氫能飛機(jī)研制進(jìn)展及產(chǎn)業(yè)化前景分析

宋薇薇 ，楊鳳田，項(xiàng)松*，韓成業(yè)，康桂文，樊馨月

（1. 北京銳翔氫能飛行器科技研究院有限公司，北京 102433；2. 沈陽(yáng)航空航天大學(xué)民用航空學(xué)院，沈陽(yáng) 110136）

一、前言

當(dāng)前，航空產(chǎn)業(yè)依然保持迅猛發(fā)展態(tài)勢(shì)，航空器的數(shù)量和飛行小時(shí)數(shù)也在逐年增加；但產(chǎn)生的CO2排放量約占全球總量的3%，引起了各國(guó)廣泛關(guān)注。氫是宇宙中最豐富的元素[1]，氫能源是未來(lái)實(shí)現(xiàn)零碳排放、可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略能源[2]，以氫燃料作為能源的氫能飛機(jī)是推動(dòng)實(shí)現(xiàn)航空領(lǐng)域碳達(dá)峰、碳中和（“雙碳”）目標(biāo)的重要形式之一。

氫能飛機(jī)研究具有較長(zhǎng)的歷史，早在1991年即有專著對(duì)發(fā)展史、應(yīng)用潛力、基礎(chǔ)設(shè)施需求、技術(shù)要點(diǎn)、飛行驗(yàn)證程序等進(jìn)行了梳理[3]。研究指出，將氫用于航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，需要重新設(shè)計(jì)燃燒室、燃料控制系統(tǒng)、液氫氣化部件[4]；氫燃料消耗率較煤油降低超過(guò)60%，氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪進(jìn)口溫度降低約40 K，發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的改動(dòng)程度不大[5]；氫作為燃料增加了發(fā)動(dòng)機(jī)的凈推力輸出、降低了燃料消耗率，應(yīng)用燃料散熱器能夠有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能[6]；氫燃料電池在航空領(lǐng)域的應(yīng)用潛力較大，既可作為輕型飛機(jī)的能源，也可用于輔助動(dòng)力裝置、地面支持設(shè)備[7]；使用氫能可降低機(jī)翼面積和翼展的設(shè)計(jì)值，使遠(yuǎn)程運(yùn)輸飛機(jī)的能耗降低約11%[8]。此外，以ATR72飛機(jī)為對(duì)象進(jìn)行了氫燃料改型的方案驗(yàn)證[9]，微混合燃燒室能夠顯著降低氮氧化物的排放水平[10]。

隨著全球范圍內(nèi)對(duì)氫能飛機(jī)關(guān)注度的持續(xù)提升，我國(guó)氫能航空領(lǐng)域興起了新一輪研究熱潮，相關(guān)工作集中在氫能航空和氫能飛機(jī)發(fā)展態(tài)勢(shì)[11～14]、低碳減排[15]、商業(yè)化運(yùn)行探討[16～19]等方面。氫能未來(lái)將以替代燃油的方式率先在交通運(yùn)輸系統(tǒng)中獲得規(guī)?；瘧?yīng)用，航空業(yè)將是代表性領(lǐng)域，但以氫能為動(dòng)力源實(shí)現(xiàn)航空領(lǐng)域綠色發(fā)展仍面臨諸多挑戰(zhàn)[20]。一方面，氫能技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈長(zhǎng)、難點(diǎn)多，現(xiàn)有技術(shù)成果的經(jīng)濟(jì)性還不能滿足氫能航空的商業(yè)化需求；另一方面，針對(duì)氫能飛機(jī)總擁有成本（TCO）的研究稀缺，發(fā)展氫能飛機(jī)涉及的燃料費(fèi)用、維修費(fèi)用、加氫 / 充電設(shè)施建設(shè)費(fèi)用等運(yùn)營(yíng)成本不甚清晰。

得益于“雙碳”目標(biāo)的推動(dòng)，氫能作為一種清潔能源，將在能源供給側(cè)和消費(fèi)側(cè)助力深度脫碳，促進(jìn)航空業(yè)變革轉(zhuǎn)型。本文結(jié)合氫能飛機(jī)發(fā)展背景，梳理國(guó)內(nèi)外研制進(jìn)展，提煉關(guān)鍵技術(shù)體系，構(gòu)建TCO模型并分析產(chǎn)業(yè)化前景，進(jìn)一步提出我國(guó)氫能飛機(jī)發(fā)展建議，以期為氫能飛機(jī)技術(shù)探索、應(yīng)用布局、產(chǎn)業(yè)發(fā)展等研究提供基礎(chǔ)參考。

二、氫能飛機(jī)的發(fā)展背景及國(guó)內(nèi)外研制進(jìn)展

（一）氫能飛機(jī)將為航空領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供重要支撐

地球是人類共同且唯一的家園。隨著工業(yè)化程度的提升，煤炭、石油、天然氣等化石燃料大量使用并排放出以CO2為主的溫室氣體；溫室氣體包裹著地球，持續(xù)捕獲來(lái)自太陽(yáng)輻射的能量，導(dǎo)致全球變暖和氣候變化，破壞了原有的自然界平衡。為了減緩全球變暖趨勢(shì)，《巴黎協(xié)定》（2015年）制定了長(zhǎng)期目標(biāo)，將全球平均氣溫較工業(yè)化時(shí)期上升幅度控制在2 ℃以內(nèi)（努力追求限制在1.5 ℃以內(nèi)）[21]。在此背景下，有超過(guò)20個(gè)國(guó)家和地區(qū)宣布了碳中和目標(biāo)，如美國(guó)和歐盟設(shè)定2050年實(shí)現(xiàn)“碳中和”[22]。

航空領(lǐng)域碳減排同樣受到國(guó)際組織和各國(guó)政府的高度重視[23]。國(guó)際民航組織（ICAO）提出的國(guó)際航空碳抵消和減排計(jì)劃（CORSIA）（2016 年）是首個(gè)全球性的行業(yè)減排市場(chǎng)機(jī)制[24]，要求全球航空業(yè)2035 年的CO2排放量不超過(guò)2020 年的水平（即碳達(dá)峰），2050年的CO2排放量應(yīng)達(dá)到2005年水平的50%以下（即碳中和）[25,26]。我國(guó)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的正式提出，為民航運(yùn)輸業(yè)的綠色低碳發(fā)展指明了發(fā)展方向，需要采取一系列的技術(shù)與管理變革。

對(duì)于航空運(yùn)輸業(yè)而言，氫能飛機(jī)的研制和應(yīng)用將是重要的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，因?yàn)槭褂脷淠茉茨軌蝻@著降低航空活動(dòng)對(duì)氣候的影響。氫能飛機(jī)作為新興事物，需要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)、燃料存儲(chǔ)系統(tǒng)、地面基礎(chǔ)設(shè)施等的適應(yīng)性改進(jìn)，將影響飛機(jī)的運(yùn)營(yíng)成本。然而，氫能飛機(jī)將會(huì)帶來(lái)航空技術(shù)及應(yīng)用的顛覆性變化，有望創(chuàng)造氫能航空產(chǎn)業(yè)并形成豐厚的市場(chǎng)回報(bào)，起到加速“雙碳”進(jìn)程的積極作用?？梢哉J(rèn)為，氫能飛機(jī)是提升我國(guó)航空業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)的重要方向。加快發(fā)展氫能飛機(jī)，對(duì)于超前布局先導(dǎo)產(chǎn)業(yè)、搶占新能源航空技術(shù)制高點(diǎn)、發(fā)揮航空制造綜合優(yōu)勢(shì)具有重要意義。2023年3月，我國(guó)首款氫燃料內(nèi)燃機(jī)飛機(jī)驗(yàn)證機(jī)完成首飛，標(biāo)志著我國(guó)航空領(lǐng)域在氫能應(yīng)用方面邁出堅(jiān)實(shí)步伐。

（二）國(guó)外氫能飛機(jī)的研制進(jìn)展

氫能航空的先驅(qū)者德國(guó)科學(xué)家Von Ohain 早在1937 年即將氫氣用作燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的替代燃料（實(shí)現(xiàn)了有效推力）[27]。20世紀(jì)50年代，美國(guó)普惠公司研究了航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用液氫燃料的可行性，對(duì)J-57、J-47、J-65B-3、J71-A-11等航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了氫燃料噴射改造，完成了相應(yīng)地面測(cè)試；1956 年，B-57轟炸機(jī)換裝了1臺(tái)J-65氫燃料渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)并進(jìn)行了飛行測(cè)試（高度約為15 km、速度為Ma0.75）[28]。1988年，蘇聯(lián)將圖-154飛機(jī)中的1臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)換用氫氣作為燃料，以研究氫能推進(jìn)的技術(shù)可行性[29]。

2000年，受歐盟委員會(huì)資助，空中客車公司牽頭、34家航空企業(yè)及研究機(jī)構(gòu)參與開(kāi)展了“低溫航線”項(xiàng)目，系統(tǒng)分析了以液氫為燃料的飛機(jī)方案。2005 年，美國(guó)航空環(huán)境公司制造并測(cè)試了世界首架液氫動(dòng)力無(wú)人機(jī)。日本發(fā)布了《氫基本戰(zhàn)略》（2017 年）、《氫能利用進(jìn)度表》（2019 年），鼓勵(lì)相關(guān)企業(yè)發(fā)展氫能飛機(jī)。2020年，歐盟委員會(huì)支持開(kāi)展“潔凈天空計(jì)劃”項(xiàng)目，計(jì)劃2028年完成氫動(dòng)力通勤飛機(jī)認(rèn)證和支線飛機(jī)試飛、2035年完成中程氫動(dòng)力飛機(jī)開(kāi)發(fā)、2050 年完成中遠(yuǎn)程氫動(dòng)力飛機(jī)開(kāi)發(fā)[30]。美國(guó)能源部發(fā)布《氫能計(jì)劃發(fā)展規(guī)劃》（2020年），將氫燃料電池、氫渦輪機(jī)、氫氣“制儲(chǔ)輸用”技術(shù)作為未來(lái)的重要研發(fā)方向。

當(dāng)前，航空強(qiáng)國(guó)的相關(guān)企業(yè)都在積極開(kāi)展氫能飛機(jī)及動(dòng)力系統(tǒng)研究，主流的動(dòng)力方案有氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)、氫燃料電池、氫燃料電池混合電推進(jìn)系統(tǒng)等[14]，加快了氫能飛機(jī)研制進(jìn)程。① ZeroAvia公司主推氫 - 電航空解決方案，近期發(fā)展目標(biāo)是航程約800 km 的10～20 座飛機(jī)，用于客運(yùn)、快遞、農(nóng)業(yè)等；2020 年9 月，改裝的6 座燃料電池飛機(jī)首飛，由2臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)可變距螺旋槳，能源包括16.25 kW·h的鋰電池、100 kW的氫燃料電池；2023年1月，改裝的19座燃料電池飛機(jī)完成10 min試飛，后續(xù)將采用2 臺(tái)600 kW 氫 - 電動(dòng)力系統(tǒng)并攜帶100 kg 氣態(tài)氫，擬于2025 年開(kāi)始商業(yè)飛行。② 空中客車公司正在論證渦槳?dú)浠旌蟿?dòng)力、渦扇氫混合動(dòng)力、翼身融合混合動(dòng)力等構(gòu)型的氫能飛機(jī)方案，擬于2035年前研制零排放商用飛機(jī)；明確新一代單通道客機(jī)需求，牽引發(fā)展更高效率、清潔排放的航空動(dòng)力系統(tǒng)[31]。③ 美國(guó)Universal Hydrogen 公司完成了50 座飛機(jī)的氫燃料電池驗(yàn)證機(jī)改裝并于2023年3月首飛。

（三）我國(guó)氫能飛機(jī)的研制進(jìn)展

與國(guó)際上氫能飛機(jī)發(fā)展趨勢(shì)同步，我國(guó)氫能飛機(jī)研發(fā)工作正在展開(kāi)，形成了遼寧通用航空研究院（氫燃料電池與鋰電池混合動(dòng)力飛機(jī)技術(shù)攻關(guān)）、北京航空航天大學(xué)（燃油渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)PT6的氫燃料改型論證）、中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司第六研究院第一〇一研究所（氫制取 / 液氫生產(chǎn)和存儲(chǔ)、輕質(zhì)高效液氫燃料儲(chǔ)裝置）、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和佛吉亞斯林達(dá)安全科技（沈陽(yáng)）有限公司（高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫）等優(yōu)勢(shì)研究機(jī)構(gòu)，綜合技術(shù)水平接近國(guó)際先進(jìn)。

2010年，沈陽(yáng)航空航天大學(xué)組建了通用航空重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)始試制氫燃料電池?zé)o人機(jī)。2012 年，“雷鳥(niǎo)”氫燃料電池?zé)o人機(jī)完成首飛，成為我國(guó)首款氫燃料電池?zé)o人機(jī)（見(jiàn)圖1）。2017年，沈陽(yáng)航空航天大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所聯(lián)合研制了我國(guó)首架2 座氫燃料電池試驗(yàn)機(jī)并完成試飛（見(jiàn)圖2）。2023 年，沈陽(yáng)航空航天大學(xué)研制的4 座氫燃料內(nèi)燃機(jī)飛機(jī)（搭載了2 L 氫燃料內(nèi)燃機(jī)）完成首飛，成為我國(guó)首架以氫內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的通航飛機(jī)；飛機(jī)采用上單翼、低平尾、前置螺旋槳、前三點(diǎn)式不可收放起落架的總體布局，翼展為13.5 m，機(jī)長(zhǎng)為8.2 m，巡航速度為180 km/h，留空時(shí)間＞1 h；攜帶的高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫為4.5 kg，氫內(nèi)燃機(jī)最大熱效率＞43%、綜合熱效率＞40%（見(jiàn)圖3）。

圖3 4座氫內(nèi)燃機(jī)飛機(jī)驗(yàn)證機(jī)

2019年，中國(guó)商飛北京民用飛機(jī)技術(shù)研究中心研制的“靈雀H”燃料電池驗(yàn)證機(jī)完成首飛，標(biāo)志著民機(jī)主制造商在新能源飛機(jī)探索方面的實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。驗(yàn)證機(jī)采用氫燃料電混合動(dòng)力，旨在驗(yàn)證以氫燃料電池為主、鋰電池為輔的混合動(dòng)力技術(shù)在飛機(jī)上應(yīng)用的適當(dāng)性（見(jiàn)圖4）。

圖4 “靈雀H”燃料電池驗(yàn)證機(jī)

2023年，浙江氫航科技有限公司研制的氫動(dòng)力多旋翼無(wú)人機(jī)通過(guò)了中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司的檢測(cè)認(rèn)證，主要性能指標(biāo)均符合電力巡檢的使用要求。

三、氫能飛機(jī)關(guān)鍵技術(shù)分析

（一）氫能飛機(jī)總體設(shè)計(jì)

氫能飛機(jī)與傳統(tǒng)燃油飛機(jī)的主要區(qū)別是：① 傳統(tǒng)飛機(jī)多采用機(jī)翼油箱以充分利用機(jī)翼空間并降低翼載荷，但氫能飛機(jī)氫燃料的儲(chǔ)氫裝置（高壓氣態(tài)或液態(tài)）是壓力容器或絕熱容器，加之氫密度低、儲(chǔ)氫裝置占用體積大，無(wú)法采用機(jī)翼油箱布局；② 液氫必須氣化后才能用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)，而發(fā)動(dòng)機(jī)自身、壓氣機(jī)引氣及滑油有著冷卻需求，需要進(jìn)行有效的能量管理。因此，熱管理系統(tǒng)、氫儲(chǔ)裝置需要與飛機(jī)結(jié)構(gòu)及功能進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，主要有改進(jìn)型、創(chuàng)新型兩種技術(shù)路徑：前者簡(jiǎn)單調(diào)整機(jī)身以容納儲(chǔ)氫裝置，利于氫能飛機(jī)盡快投入使用；后者采用全新構(gòu)型，需要進(jìn)行大量的數(shù)值分析和風(fēng)洞試驗(yàn)，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的飛機(jī)總體方案與結(jié)構(gòu)布局。

（二）液態(tài)儲(chǔ)氫罐

液態(tài)儲(chǔ)氫罐的絕熱結(jié)構(gòu)應(yīng)具有輕質(zhì)結(jié)構(gòu)、低傳熱特性，才能適應(yīng)長(zhǎng)時(shí)飛行中的增壓要求，相應(yīng)絕熱系統(tǒng)方案分為主動(dòng)和被動(dòng)兩種。大氣成分中的所有氣體都會(huì)在液氫溫度下凍結(jié)，應(yīng)抽盡絕熱系統(tǒng)中的空氣。主動(dòng)系統(tǒng)需要利用惰性氣體或者泵裝置以保持真空狀態(tài)。

對(duì)于整體式、非整體式液態(tài)儲(chǔ)氫罐設(shè)計(jì)，均采用一體式結(jié)構(gòu)以盡量減少潛在的泄漏源。液態(tài)儲(chǔ)氫罐的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮絕熱方式、支撐結(jié)構(gòu)、安全附件等因素，制造工藝主要涉及焊接、探傷、套管等；相應(yīng)試驗(yàn)主要從氣密、耐壓、低溫沖擊等角度考慮，以確保液態(tài)儲(chǔ)氫罐從設(shè)計(jì)、制造到出廠檢驗(yàn)的全過(guò)程安全。

（三）氫燃料電池

氫燃料電池具有高效率、高比能的特點(diǎn)，是氫能通用飛機(jī)或氫能通勤飛機(jī)的良好能源形式。相應(yīng)系統(tǒng)主要包括：燃料電池堆、氫氣供應(yīng)系統(tǒng)、空氣供應(yīng)系統(tǒng)、水熱管理系統(tǒng)、電源管理控制系統(tǒng)。高性能氫燃料電池研發(fā)，主要涉及高性能催化劑、增強(qiáng)復(fù)合膜、高性能低鉑膜電極、耐蝕薄層金屬雙極板、高比功率電堆、耐低溫系統(tǒng)集成、質(zhì)子交換膜高效電解水制氫等技術(shù)環(huán)節(jié)。

（四）氫燃料渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)

1. 氫燃料增壓泵研發(fā)

氫燃料增壓泵應(yīng)具有長(zhǎng)壽命、高可靠、可維護(hù)、高效率特點(diǎn)，一般設(shè)計(jì)為可更換單元。增壓泵工作溫度極低，其軸承需適應(yīng)低溫環(huán)境。液氫被增壓到3.172×105Pa，后通過(guò)燃料管（帶閥門）輸送到高壓泵；即使在最小流量條件下，液氫也應(yīng)獲得足夠的升壓?？紤]到液氫的潤(rùn)滑性很差，具有較低潤(rùn)滑要求的離心泵是最佳的候選方案，工作范圍較寬且失速特性良好。增壓泵應(yīng)基于燃料控制能力進(jìn)行設(shè)計(jì)，多采用三級(jí)變速方式，因而直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)是優(yōu)選。增壓泵各個(gè)零件的平均故障間隔時(shí)間＞2500 h，大修間隔時(shí)間＞8000 飛行小時(shí)，存放期＞5年，具有立即可用的能力。

2. 熱交換器研發(fā)

液氫發(fā)動(dòng)機(jī)的熱交換器一般安裝在渦輪后支撐支柱來(lái)實(shí)現(xiàn)熱交換，也可放置在噴管的內(nèi)表面，起到的作用有：進(jìn)入燃燒室之前的液氫燃料氣化、發(fā)動(dòng)機(jī)滑油冷卻、壓氣機(jī)引氣冷卻、渦輪葉片冷卻。液氫燃料由液氫增壓泵加壓后送入熱交換器，液氫在熱交換器中氣化，溫度和壓力迅速升高，故熱交換器主要控制溫度、壓力、流量等參數(shù)。

3. 氫燃料燃燒室設(shè)計(jì)

氫的燃料特性不同于傳統(tǒng)燃油，如直接使用傳統(tǒng)燃燒室，由于燃料噴射點(diǎn)的數(shù)量有限導(dǎo)致氫燃料和空氣的混合往往不充分；大規(guī)模的氫擴(kuò)散火焰形成高的局部溫度，造成NOx快速生成，也將阻礙氫氣與空氣的進(jìn)一步混合。為此，氫燃料的燃燒室需要重新設(shè)計(jì)。減少NOx排放的主要方式有：降低火焰溫度、消除反應(yīng)區(qū)的熱點(diǎn)、減少火焰區(qū)的持續(xù)時(shí)間與暴露時(shí)間。通常采用貧氫預(yù)混燃燒室設(shè)計(jì)方案，以提高燃燒室溫度均勻性、減少NOx的生成。為了避免預(yù)混可能的早燃燒、回火危險(xiǎn)而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)損壞以及可靠性降低，基于微型擴(kuò)散燃燒理論、具有微混合燃燒特征的非預(yù)混合方案也受到關(guān)注。

4. 氫脆

氫脆主要是由電鍍工藝中攜帶的金屬出現(xiàn)“氫化”現(xiàn)象而導(dǎo)致的，對(duì)于鐵、鎳、鈦、鈷及其合金能夠顯著發(fā)生，而對(duì)于銅、鋁、不銹鋼不發(fā)生。氫脆作為一種通用現(xiàn)象，可能顯著降低氫燃料渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的的工作壽命。在發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)中，需要減少金屬中滲氫的數(shù)量，采用低氫擴(kuò)散性、低氫溶解度的鍍涂層，在鍍前去應(yīng)力、鍍后去氫，以防止氫脆的發(fā)生。

（五）氫燃料航空內(nèi)燃機(jī)

1. 燃燒系統(tǒng)高動(dòng)力及異常燃燒控制

氫氣作為燃料燃燒時(shí)，具有火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?、點(diǎn)火能量低的特點(diǎn)，使得實(shí)際做功循環(huán)更接近等容循環(huán)。等容燃燒使得升功率過(guò)高、燃燒“粗暴”且不可控，伴生了振動(dòng)噪聲、熱負(fù)荷偏高等問(wèn)題。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)需要達(dá)到更高的升功率時(shí)，通常采用較濃的混合氣，則更容易出現(xiàn)回火、早燃、爆震等異常燃燒現(xiàn)象。應(yīng)針對(duì)燃燒系統(tǒng)高動(dòng)力及異常燃燒控制等，盡快開(kāi)展深入研究。

2.缸蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)的燃燒速度方面，氫氣是汽油的7～8 倍。氫氣缸內(nèi)燃燒的最大爆發(fā)壓力進(jìn)一步升高且壓力升高率劇增。氫燃料內(nèi)燃機(jī)缸蓋在交變機(jī)械載荷與高熱負(fù)荷耦合作用下發(fā)生變形，面臨疲勞壽命問(wèn)題，給缸蓋的強(qiáng)度、冷卻、可靠性設(shè)計(jì)帶來(lái)挑戰(zhàn)。應(yīng)針對(duì)高爆壓缸蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，開(kāi)展理論、技術(shù)與應(yīng)用研究。

3. 電子控制系統(tǒng)（ECU）開(kāi)發(fā)

ECU控制系統(tǒng)是氫燃料內(nèi)燃機(jī)上各類控制策略的載體，在樣機(jī)開(kāi)發(fā)到工程應(yīng)用的過(guò)程中都是動(dòng)力系統(tǒng)的核心零部件。針對(duì)氫氣的傳輸和燃燒特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)匹配的控制策略，配置可靠的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，支持各類工況下氫燃料內(nèi)燃機(jī)的穩(wěn)定與高效運(yùn)行。自主開(kāi)發(fā)氫燃料內(nèi)燃機(jī)ECU較為迫切。

4. 低壓大流量噴嘴設(shè)計(jì)及樣件試制技術(shù)

動(dòng)力系統(tǒng)是整機(jī)的核心，而噴射裝置是動(dòng)力系統(tǒng)的核心。對(duì)于氫燃料內(nèi)燃機(jī)而言，噴射裝置能夠影響噴氫的開(kāi)啟及結(jié)束時(shí)刻，約束缸內(nèi)混合氣的質(zhì)量，從而涉及各缸、各個(gè)循環(huán)之間的一致性，氫燃料內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性。低壓大流量噴嘴設(shè)計(jì)，適應(yīng)壓力較低工況，可更加充分地使用儲(chǔ)氫罐中的氫氣。需要深入開(kāi)展氫燃料內(nèi)燃機(jī)的噴嘴設(shè)計(jì)及試制，實(shí)現(xiàn)氫燃料內(nèi)燃機(jī)高功率、高效率、高可靠性等綜合性能。

（六）氫能飛機(jī)安全與適航技術(shù)

氫燃料以及儲(chǔ)氫裝置與傳統(tǒng)的燃油特性截然不同，導(dǎo)致氫能飛機(jī)的安全與適航面臨新的挑戰(zhàn)，涉及安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、安全設(shè)計(jì)要求、安全性驗(yàn)證、安全性評(píng)估等方面。氫燃料的飛機(jī)應(yīng)用可能面臨安全風(fēng)險(xiǎn)，需要識(shí)別氫能飛機(jī)的典型失效風(fēng)險(xiǎn)模式，建立氫能飛機(jī)安全性規(guī)章要求。發(fā)展氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)安全性驗(yàn)證技術(shù)，支持氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)安全工作邊界及安全性判據(jù)構(gòu)建。發(fā)展氫能飛機(jī)系統(tǒng)安全性評(píng)估技術(shù)，將氫能飛機(jī)的安全水平提升至工程應(yīng)用可接受層次。建立氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)、氫能飛機(jī)的適航標(biāo)準(zhǔn)與符合性驗(yàn)證方法。

（七）氫燃料加注基礎(chǔ)設(shè)施

氫能飛機(jī)的規(guī)模化應(yīng)用離不開(kāi)氫燃料基礎(chǔ)設(shè)施，主要包括氫能的生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、加注等基礎(chǔ)設(shè)施。其中，加注基礎(chǔ)設(shè)施是釋放氫能航空應(yīng)用潛力的關(guān)鍵因素，需要解決在盡量短的時(shí)間內(nèi)加注氫燃料、飛機(jī)的停場(chǎng)時(shí)間、加注過(guò)程安全性及經(jīng)濟(jì)性等問(wèn)題。在近期，重點(diǎn)提出新的加注策略并形成配套技術(shù)，制定專門的氫能加注安全措施，審查與傳統(tǒng)燃油加注并行作業(yè)的潛在影響；在中長(zhǎng)期，突破機(jī)場(chǎng)安裝大規(guī)模液氫供應(yīng)及液化裝置相關(guān)的成套技術(shù)[32]。

四、基于TCO分析的氫能飛機(jī)產(chǎn)業(yè)化前景

氫能飛機(jī)因其綠色環(huán)保、能量密度高等特性而具有良好的發(fā)展前景，但作為新型飛機(jī)，在產(chǎn)業(yè)化之前深入探討商用可行性極為必要。為此，本研究建立了氫能飛機(jī)、純電動(dòng)飛機(jī)、燃油飛機(jī)的TCO模型，量化并對(duì)比各類飛機(jī)的成本，據(jù)此測(cè)算氫能飛機(jī)的經(jīng)濟(jì)效益。采用了“自下而上”、極細(xì)顆粒度的建模方法，細(xì)化至主要組件的成本并構(gòu)建飛機(jī)的總成本[32]；還考慮了燃料成本、維修費(fèi)用，加氫 /充電設(shè)施建設(shè)費(fèi)用等運(yùn)營(yíng)成本。

（一）TCO模型及分析框架

TCO模型主要用于從飛機(jī)運(yùn)營(yíng)角度開(kāi)展的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，以便明確當(dāng)前和未來(lái)飛機(jī)應(yīng)用中各類組件的成本構(gòu)成，支持飛機(jī)制造和運(yùn)營(yíng)決策。在掌握成本結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵部件的成本變動(dòng)后，可將TCO模型應(yīng)用到其他飛機(jī)的商業(yè)模型中。TCO模型的分析框架采用了以下兩點(diǎn)假設(shè)，以便后續(xù)應(yīng)用。① 計(jì)算時(shí)不考慮各地區(qū)的補(bǔ)貼情況，如飛機(jī)購(gòu)買、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、燃料供應(yīng)等方面的補(bǔ)貼，僅在特定的案例分析中計(jì)入補(bǔ)貼。② 整機(jī)生產(chǎn)商的毛利率恒定，但為氫能飛機(jī)、純電動(dòng)飛機(jī)增加了因缺乏規(guī)模效益而帶來(lái)的額外成本。從整機(jī)制造及銷售的角度看，氫能飛機(jī)、電動(dòng)飛機(jī)因生產(chǎn)數(shù)量有限、零部件缺乏規(guī)模效應(yīng)，將造成整機(jī)制造成本顯著高于燃油飛機(jī)；將燃油飛機(jī)的制造成本作為比較基準(zhǔn)，假設(shè)未來(lái)10年內(nèi)氫能飛機(jī)上動(dòng)力系統(tǒng)以外的零部件將實(shí)現(xiàn)完全規(guī)模效應(yīng)。

TCO包括購(gòu)買成本、運(yùn)營(yíng)成本，其中的購(gòu)買成本又細(xì)分為毛利、零部件成本加成、動(dòng)力機(jī)、儲(chǔ)能組、其他零部件。對(duì)于氫能飛機(jī)、純電動(dòng)飛機(jī)，額外計(jì)入因缺乏規(guī)模效益而帶來(lái)的成本增量。運(yùn)營(yíng)成本由燃料費(fèi)用、基礎(chǔ)設(shè)施成本、維修費(fèi)用、零部件替換成本和其他成本構(gòu)成。

（二）我國(guó)氫能飛機(jī)TCO 分析——以通勤 / 短程飛機(jī)為例

針對(duì)通勤 / 短程氫能飛機(jī)，本文建立了TCO 模型分析框架（見(jiàn)圖5）。應(yīng)用建立的TCO模型，測(cè)算了我國(guó)當(dāng)前通勤 / 短程飛機(jī)的成本情況（見(jiàn)圖6）。相比純電動(dòng)飛機(jī)、燃油飛機(jī)，氫能飛機(jī)的TCO分別高出47.6%、92.4%，這主要是由氫能飛機(jī)仍處研制階段、發(fā)展條件尚不成熟導(dǎo)致的。當(dāng)前，氫氣價(jià)格依然較高，燃料成本在氫能飛機(jī)的運(yùn)營(yíng)成本中占比偏高；電費(fèi)相對(duì)較低，燃料成本在純電動(dòng)飛機(jī)的運(yùn)營(yíng)成本中占比較低。和氫能飛機(jī)相比，純電動(dòng)飛機(jī)的維修費(fèi)用更低，這是因?yàn)殡姍C(jī)驅(qū)動(dòng)的飛機(jī)，日常維修項(xiàng)目更少、零部件服役時(shí)間更長(zhǎng)，顯著降低了相關(guān)成本。此外，氫能飛機(jī)的氫罐和鋰電池系統(tǒng)替換、純電動(dòng)飛機(jī)的電池替換，分別帶來(lái)了額外的運(yùn)營(yíng)成本。

圖5 通勤 / 短程氫能飛機(jī)TCO模型分析框架

圖6 我國(guó)當(dāng)前的通勤 / 短程飛機(jī)的成本情況

隨著氫氣存儲(chǔ)和運(yùn)輸技術(shù)的提高、氫氣生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大化，我國(guó)未來(lái)氫氣價(jià)格將持續(xù)快速下降，2033 年氫氣價(jià)格將下降至現(xiàn)在的50%以下（見(jiàn)圖7）。以此為前提，測(cè)算了2050年前我國(guó)通勤 / 短程飛機(jī)的成本情況（見(jiàn)圖8）。氫能飛機(jī)的先期TCO更高，但隨著氫氣價(jià)格的持續(xù)下降而快速下降；2045 年前后，通勤 / 短程氫能飛機(jī)與純電動(dòng)飛機(jī)、燃油飛機(jī)的TCO將基本持平。也要注意到，實(shí)際運(yùn)營(yíng)中可能存在更為復(fù)雜的情況，很多無(wú)法在當(dāng)前TCO模型中被量化的因素將對(duì)未來(lái)燃油飛機(jī)的使用構(gòu)成較大影響：針對(duì)燃油飛機(jī)不斷收緊的排放標(biāo)準(zhǔn)將驅(qū)動(dòng)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)、碳排放水平等的繼續(xù)提升；政策限制可能影響飛機(jī)的采購(gòu)選型，航空碳中和目標(biāo)將約束燃油飛機(jī)的應(yīng)用規(guī)模。

圖7 我國(guó)氫氣價(jià)格預(yù)測(cè)

圖8 我國(guó)未來(lái)的通勤 / 短程飛機(jī)的成本情況

（三）我國(guó)氫能飛機(jī)產(chǎn)業(yè)化前景

氫能飛機(jī)具有綠色、環(huán)保、低噪音、零碳排放等突出優(yōu)點(diǎn)，產(chǎn)業(yè)化前景明確且廣闊。民用方面主要有初級(jí)飛行員培訓(xùn)、私人交通工具、旅游觀光、航空攝影、航空測(cè)繪、森林消防、體育運(yùn)動(dòng)、飛播造林、醫(yī)療救護(hù)、電纜巡護(hù)等；軍用方面主要有海上偵察、巡邏警戒、搜索反潛等。研制氫能飛機(jī)，也將攻克總體設(shè)計(jì)、高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、集成測(cè)試、適航符合性驗(yàn)證等關(guān)鍵技術(shù)，從而推動(dòng)形成我國(guó)氫能飛機(jī)的適航標(biāo)準(zhǔn)。隨著我國(guó)低空空域的逐步開(kāi)放，氫能飛機(jī)將具有廣闊的市場(chǎng)空間。

論證提出了我國(guó)氫能飛機(jī)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的兩類典型場(chǎng)景。① 西部地區(qū)地廣人稀、居住點(diǎn)分散，交通設(shè)施完善度不高。如果采用傳統(tǒng)的地面交通方式，道路和加油站基礎(chǔ)設(shè)施投入大、利用率低，尤其是管道和道路運(yùn)送燃油到各個(gè)加油站的綜合成本極高。然而，西部地區(qū)擁有豐富的風(fēng) / 光資源，如能充分發(fā)揮區(qū)域內(nèi)新能源發(fā)電的優(yōu)勢(shì)開(kāi)展風(fēng) / 光聯(lián)合制氫，可為氫能飛機(jī)的規(guī)?；瘧?yīng)用提供充足的燃料供應(yīng)；積極發(fā)展以氫能飛機(jī)為基礎(chǔ)的航空運(yùn)輸業(yè)，將能以經(jīng)濟(jì)、綠色的方式解決西部地區(qū)交通運(yùn)輸問(wèn)題。② 南海海域島嶼眾多且多數(shù)島嶼遠(yuǎn)離本土，保障需求突出而實(shí)際情況復(fù)雜，采用傳統(tǒng)船只進(jìn)行補(bǔ)給和巡邏，反應(yīng)慢、時(shí)效差，不利于有效管控。依托當(dāng)前海水直接電解技術(shù)的發(fā)展，利用風(fēng)、光、潮汐能發(fā)電并開(kāi)展電解水制氫，形成穩(wěn)定的當(dāng)?shù)貧淠芄?yīng)，特別適合采用氫能飛機(jī)進(jìn)行空中巡視、島礁間運(yùn)輸補(bǔ)給，對(duì)維護(hù)海洋權(quán)益和國(guó)土安全具有重要意義。

五、結(jié)語(yǔ)

氫燃料是實(shí)現(xiàn)綠色低碳的重要能源類型，氫能飛機(jī)將帶來(lái)航空領(lǐng)域的顛覆性技術(shù)變革。我國(guó)氫能飛機(jī)的發(fā)展，應(yīng)立足自身需求和國(guó)情實(shí)際，以追求系統(tǒng)高性能為目標(biāo)，盡快攻克飛行器設(shè)計(jì)、高壓儲(chǔ)氫、氫燃料電池、氫燃料渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、氫燃料航空內(nèi)燃機(jī)、飛行器適航驗(yàn)證等關(guān)鍵技術(shù)；通過(guò)TCO分析，辨明氫能飛機(jī)系統(tǒng)與氫燃料基礎(chǔ)設(shè)施在全面成熟之前的重點(diǎn)突破方向，促成氫能飛機(jī)及配套產(chǎn)業(yè)的商業(yè)化運(yùn)營(yíng)，從而探索出氫能航空經(jīng)濟(jì)運(yùn)營(yíng)體系。建議擇機(jī)成立創(chuàng)新機(jī)制的國(guó)家級(jí)氫能航空研究院，發(fā)揮戰(zhàn)略科技力量的關(guān)鍵作用，搶占?xì)淠芎娇盏闹聘唿c(diǎn)。為此，提出我國(guó)氫能飛機(jī)相關(guān)發(fā)展建議。

一是采取多技術(shù)路線同步發(fā)展。在通用航空領(lǐng)域，可以氫內(nèi)燃機(jī)、氫渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)、氫燃料電池為重點(diǎn)發(fā)展方向，多路線并舉推動(dòng)氫能源通航飛機(jī)發(fā)展。在商用航空領(lǐng)域，以氫渦輪機(jī)（以渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)為主）、液氫燃料為重點(diǎn)發(fā)展方向，推動(dòng)氫能源商用飛機(jī)研制與規(guī)模化應(yīng)用。

二是堅(jiān)持動(dòng)力先行。動(dòng)力系統(tǒng)是將氫能源轉(zhuǎn)化為氫能飛機(jī)驅(qū)動(dòng)力的核心關(guān)鍵裝置，直接決定了氫能飛機(jī)的總體飛行性能與綜合應(yīng)用成本。應(yīng)逐步改變國(guó)內(nèi)相關(guān)研究分散的格局，適時(shí)整合優(yōu)勢(shì)科研力量，協(xié)同而專向地開(kāi)展氫能源航空動(dòng)力研發(fā)。

三是科學(xué)有序地開(kāi)展氫能飛機(jī)研發(fā)。秉持從小到大、由簡(jiǎn)到繁的原則，按照先支線飛機(jī)、后干線飛機(jī)的順序，具體展開(kāi)氫能飛機(jī)總體設(shè)計(jì)與試制。采取理論研究 - 技術(shù)探索 - 攻關(guān)與集成驗(yàn)證 - 型號(hào)應(yīng)用的流程，突出重點(diǎn)、以點(diǎn)帶面、循序漸進(jìn)地開(kāi)展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、驗(yàn)證機(jī)驗(yàn)證、型號(hào)研發(fā)、示范應(yīng)用、市場(chǎng)化推廣。

四是同步推進(jìn)適航標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)。結(jié)合各類氫能飛機(jī)的研制進(jìn)度，及時(shí)開(kāi)展適航標(biāo)準(zhǔn)與符合性驗(yàn)證方法、特殊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、系統(tǒng)安全性分析等研究，固化技術(shù)成果以支持規(guī)?；瘧?yīng)用需求，增強(qiáng)氫能航空產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展能力。

利益沖突聲明

本文作者在此聲明彼此之間不存在任何利益沖突或財(cái)務(wù)沖突。

Received date:August 16, 2023;Revised date:October 5, 2023

Corresponding author:Xiang Song is a professor from Beijing Ruixiang Hydrogen Aircraft Technology Research Institute Co., Ltd.His major research fields include hydrogen aircraft research, aircraft design. E-mail: 41002329@qq.com

Funding project:Chinese Academy of Engineering project “Strategic Research on Innovative Development of Hydrogen Energy Aviation”(2023-XY-03)