英國零碳飛行氫動(dòng)力技術(shù)發(fā)展路線圖

■ 李明 劉金超 / 中國航發(fā)研究院

針對(duì)未來零碳排放飛行，英國于2021年開展了一項(xiàng)名為“零碳飛行”（FlyZero）的系統(tǒng)性研究，重點(diǎn)關(guān)注氫能，內(nèi)容涉及飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、材料制造、基礎(chǔ)設(shè)施、未來市場等諸多方面，氫動(dòng)力技術(shù)是其中的核心內(nèi)容，是零碳目標(biāo)能否實(shí)現(xiàn)的決定因素。

英國航空航天技術(shù)研究院（ATI）在“零碳飛行”（FlyZero）項(xiàng)目研究成果中，給出了氫能航空可行性報(bào)告和13個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展路線圖，包括氫燃料渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)及推進(jìn)器、氫燃料電池、電推進(jìn)系統(tǒng)、熱管理、低溫氫燃料系統(tǒng)和儲(chǔ)存、空氣動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)等6項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，以及飛機(jī)系統(tǒng)、機(jī)場/航線/空域、材料、全生命周期影響、可持續(xù)客艙設(shè)計(jì)、加速設(shè)計(jì)與驗(yàn)證、制造等7項(xiàng)交叉技術(shù)。研究指出，氫能飛機(jī)不僅在技術(shù)上可行，與常規(guī)的航空煤油以及可持續(xù)航空燃料（SAF）相比，其運(yùn)營經(jīng)濟(jì)性更高，具備應(yīng)對(duì)100%的短途航線和93%的遠(yuǎn)程航線的能力。其中，航空氫動(dòng)力技術(shù)，即“氫燃料渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)及推進(jìn)器路線圖”，重點(diǎn)涉及氫燃料渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、氫燃燒和推進(jìn)器等3個(gè)方面，該技術(shù)路線圖明確了2050年前的各階段需要發(fā)展的技術(shù)內(nèi)容、技術(shù)指標(biāo)及相關(guān)使能要素。

主要技術(shù)指標(biāo)

航空氫動(dòng)力的主要技術(shù)指標(biāo)包括燃料消耗率、總效率、成本、首翻期、功率密度、氮氧化物（NOx）排放及飛機(jī)噪聲等7個(gè)方面，詳見表1。其中：因?yàn)闅淙剂暇哂虚_發(fā)更大風(fēng)扇和更小核心機(jī)的潛能，兼有低溫冷卻的優(yōu)勢(shì)，燃料消耗率將持續(xù)降低；得益于優(yōu)化的循環(huán)溫度、低損失和大涵道比，以及額外的噴水和混合電推進(jìn)技術(shù)，總效率會(huì)不斷提升；憑借智能設(shè)計(jì)和先進(jìn)制造技術(shù)，單位成本會(huì)一直下降；由于氫燃料渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度比常規(guī)航空煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的低60℃，對(duì)一些部件而言相當(dāng)于能提高2～3倍壽命，再結(jié)合噴水、混合電推進(jìn)和低溫冷卻空氣等技術(shù)，首翻期將大幅延長；因?yàn)楦〉暮诵臋C(jī)和更大的風(fēng)扇能提高效率，結(jié)合減輕風(fēng)扇和短艙的質(zhì)量，功率密度將得到提高；考慮到國際民航組織（ICAO）航空環(huán)境保護(hù)委員會(huì)（CAEP）未來可能會(huì)提出更高的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，氮氧化物排放、噪聲水平都要進(jìn)一步降低。

表1 氫燃料渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

氫燃料渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)

氫燃料渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)主要關(guān)注渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)本體的技術(shù)，包括6項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)及使能要素。

競爭性核心機(jī)技術(shù)

相比航空煤油，氫燃料提供了新的設(shè)計(jì)可能，輕質(zhì)高熱值屬性也改變了渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的一些技術(shù)的優(yōu)先級(jí)別，涉及涵道比（BPR）、總增壓比（OPR）、壓縮效率和渦輪工作溫度等方面。

氫燃料渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)必須采用超大涵道比，以提高推進(jìn)效率、降低燃料消耗。

氫燃料渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)及使能要素

提高總增壓比能提升熱效率、降低燃料消耗，氫燃料與煤油相比能提供更低的工作溫度和更高的效率，也可以獲得更高的總增壓比。

小核心機(jī)意味著葉片尺寸小，但更高的總增壓比導(dǎo)致壓縮更難、溫度更高，對(duì)提高壓氣機(jī)效率帶來更多挑戰(zhàn)。

渦輪葉片要在更高溫度工作，同時(shí)要與氫燃料兼容。葉片的材料、涂層、制造及冷卻技術(shù)的進(jìn)步能促進(jìn)循環(huán)溫度提高，實(shí)現(xiàn)更高的熱效率。如使用液氫作為冷源降低冷卻空氣溫度，能減少冷卻空氣需求量，但需要更高效的換熱器。

燃料與控制系統(tǒng)技術(shù)

主要關(guān)注燃料與控制系統(tǒng)基礎(chǔ)技術(shù)發(fā)展，包括換熱器、驅(qū)動(dòng)器、燃料計(jì)量與控制、燃料泄漏檢測(cè)、滅火、燃料泵和燃料輸送技術(shù)。

低溫燃料系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容是在燃料燃燒前將其加熱到合適的溫度，加熱時(shí)會(huì)提高壓力，利于后續(xù)的膨脹和做功?；?液氫換熱器能提高氫燃料溫度并降低滑油溫度，但滑油熱容量可能不足以將液氫加熱到所需的燃燒條件，預(yù)計(jì)還需要利用回?zé)峄蛘吆诵臋C(jī)引氣到換熱器來進(jìn)一步提高燃料溫度。

傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)以高壓燃油作為驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)的工作介質(zhì)，氫燃料則無法實(shí)現(xiàn)該功能，需要開發(fā)替代系統(tǒng)。

氫的可壓縮性、小流量給精確控制帶來難度，同時(shí)控制系統(tǒng)還需做好溫度補(bǔ)償。

燃料泄漏檢測(cè)是氫燃料管理的必要部分，可通過檢測(cè)實(shí)際燃料或檢測(cè)燃料泄漏引起的變化實(shí)現(xiàn)。

傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)滅火系統(tǒng)是針對(duì)航空煤油設(shè)計(jì)的，如哈龍（Halon）滅火劑，目前尚不清楚對(duì)氫燃料是否有效，需要研究新的滅火系統(tǒng)。

低溫燃料泵已廣泛應(yīng)用于航天領(lǐng)域，但針對(duì)航空需求，要開發(fā)適合、小流量、可靠耐用的低溫燃料泵。

燃料從儲(chǔ)氫罐到燃燒室還涉及管道的包裹系統(tǒng)，要考慮密封、溫度效應(yīng)、絕緣、壓力效應(yīng)以及可壓縮性引發(fā)的共振等問題。

循環(huán)優(yōu)化技術(shù)

主要包括推力優(yōu)化、功率提取、混合電推進(jìn)和噴水等，對(duì)提高燃燒效率、降低排放和節(jié)省成本等有益。

優(yōu)化飛機(jī)在起飛、爬升和巡航時(shí)的推力，有利于改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料消耗、質(zhì)量和在翼時(shí)間等幾乎所有性能。氫燃料的輕質(zhì)屬性使該指標(biāo)能得到很好的優(yōu)化。

有必要從低壓軸提取功率，以保證低推力時(shí)的大功率提取，并防止壓氣機(jī)出現(xiàn)喘振等穩(wěn)定性問題?？赏ㄟ^更多地使用機(jī)載輔助動(dòng)力裝置/功率裝置（APU/SPU）來降低功率提取需求，減少發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)妥協(xié)。

混合電推進(jìn)的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)能在不同飛行階段優(yōu)化性能，起飛時(shí)借用額外電力，能使渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)在巡航時(shí)以最大效率運(yùn)行，更優(yōu)化推力，同時(shí)減少巡航時(shí)的燃料消耗，降低起飛時(shí)的氮氧化物排放和噪聲，同時(shí)還需發(fā)展能完全嵌入發(fā)動(dòng)機(jī)的電氣系統(tǒng)，以優(yōu)化高低壓系統(tǒng)的載荷分配。

起飛時(shí)，噴水能降低核心機(jī)的尺寸需求，使發(fā)動(dòng)機(jī)能更高效地巡航；也可用來降低起飛溫度、氮氧化物排放和噪聲。

減輕質(zhì)量技術(shù)

對(duì)于常規(guī)燃油飛機(jī)，高效率的發(fā)動(dòng)機(jī)能節(jié)省一定燃料，相當(dāng)于減輕了部分質(zhì)量，但液氫和儲(chǔ)氫罐的質(zhì)量不大，發(fā)動(dòng)機(jī)這種效率換質(zhì)量的優(yōu)勢(shì)不明顯，所以將更強(qiáng)調(diào)風(fēng)扇系統(tǒng)和核心機(jī)等發(fā)動(dòng)機(jī)自身的減輕質(zhì)量工作。

推進(jìn)效率高、單位推力低的發(fā)動(dòng)機(jī)需要大直徑的低壓比風(fēng)扇，但會(huì)帶來風(fēng)扇葉片、出口導(dǎo)葉和風(fēng)扇機(jī)匣質(zhì)量的增加，使燃料消耗升高。輕質(zhì)、低轉(zhuǎn)速的復(fù)合材料風(fēng)扇的技術(shù)進(jìn)步，增加了大風(fēng)扇的可行性，進(jìn)而能提高推進(jìn)效率。

增材制造技術(shù)的進(jìn)步，結(jié)合更先進(jìn)的高溫復(fù)合材料，能制造更大部件及結(jié)構(gòu)件，有助于設(shè)計(jì)出更輕、更高效的發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)。

低壓系統(tǒng)技術(shù)

燃料改變帶來渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳涵道比變化，低壓系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)會(huì)有不同的優(yōu)先級(jí)，主要包括低壓比風(fēng)扇、短進(jìn)氣道、先進(jìn)排氣系統(tǒng)、先進(jìn)齒輪箱和邊界層吸入等。

低速、低壓比風(fēng)扇結(jié)合大涵道比能產(chǎn)生未來所需的高推進(jìn)效率，提升其可操作性、穩(wěn)健性，降低葉片損失則能進(jìn)一步改進(jìn)循環(huán)性能。

改善壓力恢復(fù)性能，能減小短艙的質(zhì)量和阻力，還需在高側(cè)風(fēng)和迎角的條件下提供可接受的進(jìn)氣畸變。

發(fā)動(dòng)機(jī)低單位推力特性與低壓系統(tǒng)效率密切相關(guān)，先進(jìn)三維排氣系統(tǒng)與機(jī)翼集成設(shè)計(jì)將維持并最大化推進(jìn)效率。

齒輪技術(shù)的進(jìn)步能使動(dòng)力渦輪和風(fēng)扇間的轉(zhuǎn)速差更大，為大風(fēng)扇設(shè)計(jì)提供了空間。

尾部安裝發(fā)動(dòng)機(jī)利用邊界層吸入，有可能獲得5%的推力提升或相當(dāng)?shù)妮S功率需求降低，但需提高這種非均勻進(jìn)氣條件下的先進(jìn)風(fēng)扇設(shè)計(jì)能力。

可持續(xù)性/環(huán)境影響技術(shù)

在開發(fā)氫燃料渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)和產(chǎn)品之前，需就可持續(xù)性、對(duì)環(huán)境影響進(jìn)行研究，主要包括大氣影響、噪聲、貴金屬、原材料等方面。

大氣影響重點(diǎn)關(guān)注航跡云的形成及氣候影響，需開展模擬、驗(yàn)證。

氫燃燒關(guān)鍵技術(shù)及使能要素

降噪技術(shù)主要包括降低風(fēng)扇壓比、風(fēng)扇速度、渦輪機(jī)械的速度和排氣速度，以及短艙聲學(xué)內(nèi)襯、發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化安裝等。

鉑族貴金屬被認(rèn)為能優(yōu)化性能、延長服役時(shí)間，換掉這些材料可能會(huì)因燃料消耗增加和循環(huán)效率降低而影響可持續(xù)性，因此需要進(jìn)一步的權(quán)衡。

在生產(chǎn)中盡可能減少原材料消耗是可持續(xù)發(fā)展關(guān)鍵措施之一，可利用增材制造和近終成形等技術(shù)。

使能要素

使能要素主要是指上述關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)所需的基礎(chǔ)工作和設(shè)備設(shè)施，包括適航認(rèn)證、發(fā)動(dòng)機(jī)地面設(shè)施、燃料系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施、滅火測(cè)試設(shè)備、材料數(shù)據(jù)、建模與工具、對(duì)人的影響、儀器儀表和換熱器批量生產(chǎn)等方面。

要遵從適航條例開展相關(guān)工作，以通過適航認(rèn)證，涉及滿足現(xiàn)有的要求，并協(xié)助制定一些特殊的適航條例。

為測(cè)試氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，需開發(fā)適合的發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)設(shè)施。

需要開發(fā)帶液氫罐的燃料系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施，對(duì)燃料泵等諸多部件開展測(cè)試，完成裝機(jī)前的系統(tǒng)級(jí)功能驗(yàn)證。

為了解和驗(yàn)證現(xiàn)有的滅火系統(tǒng)是否適用于氫燃料，需開發(fā)一個(gè)能夠容納發(fā)動(dòng)機(jī)、短艙和儲(chǔ)氫罐的設(shè)備。

在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)概念設(shè)計(jì)時(shí)，需弄清氫和低溫對(duì)材料特性的影響，如強(qiáng)度、疲勞、滲透性和泄漏及氫損傷等。

常規(guī)的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字建模和仿真工具不再適用于氫燃料，需要進(jìn)行修改并開發(fā)新工具。

在研發(fā)活動(dòng)和使用服務(wù)中，需要從健康和安全的角度，研究考慮液氫對(duì)人的影響。

需要發(fā)展儀表裝置技術(shù)，以支持發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)活動(dòng)和使用服務(wù)，如使用氫燃料時(shí)對(duì)渦輪溫度和健康的監(jiān)測(cè)。

預(yù)計(jì)未來能制造輕質(zhì)緊湊的高效換熱器，但要達(dá)到所需生產(chǎn)速度，還需開發(fā)出批量生產(chǎn)的相關(guān)制造技術(shù)。

氫燃燒

氫燃燒主要研究氫燃料的輸送、燃燒等技術(shù)，包括5個(gè)關(guān)鍵技術(shù)及使能要素。

燃燒仿真工具

需要開展化學(xué)反應(yīng)的一維仿真、針對(duì)化學(xué)反應(yīng)和湍流的摻混及相互作用的三維數(shù)值仿真、熱聲網(wǎng)絡(luò)模擬傳熱。仿真的校準(zhǔn)和驗(yàn)證要利用廣泛的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括縮比、全尺寸和整機(jī)試驗(yàn)。

燃料輸送系統(tǒng)

氫燃料輸送具有流體質(zhì)量低、密度低、溫度跨度大和密度變化的特點(diǎn)，將氫燃料均勻分布在燃燒環(huán)，對(duì)控制污染排放至關(guān)重要。需要采用燃料分級(jí)燃燒系統(tǒng)，以優(yōu)化低工況下性能。需通過一維網(wǎng)絡(luò)分析來探索燃燒放熱振蕩與燃料系統(tǒng)的潛在相互作用，并在完全集成環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試。

燃燒室

氫燃料燃燒室的多點(diǎn)噴射技術(shù)方案與常規(guī)煤油燃燒室明顯不同，通過減少主燃區(qū)的局部熱點(diǎn)，可抑制氮氧化物生成。該方案適合采用增材制造技術(shù)，但需提高技術(shù)成熟度。燃燒室、燃料系統(tǒng)和氫/空氣摻混器的集成會(huì)給燃燒室壽命帶來挑戰(zhàn)，需要用冷卻方式來保護(hù)結(jié)構(gòu)免受高速火焰侵蝕。

氫/空氣摻混器

為滿足污染物排放和燃料效的率要求，要在不到1ms的時(shí)間內(nèi)完全混合燃料與空氣，需要通過高溫高壓試驗(yàn)快速驗(yàn)證概念設(shè)計(jì)。氫/空氣摻混可能會(huì)與燃燒不穩(wěn)定有關(guān)，其設(shè)計(jì)將在很大程度上受制造能力的限制。

起動(dòng)系統(tǒng)

低溫燃料使發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)面臨截然不同的挑戰(zhàn)，應(yīng)基于火焰穩(wěn)定性和熱聲控制的評(píng)估，確定分級(jí)燃燒方案。氫的易燃性還可能引起爆炸沖擊損壞渦輪。這些技術(shù)需要與燃料分級(jí)燃燒一起進(jìn)行集成優(yōu)化以提高可靠性。

使能要素

實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)需要開發(fā)部署多種試驗(yàn)設(shè)備，以對(duì)燃燒室進(jìn)行全方位的性能評(píng)估；污染物排放、回火/自燃和點(diǎn)火可能都需要單獨(dú)的縮比試驗(yàn)設(shè)備；后續(xù)還需扇形試驗(yàn)來進(jìn)行集成評(píng)估，最終則要全環(huán)試驗(yàn)和整機(jī)試驗(yàn)的全面評(píng)估。數(shù)值模擬是縮短航空創(chuàng)新周期的戰(zhàn)略加速器。開發(fā)燃燒系統(tǒng)的數(shù)字孿生體能提高設(shè)計(jì)敏捷性，避免依賴全環(huán)試驗(yàn)進(jìn)行昂貴的迭代。

推進(jìn)器關(guān)鍵技術(shù)及使能要素

推進(jìn)器

推進(jìn)器主要研究螺旋槳相關(guān)的流體力學(xué)、控制及制造等技術(shù)，包括3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)及使能要素。

飛行/空氣聲學(xué)相互作用技術(shù)

通過模擬和試驗(yàn)來加強(qiáng)對(duì)分布式推進(jìn)的空氣動(dòng)力學(xué)和空氣聲學(xué)的理解，需要先進(jìn)模擬工具優(yōu)化設(shè)計(jì)，并利用風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證。

新型控制系統(tǒng)開發(fā)/電動(dòng)技術(shù)

電推進(jìn)螺旋槳的控制系統(tǒng)要符合適航和安全的標(biāo)準(zhǔn)。第一代控制系統(tǒng)的部件級(jí)驗(yàn)證，需要高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)設(shè)備。第二代控制系統(tǒng)還涉及機(jī)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

制造與運(yùn)行技術(shù)

要開發(fā)低成本、自動(dòng)化制造和檢測(cè)的生產(chǎn)過程，滿足潛在的大批量生產(chǎn)需求。通過減少制造廢料、增加使用壽命，以降低成本、提高可靠性和確?？沙掷m(xù)性。

使能要素

主要是針對(duì)上述技術(shù)開發(fā)所需要的設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施，包括先進(jìn)的風(fēng)洞設(shè)施、部件（葉片）和系統(tǒng)（螺旋槳）級(jí)別的試驗(yàn)、高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備等。進(jìn)一步的開發(fā)計(jì)劃有利于確保發(fā)動(dòng)機(jī)在性能、噪聲、減輕質(zhì)量和成本方面的競爭力。

結(jié)束語

由于氫在輸送、控制和燃燒等方面的新穎性，技術(shù)成熟度僅為2級(jí)左右，仍處于早期的概念形成和試驗(yàn)階段，不少國家已將其作為未來清潔能源的一個(gè)技術(shù)制高點(diǎn)，實(shí)施了早期開發(fā)和制造驗(yàn)證計(jì)劃。發(fā)展氫燃料渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)已是清潔航空領(lǐng)域的一個(gè)可見技術(shù)途徑，目前各國的技術(shù)差距不大。我國已將氫納入能源體系，氫能產(chǎn)業(yè)鏈將大幅發(fā)展，氫燃料渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展將具備相應(yīng)工業(yè)基礎(chǔ)，其開發(fā)要充分利用敏捷開發(fā)流程與工具，充分結(jié)合數(shù)值模擬、數(shù)字孿生等數(shù)字技術(shù)。