī)劃》中提出，加強(qiáng)氫燃料電池等適航驗(yàn)證方法的基礎(chǔ)性研究，推進(jìn)可持續(xù)航空燃料常態(tài)化應(yīng)用試點(diǎn)示范工作[12]。近期，航空工業(yè)發(fā)布了重要頂層文件——《中共中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)有限公司黨組關(guān)于民用航空產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的決定》，航空工業(yè)集團(tuán)將打造包含“通用飛機(jī)”在內(nèi)的六大產(chǎn)業(yè)化發(fā)展平臺(tái)，實(shí)施包含“航空應(yīng)急救援裝備發(fā)展、通用航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展、綠色低碳航空器發(fā)展”等在內(nèi)的七大創(chuàng)新工程。堅(jiān)持創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，面向前沿發(fā)展，聚焦新能源、無(wú)人機(jī)等戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域，協(xié)同社會(huì)各方力量加快創(chuàng)新突破，探索實(shí)踐“換道超車”和創(chuàng)新引領(lǐng)新方向[13]。

2020年5月，歐盟發(fā)布了“氫能航空”研究報(bào)告[14]，給出了氫燃料航空的研發(fā)和創(chuàng)新活動(dòng)路線圖，包括氫燃料動(dòng)力核心組件、氫燃料飛機(jī)系統(tǒng)研發(fā)等內(nèi)容，并明確提出歐盟氫能航空發(fā)展的第一階段是2020—2028年，重點(diǎn)發(fā)展基礎(chǔ)共性技術(shù)、通航飛機(jī)通過(guò)認(rèn)證、短途氫能飛機(jī)試飛等[15]。

2021 年10 月，英國(guó)政府發(fā)布了“凈零”（Jet Zero Strategy）戰(zhàn)略計(jì)劃[16]，旨在推動(dòng)英國(guó)航空業(yè)向更為環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的方向轉(zhuǎn)型，該計(jì)劃將投資數(shù)百萬(wàn)英鎊用于研究和開發(fā)氫能航空技術(shù)，并將在未來(lái)幾年內(nèi)開展氫燃料航空器的試飛項(xiàng)目。

盡管美國(guó)并未發(fā)布過(guò)針對(duì)航空氫能源發(fā)展的相關(guān)戰(zhàn)略規(guī)劃，但其能源部在2020 年11 月發(fā)布了《氫能計(jì)劃發(fā)展規(guī)劃》[17]，其中涉及氫能源生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展規(guī)劃，以及對(duì)氫燃料電池和氫渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)等氫能轉(zhuǎn)化技術(shù)的研究，這些推廣氫能技術(shù)的目標(biāo)和措施將有助于氫能航空技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

1.1 氫燃料通用航空器的概念

氫燃料航空器是指使用氫作為主要能源的航空器，其動(dòng)力系統(tǒng)主要由燃料電池或氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)成。與傳統(tǒng)燃油動(dòng)力的航空器相比，氫燃料航空器具有更高的能源轉(zhuǎn)化效率和更低的碳排放量。氫燃料通用航空器是指使用氫作為燃料的小型航空器，通常用于輕型客貨運(yùn)、私人飛行、應(yīng)急救援、探測(cè)觀測(cè)、科學(xué)研究等。

氫燃料通用航空器具有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景和多種用途，具有靈活、便捷和安全等特點(diǎn)。隨著氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展及通用航空器研制水平的提升，氫燃料通用航空器在未來(lái)投入使用成為可能。在需求和技術(shù)的雙重推動(dòng)下，全球航空產(chǎn)業(yè)已開始升級(jí)和轉(zhuǎn)型，部分國(guó)家已陸續(xù)將低空域的開放提上日程，希望能夠?qū)崿F(xiàn)低空區(qū)域內(nèi)航空器的自主飛行和管理，打開通航在城市規(guī)劃、私人飛行、物流配送、農(nóng)業(yè)種植等多領(lǐng)域的巨大市場(chǎng)，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步。

氫燃料本身的特性為氫燃料通用航空器帶來(lái)了許多傳統(tǒng)航空器不具備的優(yōu)勢(shì)。首先，氫燃料動(dòng)力系統(tǒng)的排放物只有水蒸氣和少量的氧氣，能夠真正達(dá)到零排放。其次，氫元素在宇宙組成中的占比非常高，根據(jù)現(xiàn)代宇宙學(xué)的研究，氫元素在宇宙物質(zhì)中的質(zhì)量占比大約為75%，因此氫燃料與化石燃料相比是一種更為豐富的資源，并且可以通過(guò)水解、太陽(yáng)能等可再生能源生產(chǎn)，理論上不存在能源枯竭問題。在能源的使用方面，氫氣是一種高能量密度的燃料，可以提供高性能和長(zhǎng)航程的飛行；氫燃料電池系統(tǒng)的噪聲遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)燃油動(dòng)力系統(tǒng)；隨著技術(shù)的進(jìn)步和規(guī)模效應(yīng)的充分發(fā)揮，氫燃料動(dòng)力的運(yùn)營(yíng)成本有望低于化石燃料。

1.2 氫燃料動(dòng)力推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

氫燃料動(dòng)力推進(jìn)主要分為兩種類型：一種是氫燃料電池動(dòng)力推進(jìn)，另一種是氫燃燒動(dòng)力推進(jìn)。氫燃料電池動(dòng)力推進(jìn)技術(shù)是一種將氫氣與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生電能，再通過(guò)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生推力的技術(shù)。氫燃燒動(dòng)力推進(jìn)技術(shù)則是將氫氣與空氣混合燃燒產(chǎn)生推力的技術(shù)，其主要應(yīng)用有氫渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和氫渦輪電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，如圖2所示。

圖2 氫渦輪和氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)Fig.2 Hydrogen turbines and hydrogen fuel cell engines

1.2.1 氫燃料電池動(dòng)力推進(jìn)技術(shù)

氫燃料電池動(dòng)力推進(jìn)技術(shù)是一種以氫為燃料的新型動(dòng)力推進(jìn)技術(shù)，它通過(guò)氫和氧的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，進(jìn)一步將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，為飛行器提供推力，在航空領(lǐng)域的應(yīng)用主要面向小型通用航空飛行器。

氫燃料電池系統(tǒng)大致可分為氫氣供應(yīng)系統(tǒng)、氫氣燃料電池系統(tǒng)及電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。氫氣供應(yīng)系統(tǒng)主要包括氫氣儲(chǔ)存罐、氫氣傳輸管路和氫氣供應(yīng)系統(tǒng)控制單元等部分。氫氣燃料電池系統(tǒng)將氫氣和氧氣進(jìn)行反應(yīng)生成電能，它主要包括燃料電堆、電池控制單元和電池壓縮系統(tǒng)等部分。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，主要包括電動(dòng)機(jī)、變速器和驅(qū)動(dòng)軸等部分。

氫燃料電池有很多種，但它們的工作原理大致相同：氫燃料電池由陽(yáng)極、電解質(zhì)和陰極三個(gè)相鄰的部分組成，氫氣在陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)（H2→ 2H++ 2e-）產(chǎn)生陽(yáng)離子，通過(guò)電解質(zhì)遷移到陰極，自由電子流動(dòng)到外部電路。同時(shí)，陰極發(fā)生還原反應(yīng)，氧氣被陽(yáng)離子和電子還原成水（4H++ O2+ 4e-→ 2H2O）。

根據(jù)使用的電解質(zhì)類型，燃料電池可分為堿性燃料電池（AFCs）、質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFCs）、磷酸燃料電池（PAFCs）、高溫熔融碳酸鹽燃料電池（MCFCs）和固體氧化物燃料電池（SOFCs）等。燃料電池的分類和特性見表1[18]。AFCs在較低的氧還原過(guò)電位和較低的工作溫度（20～80℃）下反應(yīng)，電解質(zhì)為KOH，OH-為移動(dòng)離子。PEMFCs 在-40～ 90℃的工作溫度下反應(yīng)，移動(dòng)離子為H+，陰極內(nèi)的氧化劑為空氣和氧氣。PAFCs 和MCFCs 因輸出范圍大而廣泛應(yīng)用于發(fā)電站。SOFCs 在高溫（600～1000℃）下反應(yīng)，陶瓷材料（如Y2O3-ZrO2）作為電解質(zhì)。燃料電池可根據(jù)所需功率輸出規(guī)模在不同場(chǎng)景下使用，通用航空領(lǐng)域應(yīng)用的燃料電池大多在100kW～1MW 量級(jí)。PEMFC 具有起動(dòng)時(shí)間快、工作溫度范圍廣（-40～90℃）、高比能等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，使其在所有類型的燃料電池中脫穎而出，應(yīng)用較為廣泛，典型集成化PEMFC電堆的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

表1 燃料電池的分類及特性Table1 Classification and characteristics of fuel cells

圖3 典型集成化PEMFC電堆的基本結(jié)構(gòu)Fig.3 Basic structure of typical integrating PEMFC stack

氫燃料電池動(dòng)力推進(jìn)技術(shù)具有零排放、高效能、安靜舒適、能量轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)點(diǎn)，但目前的挑戰(zhàn)在于新型氫燃料飛行器的設(shè)計(jì)或改型、氫的存儲(chǔ)及輸送系統(tǒng)、氫供應(yīng)的成本和可靠性以及相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等。

1.2.2 氫燃燒動(dòng)力推進(jìn)技術(shù)

除了氫燃料電池動(dòng)力推進(jìn)技術(shù)外，氫燃燒動(dòng)力推進(jìn)技術(shù)是另一種受到廣泛關(guān)注的氫燃料動(dòng)力推進(jìn)技術(shù)，目前主要有可以應(yīng)用于小型通用航空飛機(jī)上的氫內(nèi)燃機(jī)、可以應(yīng)用于中大型通用航空飛機(jī)及運(yùn)輸類飛機(jī)的氫渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，以及擁有更大推力的氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。

氫內(nèi)燃機(jī)是在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的基礎(chǔ)上改變?nèi)剂喜⒆龀鲆幌盗械倪m應(yīng)性改型而來(lái)的。其基本原理與傳統(tǒng)的燃油內(nèi)燃機(jī)相同，通過(guò)氫在汽缸中燃燒產(chǎn)生能量帶動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，按吸氣—壓縮—做功—排氣四沖程將氫燃燒的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。氫內(nèi)燃機(jī)對(duì)氫燃料的純度要求不高，因此可以利用工業(yè)副產(chǎn)氫而無(wú)須提純，也可以在一定條件下與其他燃料混合使用，具有成本低、轉(zhuǎn)化應(yīng)用便捷的優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也存在由氫燃料本身特性引起的早燃、爆燃、回火、氫脆等問題，由內(nèi)燃機(jī)工作方式引起的振動(dòng)和噪聲大的問題，由高溫下?lián)交烊紵纫鸬牡趸锱欧鸥叩膯栴}，以及能量轉(zhuǎn)換效率低、功率較低、安全性較低等問題。

氫渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)目前又分為直接驅(qū)動(dòng)和電動(dòng)兩種主要形式：直接驅(qū)動(dòng)的氫渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造相似，通過(guò)氫燃料在燃燒室內(nèi)燃燒來(lái)推動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)風(fēng)扇或螺旋槳等推進(jìn)器產(chǎn)生較大功率的推力；而氫渦輪電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)則由渦輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，將氫燃燒產(chǎn)生的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)風(fēng)扇或螺旋槳進(jìn)而產(chǎn)生推力，同時(shí)可以通過(guò)電池來(lái)儲(chǔ)存多余電力并調(diào)節(jié)飛機(jī)電力的供需，氫渦輪電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)能夠更加高效地利用能量并減少對(duì)環(huán)境的影響。由于氫氣可以快速反應(yīng)，并且制熱量大，因此氫渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)具有較高的功率輸出和瞬間響應(yīng)能力，可以滿足高速、長(zhǎng)途、重載等專業(yè)需求。此外，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)不僅需要承受高壓氫氣的作用，還要選用耐高溫、耐腐蝕、抗氫脆的材料，因此其對(duì)材料和制造要求比傳統(tǒng)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)高得多，導(dǎo)致設(shè)計(jì)和制造難度大、成本高；在制氫、儲(chǔ)氫、供氫方面，有關(guān)技術(shù)也尚需發(fā)展，經(jīng)濟(jì)性仍有待提高，故目前氫渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)尚未得到廣泛應(yīng)用。

1.3 氫燃料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前在航空領(lǐng)域，氫燃料電池動(dòng)力推進(jìn)技術(shù)發(fā)展更為成熟，應(yīng)用更為廣泛；而氫燃燒動(dòng)力推進(jìn)技術(shù)雖然更具潛力，但仍存在更大的挑戰(zhàn)，在航空領(lǐng)域的應(yīng)用尚處于試驗(yàn)階段。由于氫燃料通用航空器的動(dòng)力需求較低，研制難度小于大型民航客機(jī)，因此目前成功試飛的氫燃料飛機(jī)中，通航類飛機(jī)占比較大，同時(shí)也有望更早投入使用。

早在十幾年前，空客的母公司歐洲宇航防務(wù)集團(tuán)就提出了零排放超聲速飛機(jī)（ZEHST）方案，設(shè)計(jì)速度可達(dá)到4倍聲速（即Ma4）。ZEHST 的動(dòng)力由三類7 臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)共同提供，其中低速起降段的動(dòng)力主要依靠?jī)膳_(tái)傳統(tǒng)航空噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，燃料為由藻類制造的生物燃料；起飛完成后繼續(xù)依靠三臺(tái)低溫火箭發(fā)動(dòng)機(jī)加速爬升至32km高度，此后依靠?jī)膳_(tái)大推力沖壓火箭發(fā)動(dòng)機(jī)保持巡航，燃料均為液氫液氧。由于該方案較為激進(jìn)，各項(xiàng)指標(biāo)都很高，因此短期內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)，空客計(jì)劃最早于2050 年后才能投入使用[19]。2020 年，空客公司又公布了ZEROe 氫動(dòng)力飛機(jī)方案的三種概念機(jī)型，如圖4 所示，分別采用氫渦槳、氫渦扇混合動(dòng)力及翼身融合混合動(dòng)力，計(jì)劃于5 年內(nèi)完成氫燃料動(dòng)力方案選型及氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試，并在15年內(nèi)開始投入使用[20-21]。

圖4 ZEROe氫燃料飛機(jī)方案的三種概念機(jī)型Fig.4 Three concept models of the ZEROe hydrogen powered aircraft program

除空客公司外，美國(guó)波音公司早在2003年就啟動(dòng)了氫燃料飛機(jī)的研究項(xiàng)目，波音的一架小型氫燃料電池飛機(jī)早在2008年就已首飛。此后，波音又進(jìn)行了氫燃料方向的多次嘗試，包含約5種混有氫燃料的航空器。近年來(lái)，波音公司將目光更多地轉(zhuǎn)向了SAF，但美國(guó)仍有一些企業(yè)關(guān)注氫能源航空發(fā)展。僅2023年初，就有兩家公司的氫燃料飛機(jī)成功首飛：1月，美國(guó)ZeroAvia 公司的多尼爾228 氫燃料電池電推驗(yàn)證機(jī)成功首飛，如圖5 所示[22]；3 月，美國(guó)氫能航空初創(chuàng)企業(yè)“環(huán)球氫能”公司（Universal Hydrogen）研制的基于沖鋒8-300 型支線客機(jī)改裝的氫燃料電池電推驗(yàn)證機(jī)成功首飛[23]，該驗(yàn)證機(jī)是全球第一架改裝氫燃料電池動(dòng)力的25部飛機(jī)，在氫能飛機(jī)中重量（質(zhì)量）僅次于1988年蘇聯(lián)試飛的液氫動(dòng)力圖-115。

圖5 ZeroAvia 19座氫燃料電池載人飛機(jī)首飛Fig.5 ZeroAvia made its maiden flight with 19 manned hydrogen fuel cells

國(guó)內(nèi)的氫燃料通用航空器研究近年來(lái)在一系列政策和項(xiàng)目的支持下突飛猛進(jìn)發(fā)展，有望進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)“換道超車”。2017年，我國(guó)自主研制的首架有人駕駛氫燃料電池試驗(yàn)機(jī)在沈陽(yáng)試飛成功；2023年3月，我國(guó)首款四座氫內(nèi)燃機(jī)驗(yàn)證機(jī)在沈陽(yáng)完成首飛，搭載的是一汽集團(tuán)基于“紅旗”汽油機(jī)研發(fā)的國(guó)內(nèi)首款2.0L零排放增壓直噴氫燃料內(nèi)燃機(jī)[6]。這些氫燃料通用航空器的研制成果為后續(xù)研制更成熟、更安全的氫燃料飛機(jī)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 氫能特性及氫燃料通用航空器的安全問題

氫氣是最輕的氣體，密度僅僅是空氣的1/14，黏性很低且具有強(qiáng)擴(kuò)散性，因此氫氣易泄漏，泄漏后會(huì)迅速擴(kuò)散上浮，速度可達(dá)9m/s，開放環(huán)境下不易聚集爆炸。氫氣無(wú)色、無(wú)味、無(wú)毒、無(wú)腐蝕性，因此氫的泄漏和聚集難以被察覺，在密閉環(huán)境下容易產(chǎn)生安全隱患。氫氣高度易燃，純氫燃燒后的產(chǎn)物只有水，火焰無(wú)色也不會(huì)產(chǎn)生煙霧，因此是一種理想的清潔能源。但每種能源都有其局限性，盡管氫能源具備清潔環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，但氫氣自身的一些物理化學(xué)特點(diǎn)，給氫氣成為清潔優(yōu)質(zhì)的航空燃料帶來(lái)了獨(dú)特的挑戰(zhàn)。如氫氣的爆炸極限范圍非常寬，在4%～75.6%（而天然氣是5%～15%），最小點(diǎn)火能量?jī)H需0.02mJ，相對(duì)來(lái)說(shuō)，氫氣非常易于爆炸。1937 年，興登堡號(hào)飛艇火災(zāi)空難結(jié)束了氫氣飛艇的客運(yùn)歷史；近年來(lái)，世界范圍內(nèi)多起加氫站、儲(chǔ)氫罐等爆炸事故更是引起了公眾對(duì)氫能源安全性的廣泛關(guān)注。

就通用航空器而言，其功率需求比運(yùn)輸航空飛機(jī)小，大多采用氫內(nèi)燃機(jī)或氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)即可滿足需求，而目前試飛過(guò)的氫燃料飛機(jī)也是這兩種能量供給形式，因此本節(jié)重點(diǎn)圍繞氫內(nèi)燃機(jī)或氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)展開探討。氫燃料的使用可粗略分為氫燃料在飛機(jī)中存儲(chǔ)以及能量轉(zhuǎn)換反應(yīng)，而氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程相較燃?xì)涠允譁睾?，安全性問題較小，因此氫燃料對(duì)于通用航空器的安全問題主要體現(xiàn)在燃?xì)浒l(fā)動(dòng)機(jī)的使用以及氫燃料的存儲(chǔ)上。

2.1 燃?xì)浒l(fā)動(dòng)機(jī)使用過(guò)程中的安全問題

燃?xì)浒l(fā)動(dòng)機(jī)使用過(guò)程中的安全問題直接影響氫燃料通用航空器的飛行安全。由于氫氣比燃油更易燃，相比傳統(tǒng)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)，氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)更容易出現(xiàn)早燃、回火、爆燃與爆轟等異常燃燒的問題；氫氣與金屬之間發(fā)生的“氫脆”反應(yīng)更是會(huì)影響氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命與使用安全。

2.1.1 早燃

早燃是指燃料進(jìn)入氣缸后，未等點(diǎn)火系統(tǒng)點(diǎn)燃就提早發(fā)生的燃燒現(xiàn)象。氫氣作為燃料時(shí)存在點(diǎn)火能量低、著火界限寬、火焰淬息距離小和火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤斓奶匦?。因此，相比傳統(tǒng)的燃油和天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的早燃問題更加嚴(yán)重，由此引發(fā)的氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)工作不穩(wěn)定現(xiàn)象也更常見。除氫氣自身的特性外，早燃還受進(jìn)入汽缸的混合氣的溫度、壓力以及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的影響，進(jìn)入汽缸的混合氣的溫度、壓力以及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的數(shù)值越高越容易引起早燃。氫氣燃燒后的火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤蛇_(dá)汽油燃燒時(shí)的9倍，當(dāng)氫氣早燃現(xiàn)象發(fā)生后，燃燒區(qū)域大、火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤靃24]，燃燒汽缸內(nèi)溫度、壓力會(huì)急劇升高，輕則引發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)、噪聲增大，重則引發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行異常及破壞氣缸、進(jìn)氣管和點(diǎn)火系統(tǒng)等安全問題。早燃可通過(guò)控制進(jìn)氣量、進(jìn)氣溫度以及進(jìn)氣時(shí)間來(lái)解決。

2.1.2 回火

回火是指在氫燃料供應(yīng)過(guò)程中，進(jìn)氣門打開，火焰迅速進(jìn)入進(jìn)氣管道燃燒的現(xiàn)象。回火的主要原因也是氫燃料極易燃燒的特性，同時(shí)早燃也易引起氫發(fā)動(dòng)機(jī)回火問題。氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料噴射方式也在一定程度上影響氫氣的燃燒質(zhì)量和安全。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)本身而言，提早結(jié)束噴氫能夠遏制回火現(xiàn)象發(fā)生，但會(huì)損失燃?xì)涞男屎蛣?dòng)力提供，因此避免發(fā)動(dòng)機(jī)回火問題的一個(gè)重要設(shè)計(jì)參數(shù)是噴氣管噴氫的脈寬。發(fā)動(dòng)機(jī)回火可能會(huì)引起噪聲、進(jìn)氣管和供氫系統(tǒng)的損壞，進(jìn)而引起發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車等安全隱患?；鼗饐栴}可以通過(guò)安裝回火抑制器、改進(jìn)供氫系統(tǒng)、控制進(jìn)氫量和進(jìn)氫狀態(tài)以及縮短進(jìn)氫持續(xù)時(shí)間來(lái)控制，其中供氫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是解決回火問題的關(guān)鍵。

2.1.3 爆燃與爆轟

氫氣與空氣的預(yù)混合氣體的燃燒可能會(huì)產(chǎn)生爆燃或爆轟現(xiàn)象。爆燃是指燃燒波以亞聲速向未燃混合燃料傳播的劇烈燃燒過(guò)程；爆轟則是燃燒波以超聲速傳播的劇烈燃燒現(xiàn)象[25]。燃?xì)浒l(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)發(fā)生輕微的爆燃會(huì)在汽缸內(nèi)產(chǎn)生金屬的敲擊聲，俗稱敲缸，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)功率也會(huì)出現(xiàn)一定程度的增加；高速的爆燃和爆轟都會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波，可以認(rèn)為是一種爆炸。爆燃和爆轟發(fā)生時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)易產(chǎn)生劇烈振動(dòng)、過(guò)壓過(guò)熱等異常情況，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞發(fā)動(dòng)機(jī)部件和供氫系統(tǒng)。氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)中的氫氣燃燒反應(yīng)易受摻混的空氣影響，當(dāng)燃燒過(guò)程中空氣與氫氣的比例不同時(shí)，燃燒的反應(yīng)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。因此，氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和缸內(nèi)壓強(qiáng)控制、燃料空燃比和壓縮比控制、燃料噴射方式和點(diǎn)火時(shí)機(jī)是保證氫氣正常燃燒的重要設(shè)計(jì)要素。

2.1.4 氫脆和氫腐蝕

氫氣是自然界中分子量最小的物質(zhì)，化學(xué)性質(zhì)活潑，且具有很強(qiáng)的滲透性。通常情況下，高強(qiáng)度鋼等金屬材料在制造過(guò)程中接觸氫氣時(shí)，氫會(huì)通過(guò)在金屬表面吸附、溶解、擴(kuò)散等過(guò)程滲入金屬晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)部，形成固溶體、氫化物、氫分子、氫原子、氫離子等物質(zhì)，改變金屬的微觀結(jié)構(gòu)，使其易在應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋等氫致?lián)p傷缺陷，導(dǎo)致金屬變脆，即氫脆現(xiàn)象[26]。另外，由于氫元素化學(xué)性質(zhì)活潑，其在高溫高壓環(huán)境下更容易滲透到金屬內(nèi)部，并與金屬發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致氫腐蝕的發(fā)生。氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在使用過(guò)程中無(wú)法避免與氫的接觸，發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸、儲(chǔ)氫罐及輸氣管道等部件處于高氫濃度、高溫、高壓環(huán)境下，極易發(fā)生氫脆、氫腐蝕現(xiàn)象，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能造成很大的影響，同時(shí)存在結(jié)構(gòu)斷裂失效等安全隱患。此外，氫脆、氫腐蝕會(huì)在接觸面拐角或尖銳部位加快，在平緩表面比較緩慢，傳統(tǒng)機(jī)翼油箱處于機(jī)翼中，大多為不規(guī)則多邊形結(jié)構(gòu)，拐角部分更易受到腐蝕。解決氫脆問題的關(guān)鍵是針對(duì)氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)及儲(chǔ)氫供氫系統(tǒng)研制抗氫脆、耐腐蝕的新材料、新結(jié)構(gòu)，采用球形或柱形新型存儲(chǔ)罐以緩解結(jié)構(gòu)形狀引起的氫脆；同時(shí)建立相關(guān)材料在氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)特殊工況下的性能數(shù)據(jù)庫(kù)，為氫燃料航空發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性設(shè)計(jì)奠定理論基礎(chǔ)和提供數(shù)據(jù)支撐。

2.2 通用航空器的氫燃料儲(chǔ)運(yùn)安全問題

在氫燃料通用航空器系統(tǒng)中，如何儲(chǔ)存并運(yùn)輸氫燃料是一個(gè)重要議題，同時(shí)也是影響氫燃料通用航空器安全性的一個(gè)方面。相比于傳統(tǒng)的化石燃料，氫燃料的質(zhì)量和體積密度很低，如圖6所示[27]。同時(shí)，氫氣易燃、易擴(kuò)散、滲透性及高壓/低溫氫脆等物理化學(xué)特性也給氫燃料的航空儲(chǔ)運(yùn)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

圖6 氫密度與壓力和溫度的關(guān)系[27]Fig.6 Hydrogen density versus pressure and temperature[27]

目前有望應(yīng)用在通用航空領(lǐng)域的儲(chǔ)氫方式主要有高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、金屬氫化物及有機(jī)液體等儲(chǔ)氫方式。

2.2.1 高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫及其安全問題

常態(tài)下氫氣密度很低，可以通過(guò)加壓來(lái)增加其存儲(chǔ)密度，從而減小儲(chǔ)氫體積。高壓氣體儲(chǔ)氫是最易行且成熟的方法，在氫燃料電池車等領(lǐng)域已有一定的應(yīng)用市場(chǎng)。其優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)簡(jiǎn)單，且充放氫速度快、溫度適應(yīng)范圍廣；其主要缺點(diǎn)是空間需求大和安全問題突出。

壓縮氫氣的儲(chǔ)存壓力主要取決于氫氣儲(chǔ)存的體積能量密度和儲(chǔ)氫罐重量之間的權(quán)衡。控制變量情況下，氫存儲(chǔ)壓力越大，體積能量密度越大，則需要的儲(chǔ)罐、閥門等配套設(shè)備的承壓能力和重量就越大，造成系統(tǒng)整體的質(zhì)量能量密度減小。在航空應(yīng)用領(lǐng)域，各系統(tǒng)的重量要求更為嚴(yán)苛，儲(chǔ)氫罐的輕量化設(shè)計(jì)更為重要。

目前常用的儲(chǔ)氫罐大致分為4類，分別為I型、Ⅱ型、Ⅲ型和Ⅳ型，如圖7 所示。其中，Ⅰ型、Ⅱ型的主要材料為耐高壓鋼材，以固定式應(yīng)用為主。I型的構(gòu)造只有一層材料，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，重量大，一般存儲(chǔ)的氣體壓力為15～20MPa。II型比I型增加了外層的箍圈式纖維樹脂復(fù)合材料包裹，增強(qiáng)了一定的抗壓能力，存儲(chǔ)氣體壓力為20～30MPa。Ⅲ型、Ⅳ型在輕量化方面做出了較大的改進(jìn)，主要是為了解決氫燃料交通工具對(duì)移動(dòng)儲(chǔ)氫罐的應(yīng)用需求。Ⅲ型罐體內(nèi)層采用較薄的高強(qiáng)度金屬，外層采用兩極或螺旋鋪設(shè)的纖維樹脂復(fù)合材料包裹，壓力主要有35MPa和70MPa兩種，此類氫罐在氫燃料電池領(lǐng)域應(yīng)用較為成熟。IV型罐體內(nèi)層采用了抗壓高分子材料，具備強(qiáng)度高、工藝性好、熱穩(wěn)定性高、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì)，外層采用兩極或螺旋鋪設(shè)的纖維樹脂復(fù)合材料包裹，進(jìn)一步突出了輕量化設(shè)計(jì)，儲(chǔ)氫壓力有望繼續(xù)提升至100MPa[26]。

圖7 主流氫罐結(jié)構(gòu)Fig.7 Mainstream hydrogen tank structure

高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫的安全性主要受儲(chǔ)氫瓶?jī)?nèi)壓力、溫度以及儲(chǔ)氫瓶結(jié)構(gòu)狀態(tài)的影響。在加氫、機(jī)體劇烈振動(dòng)或發(fā)生碰撞等特殊情況下，儲(chǔ)氫瓶?jī)?nèi)燃料狀態(tài)變化幅度大，容易產(chǎn)生安全隱患。主要安全問題可能存在于以下幾種情況：（1）受氫氣寬爆炸極限范圍（4%～75.6%）和低點(diǎn)火能量（0.02mJ）的燃燒特性影響，異常狀態(tài)下氫燃料的泄漏、燃燒和爆炸是氫燃料航空器的一項(xiàng)重大安全隱患； （2）儲(chǔ)氫瓶的環(huán)境溫度會(huì)隨著飛機(jī)的飛行高度、地理位置等產(chǎn)生一定變化，為了提高儲(chǔ)氫密度，儲(chǔ)氫溫度可能設(shè)計(jì)為低于氫罐外的環(huán)境溫度，當(dāng)溫度控制系統(tǒng)發(fā)生故障等，將外界熱量導(dǎo)入罐內(nèi)時(shí)，會(huì)影響儲(chǔ)氫瓶?jī)?nèi)壓力變化，從而引發(fā)泄漏甚至物理爆炸風(fēng)險(xiǎn)；（3）I型、II型、III型儲(chǔ)氫瓶的內(nèi)層為金屬材料，與氫接觸易發(fā)生氫脆現(xiàn)象，從而破壞儲(chǔ)氫瓶的結(jié)構(gòu)，造成氫氣泄漏的安全隱患。

因此，儲(chǔ)氫瓶?jī)?nèi)的氣體狀態(tài)和儲(chǔ)氫瓶各結(jié)構(gòu)的使用狀態(tài)需時(shí)刻監(jiān)測(cè)，機(jī)載儲(chǔ)氫瓶需要配備安全管理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和相應(yīng)的安全控制策略，基于溫度、壓力等傳感器獲取狀態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)而通過(guò)安全控制策略判斷儲(chǔ)氫狀態(tài)，并在存在安全隱患時(shí)做出相應(yīng)的安全防護(hù)動(dòng)作。

2.2.2 低溫液態(tài)儲(chǔ)氫及其安全問題

氫可以在液態(tài)下儲(chǔ)存，低溫液態(tài)儲(chǔ)氫是另一種更為高效的儲(chǔ)氫方式。由圖6可以看出，同等壓力下，溫度越低，儲(chǔ)氫密度越大，因此低溫是另一個(gè)提高儲(chǔ)氫效率的方向。標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，當(dāng)溫度降低到-253℃以下時(shí)氫氣液化，加壓時(shí)至多可提高到-240℃左右，液氫密度可達(dá)氣氫密度的幾千倍[26]，能夠有效降低移動(dòng)儲(chǔ)氫容積需求。在液化再氣化的過(guò)程中氫氣被再次提純，對(duì)提高氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命是有利的。液氫儲(chǔ)運(yùn)的工作壓力較小，相較高壓儲(chǔ)氫，安全性得以提高。液氫存儲(chǔ)技術(shù)相較高壓存儲(chǔ)技術(shù)難度更高，配套儲(chǔ)氫系統(tǒng)也更復(fù)雜，目前的儲(chǔ)氫系統(tǒng)在維持低溫環(huán)境時(shí)也會(huì)消耗大量額外能量，進(jìn)一步降低用于飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的有效燃料比例，因此如何減少環(huán)控系統(tǒng)的能量消耗是提高氫動(dòng)力飛機(jī)性能的另一個(gè)重要議題。液氫動(dòng)力在航空器領(lǐng)域的應(yīng)用尚不成熟，國(guó)內(nèi)的移動(dòng)液氫存儲(chǔ)技術(shù)起步較晚，目前僅在航天軍工領(lǐng)域有所應(yīng)用。由于液氫儲(chǔ)運(yùn)在通用航空器領(lǐng)域尚無(wú)應(yīng)用案例，其安全問題暫無(wú)法從應(yīng)用中得知。結(jié)合液氫儲(chǔ)運(yùn)特性，預(yù)想液氫在通用航空器領(lǐng)域的儲(chǔ)運(yùn)安全問題可能集中在4個(gè)方面：（1）與高壓氫相同，氫特性導(dǎo)致液氫在使用時(shí)或加氫時(shí)存在氫泄漏風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而引發(fā)燃燒或爆炸等安全問題；（2）劇烈振動(dòng)或低溫絕熱系統(tǒng)損壞等引起外界熱量導(dǎo)入液氫儲(chǔ)罐，液氫快速氣化會(huì)引起儲(chǔ)罐迅速增壓，罐內(nèi)巨大壓力易引發(fā)結(jié)構(gòu)破壞或物理爆炸等安全問題；（3）超低溫液氫泄漏后引起閥門及管路等機(jī)載部件結(jié)冰、堵塞或結(jié)構(gòu)破壞，以及接觸人員凍傷等安全問題；（4）液氫低溫氫脆引起金屬材料結(jié)構(gòu)失效帶來(lái)安全問題。

此外，金屬氫化物及有機(jī)液體等其他儲(chǔ)氫方式目前仍在預(yù)研階段，短期內(nèi)無(wú)法應(yīng)用于通用航空領(lǐng)域，在此不作探討。

2.3 氫燃料通用航空器的其他安全問題

除氫燃料及氫燃料動(dòng)力系統(tǒng)本身帶來(lái)的安全問題外，氫燃料通用航空器還存在許多其他衍生出來(lái)的系統(tǒng)安全性問題：（1）在整機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于氫燃料推進(jìn)的特殊性，需平衡動(dòng)力、氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、控制、電系統(tǒng)等多方面的需求，復(fù)雜程度高、綜合性強(qiáng)、目標(biāo)新穎的系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)了一定的安全問題；（2）由于目前能應(yīng)用在飛機(jī)上的氫燃料的體積密度較小，為了最大限度利用機(jī)上空間，多采用翼身融合布局，從而衍生出氫燃料翼身融合布局航空器相關(guān)適航安全性問題；（3）目前氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的功率普遍較小，在大功率的氫能源發(fā)動(dòng)機(jī)投入應(yīng)用之前，過(guò)渡階段多采用分布式推進(jìn)布局，從而衍生出一系列安全問題；（4）為了最大限度減少材料的氫脆現(xiàn)象發(fā)生，氫燃料通用航空器需采用抗氫脆及抗氫腐蝕的新型復(fù)合材料，由此引發(fā)的結(jié)構(gòu)安全問題；（5）目前國(guó)內(nèi)外通航飛機(jī)的事故率遠(yuǎn)大于民航大型飛機(jī)，加之氫燃料易燃易爆，因此氫燃料航空器故障墜地導(dǎo)致爆炸的概率可能大于民航飛機(jī)，對(duì)地面的人、財(cái)、物造成安全威脅。

盡管現(xiàn)階段氫燃料通航飛機(jī)還有很多安全性問題有待研究解決，如飛機(jī)氫燃料地面加注過(guò)程中的防泄漏與防滅火、故障后的爆炸可能性問題等，但這并不意味著它們注定會(huì)成為“自爆卡車”或“自爆飛機(jī)”。隨著氫燃料飛機(jī)及相關(guān)系統(tǒng)研制技術(shù)的進(jìn)步、氫能源相關(guān)政策的支持，氫燃料電池、氫燃燒控制、抗氫脆材料及氫儲(chǔ)運(yùn)、氫燃料飛機(jī)平臺(tái)的集成以及高安全性的設(shè)計(jì)方案、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)正在逐步發(fā)展和完善，這些成果及進(jìn)步都在推動(dòng)氫燃料通用航空器的落地應(yīng)用，并逐步提高其安全性水平。

3 氫燃料通用航空器安全性相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)際氫安全相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)主要集中于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）和國(guó)際電工委員會(huì) （IEC），目前均為氫安全的通用標(biāo)準(zhǔn)，由于氫燃料通用航空器仍在設(shè)計(jì)研發(fā)階段，因此目前尚無(wú)有針對(duì)性的專用標(biāo)準(zhǔn)。

ISO TR 15916—2015《氫系統(tǒng)安全的基本考慮》是有關(guān)氫的基本特性及氫系統(tǒng)危險(xiǎn)因素及風(fēng)險(xiǎn)控制的一項(xiàng)基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上，我國(guó)國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局和中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)發(fā)布了GB/T 29729—2022《氫安全的基本要求》。

在更具針對(duì)性的燃料電池交通工具領(lǐng)域，ISO1988X、ISO 1398X分別規(guī)定了地面車輛使用氣氫、液氫的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，中國(guó)國(guó)標(biāo)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范集中在GB/T 400XX中。ISO 12619系列《道路車輛—壓縮氣態(tài)氫（CGH2）和氫/天然氣混合燃料系統(tǒng)部件》規(guī)定了一系列詳細(xì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。近年來(lái)，我國(guó)的新能源汽車發(fā)展迅速，氫燃料電池汽車相關(guān)的安全要求及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范也陸續(xù)出臺(tái)，如GB/T 31138—2022《燃料電池電動(dòng)汽車安全要求》、GB/T 26779—2021《燃料電池電動(dòng)汽車加氫口》等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)于氫燃料電池飛機(jī)設(shè)計(jì)均有一定的參考價(jià)值。

在氫氣儲(chǔ)運(yùn)方面，ISO 210XX 系列規(guī)定了固定低溫容器的設(shè)計(jì)、裝配、檢查、測(cè)試及其材料、結(jié)構(gòu)、組件等相關(guān)的要求；而ISO 7866、ISO 9809 及ISO11119 系列則覆蓋了可移動(dòng)式氫罐的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

在基礎(chǔ)設(shè)施方面，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織出版了ISO 19880系列，如加氫站的技術(shù)規(guī)范ISO 19880-1:2020《氣態(tài)氫—加氫站—第1 部分：一般要求》，限定了輕型道路車輛氣態(tài)氫加氫站的最低設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試、運(yùn)行、檢查和維護(hù)及在適當(dāng)情況下的性能要求，該標(biāo)準(zhǔn)中同時(shí)也提到了部分液氫的相關(guān)要求。ISO 19880-2 到ISO 19880-9 分別規(guī)定了加氫站的加氫機(jī)和分配系統(tǒng)、閥門、加氫機(jī)軟管和軟管組件、配件、O形密封圈、燃料質(zhì)量控制及燃料質(zhì)量分析取樣，其中多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)仍處于計(jì)劃完善狀態(tài)。與此相關(guān)的中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)有GB 50516—2010《加氫站技術(shù)規(guī)范》、GB/T 34584—2017《加氫站安全技術(shù)規(guī)范》、GB/T 34583—2017《加氫站用儲(chǔ)氫裝置安全技術(shù)要求》以及GB/T 31138—2022《加氫機(jī)》等。

目前，氫能源在全球范圍內(nèi)屬研究熱點(diǎn)領(lǐng)域，除上述標(biāo)準(zhǔn)外，仍有非常多與氫能源相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范已發(fā)布或在快速的研究制定中，如歐洲標(biāo)準(zhǔn)（EN）、歐洲工業(yè)氣體協(xié)會(huì)（EIGA）、美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)（ANSI）、美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)（SAE）、電機(jī)電子工程師學(xué)會(huì)（IEEE）、美國(guó)電氣制造商協(xié)會(huì)（NEMA）、加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（CSA）等組織機(jī)構(gòu)均發(fā)布了氫能源相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，在氫燃料通用航空器設(shè)計(jì)過(guò)程中，以上標(biāo)準(zhǔn)提供了豐富的安全性指標(biāo)和準(zhǔn)則，但在空中應(yīng)用場(chǎng)景下的專用標(biāo)準(zhǔn)目前仍不完善，需在大量試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)支撐下補(bǔ)充制定。

4 結(jié)束語(yǔ)

在未來(lái)的通用航空領(lǐng)域，我們可以預(yù)見到更加綠色環(huán)保、高效安全的飛行方式。但受限于各種影響因素，目前國(guó)內(nèi)通用航空發(fā)展仍非常緩慢[28-30]。究其原因，包含但不限于以下幾點(diǎn)：

（1） 國(guó)防安全問題，近年來(lái)國(guó)際局勢(shì)動(dòng)蕩，存在“低慢小”乃至通用航空器的滲透風(fēng)險(xiǎn)。

（2） 交通安全問題，2022 年我國(guó)通航事故率為0.0367起/萬(wàn)架次遠(yuǎn)大于運(yùn)輸航空重大事故率0.011 起/百萬(wàn)架次[28]，國(guó)外通航飛機(jī)事故頻發(fā)，事故率約為50 起/百萬(wàn)架次[29]，同樣遠(yuǎn)大于民航飛機(jī)總事故率1.21 起/百萬(wàn)架次[30]，而氫能源通航飛機(jī)一旦墜落，造成的安全問題將更加嚴(yán)重，目前的通航產(chǎn)品、運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)手段等仍達(dá)不到社會(huì)可接受的安全水平，不足以全面放開并推廣低空立體交通。

（3） 產(chǎn)業(yè)安全問題，國(guó)內(nèi)的通航產(chǎn)品及技術(shù)水平近年來(lái)已在穩(wěn)步提升，但仍存在政策孵化不足、技術(shù)人才稀缺、運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)較少、民眾認(rèn)識(shí)不夠等問題，整體滯后于國(guó)際同行產(chǎn)業(yè)發(fā)展，若在準(zhǔn)備不足的情況下貿(mào)然開放，存在引入國(guó)外競(jìng)爭(zhēng)性要素?cái)D占國(guó)內(nèi)通航產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)的風(fēng)險(xiǎn)。

隨著技術(shù)的不斷革新和完善，未來(lái)氫燃料通用航空器將越來(lái)越多地出現(xiàn)在我們的視野中。而氫燃料通用航空器設(shè)計(jì)是一項(xiàng)前沿的科學(xué)技術(shù)研究，仍有很多難題需要逐一解決。我們不能忽視任何一個(gè)威脅飛行安全的潛在隱患，但仍需要客觀理性地對(duì)待氫燃料通用航空器的安全問題，需要依靠充分的試驗(yàn)數(shù)據(jù)、科學(xué)的設(shè)計(jì)生產(chǎn)、嚴(yán)格的維護(hù)檢測(cè)以及規(guī)范的制度標(biāo)準(zhǔn)[31]來(lái)保證未來(lái)氫燃料通用航空器的安全性。