2023年航空氫動力進(jìn)展

■ 韓玉琪 / 中國航空發(fā)動機(jī)研究院

氫能具有清潔低碳、應(yīng)用場景豐富、來源廣泛、高效儲能的優(yōu)點(diǎn)，在碳中和發(fā)展的大趨勢下，將成為能源體系的重要組成部分，但也存在易燃易爆、易泄漏、極難存儲、計(jì)量控制難度大等現(xiàn)實(shí)技術(shù)難題有待解決。

氫能航空研發(fā)活動在2023年持續(xù)增強(qiáng)，多國開展相關(guān)的大型預(yù)研計(jì)劃以支撐碳中和戰(zhàn)略落地實(shí)施，尤其以歐洲國家最為積極，業(yè)界在前期論證的基礎(chǔ)上開展多個細(xì)分領(lǐng)域的技術(shù)攻關(guān)，并實(shí)現(xiàn)多架氫動力飛機(jī)試飛，同時也注重開展政產(chǎn)學(xué)研用合作，以加速技術(shù)成熟并早日投入使用。

大型預(yù)研計(jì)劃加速氫能航空實(shí)現(xiàn)

在戰(zhàn)略落地方面，歐盟、英國、日本等地區(qū)和國家在前幾年針對可持續(xù)航空開展的論證工作基礎(chǔ)上，均將氫能航空視為“換道超車”的新機(jī)遇，通過國家級的預(yù)研計(jì)劃加速相關(guān)技術(shù)成熟。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前上述各國氫能航空相關(guān)研發(fā)項(xiàng)目中，政府總投入超過60億人民幣，研發(fā)活動包括氫渦輪動力、氫燃料電池動力（簡稱氫電動力）、機(jī)載儲氫、氫能飛機(jī)架構(gòu)、機(jī)場氫能基礎(chǔ)設(shè)施，以及運(yùn)營、安全與認(rèn)證等6個方面，而且主要集中在前三個方面。

CAJU將氫動力飛機(jī)作為重點(diǎn)研發(fā)領(lǐng)域

2023年1月，歐盟清潔航空聯(lián)合行動（CAJU）第一批項(xiàng)目撥款協(xié)議已簽署并正式啟動實(shí)施，設(shè)置了5個研發(fā)領(lǐng)域，包括氫動力飛機(jī)、混合電推進(jìn)支線飛機(jī)、超高效中短程飛機(jī)、交叉領(lǐng)域和支撐行動，前三個領(lǐng)域?yàn)樵撚?jì)劃的重點(diǎn)研發(fā)領(lǐng)域。氫能航空相關(guān)項(xiàng)目的詳細(xì)信息如表1所示，氫動力飛機(jī)領(lǐng)域包含6個項(xiàng)目（表中前6個），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。此外，在超高效中短程飛機(jī)領(lǐng)域，HEAVEN項(xiàng)目包含氫渦輪動力研發(fā)內(nèi)容，F(xiàn)ASTER-H2項(xiàng)目開展氫動力飛機(jī)機(jī)身的架構(gòu)集成研究；交叉領(lǐng)域下的CONCERTO項(xiàng)目包含氫能技術(shù)的認(rèn)證研究。

表1 CAJU第一批項(xiàng)目中氫能航空相關(guān)項(xiàng)目

2023年9月，CAJU確定在第二批項(xiàng)目中，將歐盟資助資金中的8600萬歐元專門用于氫動力飛機(jī)領(lǐng)域，具體包含3個項(xiàng)目：賽峰集團(tuán)牽頭的氫推進(jìn)技術(shù)研究（Trophy）項(xiàng)目；空客公司牽頭的兆瓦級氫燃料電池動力系統(tǒng)（Fame）項(xiàng)目；以及由MTU公司牽頭的氫電零排放推進(jìn)系統(tǒng)（Herops）項(xiàng)目。

CHJU持續(xù)研發(fā)航空氫燃料電池及機(jī)載儲氫技術(shù)

歐盟清潔氫能聯(lián)合行動（CHJU）于2021年11月啟動，該計(jì)劃及其前序計(jì)劃（燃料電池與氫能計(jì)劃、燃料電池與氫能2計(jì)劃）持續(xù)研發(fā)航空氫燃料電池技術(shù)，2023年在研項(xiàng)目的詳細(xì)信息如表2所示，主要研究內(nèi)容包括：機(jī)載輕質(zhì)液氫儲罐、航空用氫燃料電池、應(yīng)急動力裝置及輔助動力裝置等技術(shù)。

ATI研發(fā)氫渦輪動力和氫電動力

2023年2月，英國航空航天技術(shù)研究院（ATI）資助羅羅公司總計(jì)8280萬英鎊的3個項(xiàng)目，以研發(fā)氫渦輪動力相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，主要包括：氫燃燒室技術(shù)、集成的氫渦輪動力系統(tǒng)和儲氫技術(shù)、氫輸送和控制技術(shù)。2023年4月，有報(bào)道稱，ATI啟動了氫能力網(wǎng)絡(luò)第0階段（HCNP0）項(xiàng)目，這項(xiàng)為期12個月的研究將評審氫能網(wǎng)絡(luò)如何支持英國航空航天工業(yè)。此外，ATI資助的航空氫動力在研項(xiàng)目還包括H2GEAR項(xiàng)目、HyFlyer II項(xiàng)目和Fresson項(xiàng)目，如表3所示。

表3 2023年ATI資助的氫能航空在研項(xiàng)目

日本“下一代飛機(jī)發(fā)展”計(jì)劃將重點(diǎn)研發(fā)氫動力飛機(jī)

2023年5月，日本推出了“下一代飛機(jī)發(fā)展”計(jì)劃，該計(jì)劃總預(yù)算210億日元（1.4億美元），通過利用日本在氫和材料核心技術(shù)方面的優(yōu)勢，在全球碳中和行動中加強(qiáng)日本飛機(jī)工業(yè)競爭力。該計(jì)劃包括兩大研究主題：氫動力飛機(jī)核心技術(shù)；復(fù)雜形狀和顯著輕量化的初級飛機(jī)結(jié)構(gòu)的開發(fā)。

西班牙“航空技術(shù)”計(jì)劃將研發(fā)氫能航空動力

2023年3月，由ITP Aero公司領(lǐng)導(dǎo)的西班牙國家團(tuán)隊(duì)成立，目的是開發(fā)該國第一臺氫能航空動力裝置，并計(jì)劃于2025年進(jìn)行首次測試。該項(xiàng)目名為“航空運(yùn)輸中的低溫學(xué)、燃料電池和氫燃燒”，是西班牙工業(yè)技術(shù)發(fā)展中心（CDTI）管理的航空技術(shù)計(jì)劃的一部分。該項(xiàng)目投資1200萬歐元，包括4個研究領(lǐng)域：開發(fā)將液態(tài)氫轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氫的調(diào)節(jié)技術(shù)及其在渦輪發(fā)動機(jī)中的使用規(guī)范；開發(fā)燃料電池推進(jìn)系統(tǒng)；氫燃燒基礎(chǔ)研究；修改現(xiàn)有發(fā)動機(jī)以適配天然氣和氫氣的混合物，為過渡到純氫氣運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

氫渦輪動力實(shí)現(xiàn)燃燒技術(shù)突破

在技術(shù)創(chuàng)新方面，羅羅公司和賽峰集團(tuán)等企業(yè)積極布局氫渦輪動力并實(shí)現(xiàn)燃燒技術(shù)突破。

羅羅公司完成“珍珠”700發(fā)動機(jī)100%燃?xì)錅y試

2023年9月，羅羅公司宣布其與英國拉夫堡大學(xué)和德國航空航天中心（DLR）合作，使用100%氫燃料在DLR位于科隆的設(shè)備上對“珍珠”700渦扇發(fā)動機(jī)的全環(huán)燃燒室進(jìn)行了試驗(yàn)，通過干預(yù)空氣和氫燃料的反應(yīng)速率來控制火焰位置，驗(yàn)證了新設(shè)計(jì)的燃料噴嘴，并證明了氫燃料可在最大起飛推力狀態(tài)下燃燒。

賽峰集團(tuán)、空客公司和阿麗亞娜集團(tuán)共同完成航空氫燃料燃燒系統(tǒng)組件測試

2023年5月，賽峰集團(tuán)、空客公司及阿麗亞娜集團(tuán)共同開展的對環(huán)境負(fù)責(zé)的航空氫推進(jìn)（HyPERION）項(xiàng)目，完成了氫渦輪動力中氫氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的概念驗(yàn)證測試，此次試驗(yàn)是通過使用航天器中的電動泵、燃?xì)獍l(fā)生器和換熱器等設(shè)備實(shí)現(xiàn)的。HyPERION項(xiàng)目研究周期為2020年12月—2023年6月，由法國政府未來投資（PIA）計(jì)劃資助，項(xiàng)目研究覆蓋了氫燃料從離開儲罐到噴射燃燒的全過程，并評估了氫氣與燃燒系統(tǒng)所用金屬的兼容性。

空客公司完成小型氫渦輪動力試飛

2023年11月，空客子公司UpNext的氫氣尾跡研究實(shí)驗(yàn)中心使用改裝后的“藍(lán)色禿鷹”滑翔機(jī)開展了氫渦輪動力的飛行測試，該動力由德國Aero Design Works公司基于捷克PBS公司生產(chǎn)、推力110kgf的TJ-100小型渦噴發(fā)動機(jī)改裝而成，此次飛行為其首次使用氫氣作為唯一燃料，由70MPa的高壓氫罐提供，目的是提高氫渦輪動力在2100m高空的推力，同時在不同速度下保持飛機(jī)穩(wěn)定，并開展了3000m高空發(fā)動機(jī)起動等測試。公司計(jì)劃于2024年年初開展飛行尾跡研究，研究活動將為配裝大型氫渦輪動力的ZEROe A380飛行臺的飛行試驗(yàn)指明方向。

氫電動力或?qū)⒙氏冗M(jìn)入市場

大量初創(chuàng)公司聚焦氫電動力并實(shí)現(xiàn)最大配裝50座級飛機(jī)的試飛，氫電動力有望在2025—2030年配裝通勤飛機(jī)進(jìn)入市場。

ZeroAvia公司完成19座氫電動力飛機(jī)首飛

2023年1月，美國ZeroAvia公司成功試飛19座的多尼爾（Dornier） 228飛行平臺，這架雙發(fā)飛機(jī)經(jīng)過改裝，左翼上安裝了ZeroAvia公司的氫電動力ZA600，右翼是一臺霍尼韋爾公司的TPE-331渦槳發(fā)動機(jī)。氫電動力總成包括兩個燃料電池堆，以及在起飛期間提供峰值功率支持并為安全測試增加額外冗余的鋰電池組。氫罐和燃料電池發(fā)電系統(tǒng)安裝在機(jī)艙內(nèi)，在商業(yè)配置中，將使用外部儲存并恢復(fù)座位。

“大篷車” 飛機(jī)ZA600動力系統(tǒng)

2023年4月，ZeroAvia公司首次發(fā)布了其初始飛機(jī)平臺和動力產(chǎn)品路線圖的詳細(xì)信息。ZeroAvia公司的600kW的ZA600動力系統(tǒng)的首個應(yīng)用平臺是賽斯納“大篷車”飛機(jī)，ZA600將改裝替換普惠PT6A渦槳發(fā)動機(jī)，并將其大部分系統(tǒng)封裝在“大篷車”的機(jī)頭中，目標(biāo)是2025年進(jìn)入市場；目前已在開發(fā)中的ZA2000的初始2MW版本，將從2027年開始用于改裝的大型渦槳支線飛機(jī)；還將針對不同飛機(jī)開發(fā)相適用的動力系統(tǒng)，最高功率將達(dá)10MW以上。

環(huán)球氫能公司完成50座級氫電動力飛機(jī)首飛

2023年3月， 美國環(huán)球氫能（UH2）公司完成“沖”（Dash）8-300飛機(jī)首飛，飛機(jī)一側(cè)的PW123渦槳發(fā)動機(jī)被替換為氫電動力，成為了迄今為止最大的燃料電池動力驗(yàn)證飛機(jī)。改裝后的“沖”8飛機(jī)機(jī)艙內(nèi)部有兩排測試電子和傳感器組件，以及兩個容量30kg的大型氫燃料罐。位于飛機(jī)右翼下方的640kW的電動機(jī)由新型氫燃料電池驅(qū)動，整個飛行過程中，氫燃料電池能產(chǎn)生高達(dá)800kW的功率。

空客公司進(jìn)行1.2MW氫電系統(tǒng)的全功率運(yùn)行測試

2023年6月，空客公司宣布，經(jīng)過6個月的地面測試，其在電動飛機(jī)系統(tǒng)測試室（EAS）開展了1.2MW燃料電池系統(tǒng)全功率運(yùn)行測試，該測試通過多個功率通道耦合驅(qū)動單個螺旋槳實(shí)現(xiàn)，空客公司是航空業(yè)中唯一實(shí)現(xiàn)這樣完整動力“鏈”的公司，該動力“鏈”連接12個燃料電池以達(dá)到商業(yè)用途所需的輸出功率。

H2Fly公司完成全球首次液氫燃料電池動力飛機(jī)試飛

2023年9月，德國H2Fly公司成功完成全球首次完全由液氫驅(qū)動的載人電動飛機(jī)HY4試飛，試驗(yàn)結(jié)果表明，采用液氫能使HY4飛機(jī)的最大航程增加一倍，達(dá)到1500km。HY4左側(cè)機(jī)身的駕駛艙區(qū)域安裝有雙層壁真空隔熱圓柱形液氫儲罐，通過內(nèi)部加熱器對儲罐中的液氫加壓，并使用換熱器利用燃料電池的廢熱將液氫蒸發(fā)為氫氣，后輸送至使用質(zhì)子交換膜技術(shù)的燃料電池，可在較高的溫度下運(yùn)行以提高性能。HY4飛機(jī)配備了80kW的電動機(jī)和21kW·h的鋰電池（連續(xù)輸出功率45kW），可在起飛和爬升階段提供額外的電力供給。

NASA完成低溫氫電概念客機(jī)第一階段研發(fā)

2023年7月， 美國國家航空航天局（NASA）與伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校（UIUC）簽署協(xié)議，將NASA在大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)力倡議（ULI）下的高效飛機(jī)電氣技術(shù)中心（CHEETA）項(xiàng)目延長了2年（開始第二階段）。CHEETA項(xiàng)目于2019年啟動，第二階段將推進(jìn)零排放概念客機(jī)開發(fā)，概念機(jī)使用液氫作為燃料和冷卻劑，以實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)性能，提高效率并減輕質(zhì)量。為了有效集成液氫儲罐、機(jī)身和風(fēng)扇等眾多子系統(tǒng)，計(jì)劃先使用氣態(tài)氫燃料開展縮比模型試飛。第二階段將開展300 kW低溫冷卻電機(jī)、300 kW零損耗超導(dǎo)電纜、300L液氫儲罐等子部件測試。其中，液氫儲罐的重量指數(shù)（GI）計(jì)劃達(dá)到60%（現(xiàn)有液氫儲罐小于30%）。

氫能航空相關(guān)研發(fā)聯(lián)盟不斷涌現(xiàn)壯大

在管理創(chuàng)新方面，歐盟、英國、中國等地區(qū)和國家成立研發(fā)聯(lián)盟來加速多學(xué)科專業(yè)交叉群集、多領(lǐng)域技術(shù)融合集成，加強(qiáng)政產(chǎn)學(xué)研用深度融合，共同推動氫能航空的創(chuàng)新研發(fā)。

歐盟零排放航空聯(lián)盟持續(xù)壯大

截至2023年11月22日，零排放航空聯(lián)盟（AZEA）成員已增長至161個，包含了飛機(jī)制造商、發(fā)動機(jī)制造商、航空公司、機(jī)場、能源公司、燃料供應(yīng)商、認(rèn)證機(jī)構(gòu)、乘客團(tuán)體和監(jiān)管機(jī)構(gòu)在內(nèi)的行業(yè)利益相關(guān)者。AZEA于2022年6月由歐盟委員會正式設(shè)立，以呼吁航空界通過引進(jìn)氫動力和電推進(jìn)飛機(jī)來實(shí)現(xiàn)歐洲2050年的碳中和目標(biāo)，AZEA關(guān)注機(jī)場氫動力和電推進(jìn)飛機(jī)的燃料和基礎(chǔ)設(shè)施要求、可再生燃料和電力的獲取、標(biāo)準(zhǔn)化和認(rèn)證、運(yùn)營商（航空公司）的行動和空中交通管理等領(lǐng)域的解決方案。

CHEETA概念客機(jī)

CAJU加強(qiáng)與其他組織的戰(zhàn)略合作

2023 年3 月，CAJU 和CHJU 簽署諒解備忘錄，開展氫動力航空技術(shù)研究和創(chuàng)新戰(zhàn)略合作，主要包括：航空氫技術(shù)領(lǐng)域資助資金、工作方案規(guī)劃和協(xié)同以及項(xiàng)目征集。2023年6月，CAJU與法國奧克西塔尼大區(qū)、意大利坎帕尼亞大區(qū)均簽署了合作備忘錄，以加快低排放飛機(jī)技術(shù)的成熟與演示驗(yàn)證，并于2035年前進(jìn)入航線服務(wù)。

此外，2022年10月， 歐洲航空安全局（EASA）與CAJU在布魯塞爾簽署合作備忘錄，合作范圍包括：針對CAJU研究的新概念和新技術(shù)，消除風(fēng)險并驗(yàn)證其可行性；行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展演變；飛機(jī)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的新認(rèn)證方法和符合性認(rèn)證方式；與其他監(jiān)管機(jī)構(gòu)和國際民航組織（ICAO）協(xié)調(diào)制定監(jiān)管規(guī)章。

英國成立航空氫能聯(lián)盟

2023年9月，英國成立航空氫能聯(lián)盟（HIA），成員為英國航空和可再生能源領(lǐng)域的一批領(lǐng)先企業(yè)，包括易捷航空公司、羅羅公司、空客公司、GKN公司和布里斯托爾機(jī)場等。HIA將致力于確保英國充分利用氫能為航空業(yè)和整個國家?guī)淼木薮髾C(jī)遇，加快實(shí)現(xiàn)零碳航空。該聯(lián)盟指出，政府需要關(guān)注3個關(guān)鍵領(lǐng)域：支撐英國成為全球領(lǐng)導(dǎo)者所需的基礎(chǔ)設(shè)施；確保航空監(jiān)管制度為氫能做好準(zhǔn)備；以及將氫能航空研發(fā)支持資金轉(zhuǎn)變?yōu)橐豁?xiàng)為期10年的計(jì)劃，只有這樣英國才能獲得經(jīng)濟(jì)效益并實(shí)現(xiàn)脫碳目標(biāo)。

中國發(fā)布國際綠色航空協(xié)會倡議

2023年10月，中國航空學(xué)會正式向全球發(fā)布了國際綠色航空協(xié)會（IAGA）倡議，旨在以“通過技術(shù)進(jìn)步與全球合作促進(jìn)航空可持續(xù)發(fā)展”為愿景，促進(jìn)新技術(shù)在綠色航空領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，加快全球航空產(chǎn)業(yè)鏈全體參與者達(dá)成雙碳目標(biāo)的進(jìn)程。IAGA業(yè)務(wù)范圍覆蓋：產(chǎn)業(yè)研究與合作，包括產(chǎn)業(yè)報(bào)告與路線圖制定、國際合作項(xiàng)目以及展覽；學(xué)術(shù)交流與咨詢，包括會議、出版與咨詢；評獎與評定，包括國際獎項(xiàng)、院士評選以及標(biāo)準(zhǔn)制定；人才培養(yǎng)與舉薦，包括設(shè)置獎學(xué)金、開展培訓(xùn)與認(rèn)證以及科學(xué)普及等方面。

“機(jī)場氫能樞紐”網(wǎng)絡(luò)持續(xù)擴(kuò)張

2023年12月，德國漢堡機(jī)場加入“機(jī)場氫能樞紐”網(wǎng)絡(luò)，成為其第12個成員，以促進(jìn)航空氫能基礎(chǔ)設(shè)施的進(jìn)一步擴(kuò)張，該網(wǎng)絡(luò)的成員已經(jīng)包括來自法國、美國、英國、新加坡、日本、韓國和新西蘭等11個國家的機(jī)場管理部門、航空公司和能源部門等。該國際網(wǎng)絡(luò)由空客公司于2020年推出，以幫助機(jī)場確定未來氫能飛機(jī)的基礎(chǔ)設(shè)施需求，研究、開發(fā)和擴(kuò)大氫的使用基礎(chǔ)設(shè)施，以及整個價值鏈的低碳機(jī)場運(yùn)營，為2035年ZEROe氫動力飛機(jī)投入運(yùn)營做好準(zhǔn)備。

結(jié)束語

2023年，世界范圍內(nèi)的氫能航空研發(fā)活動持續(xù)加強(qiáng)，各國政府、飛機(jī)商、發(fā)動機(jī)商等多個層級的氫能航空戰(zhàn)略布局正在緊鑼密鼓的落地實(shí)施，并實(shí)現(xiàn)多個細(xì)分領(lǐng)域的技術(shù)突破，基于航空氫動力的零排放飛機(jī)正在逐步走進(jìn)現(xiàn)實(shí)。