歐盟清潔航空聯(lián)合行動中的氫動力飛機(jī)分析

■ 韓玉琪 劉英杰/ 中國航發(fā)研究院

氫能的零碳屬性為航空業(yè)脫碳帶來巨大希望，但在航空領(lǐng)域還面臨著大量關(guān)鍵技術(shù)成熟度過低的現(xiàn)狀。氫動力飛機(jī)是歐盟清潔航空聯(lián)合行動（CAJU）的三大重點(diǎn)研發(fā)領(lǐng)域之一，CAJU將成熟并驗(yàn)證所有相關(guān)系統(tǒng)（機(jī)載液氫儲存、燃料分配系統(tǒng)、氫燃料電池動力和氫渦輪動力等），以便集成到未來的飛機(jī)中。

氫燃料具有清潔低碳、應(yīng)用場景豐富、來源豐富、高效儲能等戰(zhàn)略性優(yōu)點(diǎn)，未來將成為世界能源體系的重要組成部分。但氫能同時也存在極難儲存、易泄漏、易燃易爆、相變引發(fā)參數(shù)動態(tài)變化、管路閥門調(diào)節(jié)遲滯等缺點(diǎn)，由此使得氫能航空的研發(fā)面臨著燃燒、計量控制、熱管理、機(jī)載儲存和燃料分配系統(tǒng)等方面的技術(shù)挑戰(zhàn)。

CAJU的氫動力飛機(jī)相關(guān)項(xiàng)目

針對氫動力飛機(jī)，CAJU在首批項(xiàng)目中設(shè)置了6個項(xiàng)目，總經(jīng)費(fèi)達(dá)2.1億歐元，其中歐盟資助1.5億歐元，如表1所示，主要開展氫渦輪動力、兆瓦級氫電動力、大型輕質(zhì)液氫集成儲存方案的研發(fā)，以及液氫儲罐飛行驗(yàn)證、氫電動力地面驗(yàn)證等工作。

表1 CAJU中的氫動力飛機(jī)項(xiàng)目情況

CAVENDISH項(xiàng)目

氫渦輪動力驗(yàn)證及與飛機(jī)集成戰(zhàn)略聯(lián)盟（CAVENDISH）項(xiàng)目由羅羅德國公司牽頭，總經(jīng)費(fèi)2915 萬歐元，其中歐盟資助2167 萬歐元，研究周期為2023 年1 月—2026 年12月。CAVENDISH 項(xiàng)目將改造一臺“珍珠”（Pearl）15 渦扇發(fā)動機(jī)（推力為67kN，涵道比為4.8）進(jìn)行貧氫燃燒，并與氫燃料電池系統(tǒng)集成。項(xiàng)目計劃2024 年年底開始地面測試，并開展飛發(fā)集成工作以確定取證途徑。

該項(xiàng)目參與方包含來自巴西、法國、德國、荷蘭、葡萄牙、西班牙和英國的20 個學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的合作伙伴，匯集了航空、能源和推進(jìn)、燃燒、燃料和控制系統(tǒng)，以及飛機(jī)領(lǐng)域的歐洲領(lǐng)先組織的專業(yè)知識，開發(fā)與液氫燃燒系統(tǒng)相關(guān)的突破性技術(shù)。該項(xiàng)目建立在英國、德國、法國、荷蘭宣布的多個國家技術(shù)計劃的基礎(chǔ)上，實(shí)際上是將這些技術(shù)途徑結(jié)合，加速形成首個可供驗(yàn)證用的氫渦輪動力技術(shù)驗(yàn)證機(jī)。該項(xiàng)目還將探索雙燃料燃燒室（能夠在100%氫燃料或100%可持續(xù)航空燃料下運(yùn)行）和低溫高壓儲罐等替代性的使能技術(shù)，以提供靈活性，并簡化氫能在航空中的應(yīng)用條件。該項(xiàng)目還與CAJU 中的其他項(xiàng)目相關(guān)，特別是中短程飛機(jī)及其認(rèn)證活動。

此外，羅羅公司于2022年11月使用改裝的AE2100-A渦槳發(fā)動機(jī)完成了液氫燃料運(yùn)行的地面測試，2023年9月在“珍珠”700發(fā)動機(jī)的全環(huán)燃燒室中開展了100%氫燃燒測試，測試結(jié)果可為羅羅公司關(guān)于氫燃燒的下一步研究提供參考。同時，羅羅公司還承擔(dān)了英國航空航天技術(shù)研究院（ATI）資助的總計8280萬英鎊的3個氫渦輪動力相關(guān)項(xiàng)目：氫動力系統(tǒng)技術(shù)（HYEST），項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)1480萬英鎊，研發(fā)液氫渦輪動力的燃燒室零部件及子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；氫渦輪動力設(shè)計的魯棒性實(shí)現(xiàn)（RACHEL），項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)3660萬英鎊，研發(fā)短艙、發(fā)動機(jī)外部及動力系統(tǒng)本身相關(guān)的氫能先進(jìn)技術(shù)，著眼于完整集成的動力系統(tǒng)和儲氫問題；液氫渦輪動力（LH2GT），項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)3140萬英鎊，研發(fā)從儲罐到燃燒室的氫輸送和控制技術(shù)，解決與低溫泵送、燃料計量、熱管理和控制系統(tǒng)相關(guān)的挑戰(zhàn)。

HYDEA項(xiàng)目

航空氫渦輪動力驗(yàn)證機(jī)（HYDEA）項(xiàng)目由GE子公司Avio Aero牽頭，項(xiàng)目總經(jīng)費(fèi)11671萬歐元，其中歐盟資助8050萬歐元，研究周期為2023年1月—2026年12月。HYDEA項(xiàng)目將全面展示氫渦輪動力的可行性，計劃于2026年前進(jìn)行地面測試。該項(xiàng)目致力于解決氫作為航空燃料的基本問題，包括排放研究及相關(guān)技術(shù)攻關(guān)，并為集成氫渦輪動力的新飛機(jī)的開發(fā)和認(rèn)證鋪平道路。

HYDEA的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)包含32家單位，分布在意大利、法國、德國、土耳其、波蘭、荷蘭、比利時、芬蘭、瑞士和烏克蘭等10個國家。HYDEA項(xiàng)目將改進(jìn)GE公司的“通行證”（Passport）20渦扇發(fā)動機(jī)（推力為73kN，涵道比為5.6），重新設(shè)計低溫氫燃料系統(tǒng)以及燃燒所涉及的部件，后續(xù)將采用空客公司的A380飛行試驗(yàn)平臺進(jìn)行飛行測試?？湛凸居?020年啟動了“零排放”（ZEROe）概念飛機(jī)項(xiàng)目，HYDEA項(xiàng)目的研發(fā)成果將成為ZEROe項(xiàng)目的核心。由于驗(yàn)證機(jī)可能無法完全反映未來的產(chǎn)品，項(xiàng)目將通過一系列研發(fā)活動來幫助了解簡化措施對驗(yàn)證機(jī)的影響，以及如何縮小與未來潛在產(chǎn)品的差距，如減少NOx排放、潛在的航跡排放，以及所有子系統(tǒng)與推進(jìn)系統(tǒng)和飛機(jī)集成的進(jìn)一步優(yōu)化等。

NEWBORN項(xiàng)目

航空用下一代高功率燃料電池（NEWBORN）項(xiàng)目，由霍尼韋爾公司牽頭，項(xiàng)目總經(jīng)費(fèi)4398 萬歐元，其中歐盟資助3332 萬歐元，研究周期為2023 年1 月—2026 年6月。NEWBORN 項(xiàng)目計劃在安全可行的情況下，盡快將以液氫為燃料的航空級燃料電池推向支線飛機(jī)市場。項(xiàng)目還將解決高功率密度高壓能量轉(zhuǎn)換、推進(jìn)系統(tǒng)和下一代微管換熱器的問題，目標(biāo)是在2026 年項(xiàng)目結(jié)束時推進(jìn)系統(tǒng)的整體效率達(dá)到50%。

該項(xiàng)目由位于捷克布爾諾的霍尼韋爾技術(shù)解決方案研發(fā)中心主導(dǎo)，來自10 個歐洲國家的18 個合作伙伴參與。德事隆（Textron）集團(tuán)下屬的蝙蝠飛機(jī)公司參與了系統(tǒng)總體需求的制定、動力總成的電池和系統(tǒng)工程工作，霍尼韋爾公司計劃在CAJU 的下一階段試飛該系統(tǒng)；西班牙航空結(jié)構(gòu)公司Acituri 正在建造該系統(tǒng)的低溫儲罐；瑞典PowerCell公司將負(fù)責(zé)開發(fā)一種在更高溫度下運(yùn)行的高效、高質(zhì)量的300kW 氫燃料電池組；德國Fraunhofer 研究所提供高功率密度電氣系統(tǒng)；英國諾丁漢大學(xué)將提供一臺高功率密度電動機(jī)，驗(yàn)證一種創(chuàng)新的電力傳動系統(tǒng)，與目前最先進(jìn)的解決方案相比，其電機(jī)和電子電力技術(shù)在功率密度和效率方面產(chǎn)生了實(shí)質(zhì)性變化；英國反應(yīng)發(fā)動機(jī)（RE）公司將提供換熱器技術(shù)。

使用液氫而非氫氣，是因?yàn)橐簹渚哂懈玫捏w積能量密度。雖然低溫儲存增加了復(fù)雜性，但液氫具有更好的有效載荷和航程特性，而且儲存在-253℃的液氫還可以用作熱沉。NEWBORN 項(xiàng)目將為支線飛機(jī)應(yīng)用提供兆瓦級氫燃料電池動力系統(tǒng)，2025 年年底將驗(yàn)證可廣泛擴(kuò)展的氫燃料電池動力技術(shù)（功率質(zhì)量密度大于 1.2 kW/kg），其中，電堆的功率質(zhì)量密度大于5kW/kg。1MW 推進(jìn)系統(tǒng)（包括電動機(jī)）的地面測試將于2026 年進(jìn)行，盡管該系統(tǒng)的技術(shù)成熟度僅為4 級（TRL4），或大多數(shù)組件達(dá)到TRL5，但該項(xiàng)目的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)最終的商業(yè)應(yīng)用。NEWBORN 項(xiàng)目正在開發(fā)的測試系統(tǒng)可提供1MW 的起飛功率，其系統(tǒng)設(shè)計可擴(kuò)展，未來可能起飛功率達(dá)到2×4MW，以滿足支線飛機(jī)的動力需求。項(xiàng)目所提出的架構(gòu)還包括鋰電池作為能量緩沖器，在起飛等高峰需求時提供額外功率，從而在大多數(shù)飛行階段優(yōu)化燃料電池系統(tǒng)。NEWBORN 項(xiàng)目將測試整個動力系統(tǒng)，以確保發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)或子系統(tǒng)之間的集成問題，從而確保將其集成到飛機(jī)上時只需進(jìn)行少量修改。

H2ELIOS項(xiàng)目

零排放飛機(jī)用輕質(zhì)氫儲罐（H2ELIOS）項(xiàng)目由西班牙航空結(jié)構(gòu)公司Aciturri牽頭，項(xiàng)目總經(jīng)費(fèi)1206 萬歐元，其中歐盟資助996 萬歐元，研究周期為2023 年1 月—2025 年12 月。實(shí)現(xiàn)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上可行的氫動力航空需要新的整體液氫儲罐解決方案，該解決方案可以作為機(jī)體主結(jié)構(gòu)的一部分，并能夠承受相應(yīng)的載荷。H2ELIOS 項(xiàng)目將開發(fā)一種可以集成到飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的輕質(zhì)液氫儲罐，機(jī)體可作為儲罐外壁，并對150kg 容量的儲罐開展地面測試，為后續(xù)600kg 容量儲罐的飛行測試奠定基礎(chǔ)。

H2ELIOS項(xiàng)目有15個合作伙伴參與，將為飛機(jī)開發(fā)一種創(chuàng)新有效的基于低壓雙層復(fù)合材料的輕質(zhì)液氫儲存系統(tǒng)。該系統(tǒng)將以兩個機(jī)體狀的圓柱段形態(tài)進(jìn)行驗(yàn)證，圓柱段外部直徑約1.9m、長度約2.3m，驗(yàn)證器將在項(xiàng)目完成時進(jìn)行地面測試，目的是將該概念嵌入并集成到特定的飛機(jī)架構(gòu)中，以便進(jìn)行飛行驗(yàn)證。這一概念將得到多學(xué)科設(shè)計開發(fā)、制造工藝和合規(guī)手段方面的最新技術(shù)支持，并在運(yùn)行條件下進(jìn)行證明。項(xiàng)目計劃在地面上達(dá)到TRL5，在CAJU第二階段結(jié)束時試飛并達(dá)到TRL6，預(yù)計在2030—2035年期間交付市場。

fLHYing tank項(xiàng)目

基于無人機(jī)平臺的液氫承載儲罐飛行驗(yàn)證（fLHYing tank）項(xiàng)目由蝙蝠飛機(jī)公司牽頭，項(xiàng)目總經(jīng)費(fèi)395萬歐元，其中歐盟資助300萬歐元，研究周期為2023年1月—2025年12月。該項(xiàng)目主要集中在歐洲航空安全局（EASA）的CS-23部涉及的較小飛機(jī)和無人機(jī)上，計劃2025年在無人機(jī)上對1000L的液氫儲罐開展飛行測試。

fLHYing tank項(xiàng)目有5個合作伙伴參與，旨在對蝙蝠飛機(jī)公司Nuuva V300貨運(yùn)無人機(jī)中的1000L液氫儲罐進(jìn)行飛行測試。該項(xiàng)目在幾個方面具有顛覆性：相關(guān)尺寸的全復(fù)合材料飛行載荷承載液氫儲罐的要求、設(shè)計、制造和鑒定的定義；使用無人機(jī)進(jìn)行低技術(shù)成熟度的危險技術(shù)的飛行測試，來加速知識的獲??；復(fù)合材料液氫儲罐的熱和結(jié)構(gòu)數(shù)字孿生體使用飛行測試數(shù)據(jù)，推進(jìn)航空技術(shù)的數(shù)字化認(rèn)證。fLHYing tank項(xiàng)目的主要影響是，由于使用無人機(jī)對相關(guān)尺寸的復(fù)合材料液氫儲存系統(tǒng)進(jìn)行了突破性的快速飛行測試，使航空業(yè)革命性技術(shù)的上市時間空前縮短，從而在最短的時間內(nèi)全面了解了液氫儲罐在飛行環(huán)境中的行為以及成本。

HyPoTraDe項(xiàng)目

氫燃料電池動力總成驗(yàn)證機(jī)（HyPoTraDe）項(xiàng)目由蝙蝠飛機(jī)公司牽頭，項(xiàng)目總經(jīng)費(fèi)450萬歐元，其中歐盟資助400萬歐元，研究周期為2023年1月—2025年12月。HyPoTraDe項(xiàng)目開展氫燃料電池電力總成系統(tǒng)驗(yàn)證，計劃2025年對全尺寸500kW的模塊化氫燃料電池/鋰電池混合分布式電動總成系統(tǒng)（包含低溫?zé)峁芾硐到y(tǒng)）開展地面測試。

HyPoTraDe項(xiàng)目有6個合作伙伴參與，將設(shè)計、組裝一套500kW模塊化燃料電池-分布式混合電推進(jìn)（DEP）動力系統(tǒng)架構(gòu)并進(jìn)行地面測試。地面測試活動將提供最佳系統(tǒng)架構(gòu)的快速表征、動力系統(tǒng)故障模式緩解的驗(yàn)證、復(fù)雜操作要求的演示（例如，在高冷卻劑溫度下的操作、起動和關(guān)閉特性、飛行中重新起動和電池充電等）以及模塊化動力系統(tǒng)故障安全能力的評估。此外，該系統(tǒng)還將配備一個數(shù)字孿生系統(tǒng)，利用地面測試活動的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。HyPoTraDe項(xiàng)目將對具有低溫?zé)峁芾砗偷湫碗娏ω?fù)載的不同系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行地面測試，提升氫燃料電池系統(tǒng)用于航空動力領(lǐng)域的適應(yīng)性和成熟度。

結(jié)束語

CAJU對于氫動力飛機(jī)的技術(shù)研發(fā)，有望使基于氫燃料電池動力的零排放通勤或支線飛機(jī)在2035年前實(shí)現(xiàn)早期部署。在此基礎(chǔ)上，受益于機(jī)載儲氫和供給系統(tǒng)的架構(gòu)進(jìn)步，結(jié)合氫渦輪動力的技術(shù)成熟，基于氫渦輪動力的零排放干線飛機(jī)有望稍后問世。