氫動力飛行發(fā)展展望

■ 王翔宇 / 中國航發(fā)研究院

在以清潔高效為核心愿景的航空“第三時代”，氫動力飛行的優(yōu)勢與潛力正在逐漸顯現(xiàn)，很可能成為航空業(yè)低碳發(fā)展的關鍵。

近年來，雖然飛行效率在以每年1.5%左右的速度提升，但機隊規(guī)模以每年4%的擴張預期意味著到2050年航空碳排放的數(shù)值仍將翻番。事實上，不僅是二氧化碳，傳統(tǒng)航空燃氣渦輪發(fā)動機工作時產生的氮氧化物、煙塵以及水蒸氣也會對環(huán)境造成不利影響。面對這一嚴峻的形勢，氫動力飛行的優(yōu)勢與潛力正在逐漸顯現(xiàn)。與航空煤油和可持續(xù)航空燃料（SAF）相比，氫動力可以完全消除二氧化碳以及其他溫室氣體的排放；與常規(guī)電池相比，液態(tài)氫無論是在質量上還是體積上都具有更高的能量密度。

德國航空航天中心研制的HY4氫動力飛機

“元素1號”氫動力飛機概念圖

氫動力飛行研發(fā)計劃紛紛出現(xiàn)

早在2015年，德國航空航天中心（DLR）就推出了全球首架4座氫燃料電池飛機HY4的研制計劃，其設計基于斯洛文尼亞蝙蝠公司的電動飛機“金牛座”G4，為單螺旋槳雙機體、每側機體并列雙座布局。機體間的螺旋槳由一臺85kW的電動機驅動，在起飛和爬升等需要高峰值功率時由鋰離子電池組供電，巡航階段則切換為短艙內的4個質子交換膜氫燃料電池，可產生45kW的電力，從而確保HY4能夠以145km/h的巡航速度連續(xù)飛行5h以上。

2018年10月，新加坡HES能源系統(tǒng)公司也發(fā)布了一款4座新概念飛行器“元素1號”，采用了全新的氫燃料電池和分布式電推進結合的設計方案，機翼上安裝了14臺功率為5 ～8kW的電動機且每臺電動機后面都有一個氫燃料罐，這種分布式儲能可有效增加燃料攜帶量。HES能源系統(tǒng)公司宣稱“元素1號”可選用氣態(tài)氫或液態(tài)氫作為燃料，后者有可能將續(xù)航時間增加到15 ～20h，航程可達5000km。

2020年9月，總部位于美國加州的ZeroAvia公司試飛了全球首架氫動力商用飛機。改造后的6座派珀飛機僅依靠氫燃料電池飛行了8min，飛行速度達到185km/h，功率約為230kW，接近飛機原裝活塞式發(fā)動機，相當于“元素1號”的兩倍。作為一家氫動力總成公司，ZeroAvia通過與現(xiàn)有航空制造商和運營商合作，將涉及的氫動力系統(tǒng)無縫配裝到現(xiàn)有飛機上而非打造全新的氫動力飛行器，有望在2023年年底為航程為800km的10 ～20座飛機加裝氫動力系統(tǒng)，賽斯納208、DHC-6和多尼爾228等機型均有可能進行類似的改裝，到2030年則可為“沖鋒”8和ATR42等50 ～100座支線飛機提供氫動力。

幾乎就在ZeroAvia公司試飛的同時，空客公司發(fā)布了號稱能改變游戲規(guī)則的未來氫動力飛機概念ZEROe，甚至將之稱為“航空業(yè)有史以來最重要的轉型”。與那些初創(chuàng)公司單純的氫燃料電池動力不同，ZEROe概念機均為氫混合動力，既將氫氣引入改進過的燃氣渦輪發(fā)動機直接燃燒產生推力，又通過氫燃料電池產生電力與燃氣渦輪發(fā)動機形成互補，具體包括渦扇氫混合動力、渦槳氫混合動力以及翼身融合混合動力3種構型。其中，第一種由兩臺氫燃料渦扇發(fā)動機提供動力，液氫儲存和分配系統(tǒng)位于后增壓艙，預計能搭載120 ～200名乘客，航程在3700km左右；第二種的液氫儲存和分配系統(tǒng)設計與第一種類似，只是換成了兩臺氫燃料渦槳發(fā)動機驅動六葉螺旋槳前進，搭載乘客100名左右，瞄準短程飛行市場；第三種液氫儲罐位于機翼下方，內部空間較為寬敞，主動力仍為兩臺氫燃料渦扇發(fā)動機。

ZeroAvia公司研發(fā)的氫燃料電池飛機

ZEROe概念機示意（來源：空客公司）

雖然ZEROe概念機目前還停留在演示文稿（PPT）階段，不過空客公司有信心在2035年實現(xiàn)零排放民用飛機的商業(yè)運營，甚至不排除屆時將氫動力飛機作為下一代主打窄體飛機產品的可能。當然，目前的混合動力方案并不意味著空客公司對氫燃料電池的忽視，而是與德國汽車燃料電池供應商ElringKlinger成立了合資公司開發(fā)相關技術。ElringKlinger公司表示采用金屬雙極板和特殊設計的膜電極組件密封設計后，可以更好地分配參與反應的氫氧組分，消除活性區(qū)域的過高熱量并防止氣體和冷卻劑的泄漏，這樣燃料電池的質量、體積和成本會大大降低，其功率密度超過了預期的15%以上。2020年12月，空客公司又公布了一種以6個推進吊艙為主要特征的全新氫動力飛機構型，每個吊艙由各自獨立的液氫儲罐、冷卻系統(tǒng)、燃料電池、電力電子裝置、電動機、八葉螺旋槳以及其他必要的輔助設備組成。顯然吊艙構型本質上就是一種分布式燃料電池推進系統(tǒng)，即使個別推進吊艙出現(xiàn)故障無法正常運轉，也不會影響其余吊艙重新平衡推力，飛行動力冗余度得以大大提升。此外，相比之前的氫動力飛機設計概念，吊艙構型不但更易于實現(xiàn)對氫動力單元的快速拆卸維護，還能夠釋放更大的機艙空間從而搭載更多的旅客和貨物。

航空發(fā)動機制造商也紛紛開始在氫動力推進領域發(fā)力布局。羅羅公司已積極參與了多個制氫項目，通過小型模塊化反應堆產生零碳電力，可直接為電網(wǎng)供電從而驅動電解槽產生綠色氫；利用與最近成立的戴姆勒/沃爾沃合資公司的合作關系，將氫燃料電池用作其數(shù)據(jù)中心等安全關鍵設施供能的應急發(fā)電機。GE航空集團已經在全球安裝了70多臺可燃燒氫氣混合燃料發(fā)電的燃氣輪機，擬將在燃燒啟停、燃料噴射、燃燒防回火以及氮氧化物排放等方面積累的豐富經驗推廣到航空動力領域；普惠公司計劃探索改造PW1000G發(fā)動機，采用氫燃料的可行性，同時希望開發(fā)更多的發(fā)動機集成熱循環(huán)設計，以充分利用液氫中儲存的能量和液氫汽化時的吸熱能力。不過也要注意到，在技術、安全、取證、操作乃至社會認可等方面的障礙被攻克之前，航空動力制造商關于未來氫動力飛行投放時間的表態(tài)普遍較為慎重，目前并未提出獨立的氫動力飛行器整機設計驗證計劃，這一點與空客公司雄心勃勃的概念構想形成了明顯的差異。

吊艙式氫動力飛機概念（來源：空客公司）

氫動力飛行發(fā)展路線選擇

氫動力飛行方式有燃氣渦輪發(fā)動機直接燃燒氫氣（氫燃料飛機）和氫燃料電池電推進（氫電池飛機）兩種。用氫燃料替換航空煤油主要改變了燃氣渦輪發(fā)動機的燃燒室以及燃料儲存和輸送部件，這樣可充分利用燃氣渦輪發(fā)動機的固有優(yōu)勢，看似對飛機和發(fā)動機的重新改動量似乎并不大。雖然氫的能量密度是航空煤油的3倍，但是同樣的能量即便將氫氣壓縮到液態(tài)，其所占的體積也是航空煤油的4倍多，這就涉及到在盡可能不改變飛機總體設計的基礎上如何開發(fā)輕質、隔熱的高強度燃料箱的問題。此外，由于是自然界存在的最小分子，高壓下的氫非常容易擴散到周圍金屬材料中使之脆化，相應地帶來了閥門計量和燃料泄漏的新問題。事實上，氫燃料在燃氣渦輪發(fā)動機中是以液態(tài)還是以氣態(tài)的方式進行管理，目前仍沒有一個明確的答案。

盡管氫氧燃燒反應簡單迅速，但如果不能實現(xiàn)氫氣和空氣的“完美”混合，比航空煤油更高的燃燒溫度和更快的火焰?zhèn)鞑ニ俣葧е逻^量的氮氧化物產生。目前考慮的解決方案是將燃氣渦輪發(fā)動機中少量大型的噴嘴改造為數(shù)千個非常小的燃料噴口，在保留火焰擴散性的同時加強了氫氣和空氣的混合程度、降低了駐留時間，可大幅度消除燃燒反應的局部過熱點，從而有效減少氮氧化物的排放。從環(huán)境保護的角度看，氫氣直接燃燒生成的水并不能像燃料電池那樣大部分被儲存起來，過量水蒸氣可能誘導出煙塵和云霧阻礙熱輻射，有分析認為這種影響在大氣平流層會更加劇烈，而這也正是直接燃燒氫氣的渦輪發(fā)動機所配裝的商用飛機的主要飛行區(qū)域。

微混合氫燃燒器（來源：航空周刊）

相比之下，氫燃料電池有可能成為真正的溫室氣體零排放解決方案。氫燃料電池電解反應中產生雜質的可能性微乎其微，而產生的水蒸氣除了被儲存外也主要釋放到了通航飛機活動的對流層，對環(huán)境的危害要小得多。不僅如此，氫燃料電池與電動機結合后的效率仍有60%左右，較氫氣直接燃燒40%的效率有優(yōu)勢，同時在分布式推進總體設計下引入邊界層攝取和流量控制等技術，還可額外降低20% ～30%的燃料消耗，飛行過程中也會變得更加安靜。當然電池、電動機和電力電子設備組成的電動系統(tǒng)意味著飛機總體結構設計發(fā)生了根本性變化，依靠螺旋槳旋轉產生推力也限制了其在高空高速飛行上的應用。而即便是通用航空領域，氫燃料電池在面對同樣清潔高效的鋰離子電池時也難以占到上風，雖然有能量密度和使用壽命優(yōu)勢，但后者在功率密度、動態(tài)響應特性和綜合成本上表現(xiàn)更佳。

目前，航空界關于氫動力發(fā)展路線的討論還在進行之中。《航空周刊》認為，燃氣渦輪發(fā)動機采用氫燃料之路更加漫長和艱難，而稍早時候羅蘭貝格公司發(fā)布的咨詢報告則鮮明地給出了氫燃料電池飛機會稍晚出現(xiàn)的結論。有一點可以確定，無論是氫氣直接燃燒還是氫燃料電池，氫動力飛行將主要聚焦在當前由支線飛機和窄體飛機承擔的中短途民用航空市場，考慮到能量密度與功率密度的限制，那些長距離大型航班仍將選用可持續(xù)航空燃料，而在以城市空中交通為代表的通用航空領域將由鋰電池驅動的eVTOL飛行器主導?？梢?，在未來低碳環(huán)保的發(fā)展大趨勢下，由燃氣渦輪發(fā)動機帶動發(fā)電機運轉的混合電推進系統(tǒng)會成為氫動力系統(tǒng)在民用航空市場的主要競爭對手。

鋰電池和氫燃料電池對比（來源：飛行汽車eVTOL）

氫動力飛行面臨的挑戰(zhàn)

毫無疑問，為了使氫動力飛行真正變成現(xiàn)實，需要對飛行器進行重大革新，這意味著從機體布局到發(fā)動機，再到燃料儲存系統(tǒng)，幾乎所有的部件都需要重新設計。如前所述，氫燃料飛機仍由改進后的渦輪發(fā)動機提供動力，鑒于相對航空煤油的體積能量密度降低，有必要改變機艙布局、增加機體尺寸以加大氫燃料儲存能力，這也會帶來飛機氣動外形的變化。氫電池飛機除了儲能方面的考慮外，還要整合電動機、電力電子設備等分布式推進系統(tǒng)，傳統(tǒng)飛機的管狀和翼狀組合結構更會被徹底取代。另外，液態(tài)氫的儲存需要極低的外界溫度，冷卻所需的能量甚至相當于燃料自身能量的45%，不但導致了復雜而沉重的隔熱殼體設計，從儲存到輸運的過程中也不可避免地伴隨著巨大的能量損失。顯然，為了充分發(fā)揮液氫的高能量密度，必須在輕量化儲罐推進低溫冷卻系統(tǒng)設計方面取得重大進展。

模塊化氫儲罐概念圖（來源：通用氫能公司）

除了航空業(yè)自身的努力外，氫動力飛行的發(fā)展前景還與氫能源供應鏈體系的構建有著密切聯(lián)系。第一，工業(yè)用氫目前只有4%是通過電解制備的，其余如甲烷蒸氣轉化法和煤炭氣化法等都會產生副產物二氧化碳，這與利用氫能源實現(xiàn)航空業(yè)低碳發(fā)展的初衷是完全違背的，而即便是電解如果不利用可再生能源發(fā)電的話也無法成為“綠色”氫能源。第二，即使不計算儲存費用，“綠色”氫氣的生產成本接近航空煤油的3倍。第三，氫能源基礎設施建設應與技術攻關同步進行，其中的關鍵就是如何由工廠向機場輸送液氫以及如何在機場給飛機加氫。目前有研究表明利用現(xiàn)有天然氣網(wǎng)絡改造實現(xiàn)氫氣運輸是可能的，只是需要大量的資金支持。

說起基礎設施建設，就不得不提到氫燃料電池汽車。就在過去10年，全球電動汽車產業(yè)迎來了突破性發(fā)展的時候，曾經被業(yè)界高度看好的氫燃料電池汽車卻始終不溫不火。事實上，與氫燃料電池汽車相比，純電動汽車的最大優(yōu)勢就在于無所不在的電力基礎設施的支持，哪怕只有一個普通的家用插座也可以為電動汽車充電，然而即便是發(fā)達國家，例如，美國目前也只有44個加氫站，嚴重的出行限制打消了市場上絕大部分的購買熱情。近一年來，通用汽車、戴姆勒奔馳、日產以及福特等老牌汽車制造商更是紛紛暫停了氫燃料電池汽車研發(fā)計劃。但是與汽車出行的隨心所欲完全不同，氫動力飛行所針對的民用航空市場則是嚴格按照時刻表點對點的，只要讓主要空港樞紐具備氫動力飛行的服務保障能力，就可以盤活整個市場的運轉。還是以美國為例，想要建設15萬座加氫站、使之達到和加油站相仿的分布密度無疑是異想天開，但在未來將已有的500多個支持民用飛行的機場進行基礎設施改造是很有可能逐步實現(xiàn)的。因此，如果用氫燃料電池汽車暗淡的未來去類比氫動力飛行是不合適的，后者需要克服的社會發(fā)展慣性比前者要小得多，當然它也需要更大的技術飛躍去真正走進人們的生活。

“換氫”模式下的氫動力飛行市場體系構想（來源：通用氫能公司）

結束語

在氫動力飛行的發(fā)展前景和市場價值越發(fā)得到航空界認可的同時，也要認識到目前氫能源在理論和應用研究上還存在很多未知領域，到2025年氫動力技術成熟度至少達到6級才有望在2030—2035年形成相關產品進入市場。未來30年內，現(xiàn)有的航空發(fā)動機仍將活躍在民航機隊中。這期間為了更好地適配現(xiàn)有機隊，無論是可持續(xù)航空燃料、全電推進系統(tǒng)、混合電推進系統(tǒng)還是更高效環(huán)保的燃氣渦輪發(fā)動機，航空動力系統(tǒng)仍需要嘗試采用多種多樣的發(fā)展路徑，為不同的飛行任務提供不同的動力方案，以幫助整個行業(yè)逐步實現(xiàn)低碳發(fā)展目標。