氫能飛機發展現狀分析

■ 賴耀勝 李龍 / 中國航發渦輪院

減少碳排放的手段目前主要有三種：一是提高現有能源利用效率，二是利用替代能源，三是使用碳捕捉、封存和利用技術（CCUS）。具體到航空領域，前兩種減排路徑最為適用，并且只有采用替代能源才能實現凈零碳排放。氫能源作為替代能源，具有儲量豐富、來源廣泛、能量密度高、清潔且價格低廉等優點，在航空減碳方面具有廣闊的開發前景。

根據麥肯錫咨詢公司開展的一項研究顯示：燃氣渦輪發動機直接燃氫，可以將飛機排放氣體等對氣候的影響降低50%～75%；如果使用氫燃料電池來驅動電機，其對氣候影響的正向效益將提高到75%～90%。當前，世界各國都紛紛開展了大量氫能飛機及動力系統的研究，動力方案主要有氫燃料發動機、氫燃料電池和氫燃料電池混合電推進系統等，推動了氫能飛機的發展。但不可否認的是，這些技術的發展程度離氫能飛機的商業應用尚有一定的差距，除了燃氫發動機的改造問題需要解決以外，還需要攻克氫的制備和儲存等一系列難題。

氫能飛機研究進展概述

空客多方案并進推進氫能飛行技術發展

空客公司目前正在研究利用氫能制造合成燃料、氫燃料電池、可以直接使用氫燃料的改進型渦扇發動機和使用氫燃料和燃料電池的混合動力系統的氫能飛機方案。

空客發布帶吊艙的氫能飛機概念

2020年9月，空客公司發布了3個名為ZEROe的氫能飛機概念：渦扇氫混合動力、渦槳氫混合動力和翼身融合混合動力。其中，翼身融合飛機由兩臺氫燃料渦扇發動機提供動力，液氫儲存和分配系統位于后增壓艙，預計能搭載120 ～200名乘客，航程為3700km左右；渦槳氫混合動力飛機的液氫儲存和分配系統設計與第一種類似，只是換成了兩臺氫燃料渦槳發動機驅動六葉螺旋槳提供推力，搭載乘客100名左右，瞄準短程飛行市場；渦扇氫混合動力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動機。

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，每個吊艙有各自獨立的液氫儲罐、冷卻系統、燃料電池、電力電子裝置、電動機、八葉螺旋槳和其他必要的輔助設備組成。2021年3月，空客公司透露其從2016年開始建設電動飛機系統試驗中心，該中心可開展混合電推進系統架構設計集成、電推進子系統集成、替代能源發電系統（可持續航空燃料、氫）等技術的試驗，該設施目前的核心任務是ZEROe氫動力飛行器項目。目前，ZEROe項目還停留在概念演示階段，根據空客公司公布的氫動力飛機發展時間表，將在2024—2025年完成氫動力相關技術的選擇，主要是氫燃料電池推進、氫燃料燃氣輪機、氫燃料電池+氫燃料燃氣輪機混合動力，在之后5年內完成小尺寸技術驗證機研制，并啟動全尺寸原型機研制工作，以確保在2030—2035年間，實現100座級以上氫動力客機的商業化。

德國大力推動氫動力技術發展，開展兆瓦級氫動力系統研究

德國聯邦運輸和數字基礎設施部于2021年1月宣布，向氫燃料電池航空電驅總成項目（BALIS）撥款2600萬歐元，由德國航空航天中心（DLR）牽頭，研制以氫燃料電池為動力的大功率航空電驅總成（單臺功率不低于1.5MW），用于40 ～60座、1000km航程的支線客機。DLR已經在氫能航空技術領域進行了15年的深入研究，HY4氫燃料電池驗證機項目是其中的代表性成果。該項目于2011年開始研究，2016年9月首飛，后續不斷升級，2020年11月首次試飛了該機第六代氫燃料電池電驅總成，該驗證機為4座，最大速度200km/h，電機功率120kW，燃料電池單個電堆功率55kW。目前，DLR正在建設專用試驗設施，包括儲氫罐、電機系統和控制系統等，可滿足航空平臺的要求。

英國資助零排放航空氫電替代動力技術開發

2021年3月，英國商業、能源和工業戰略部（BEIS）宣布投入8460萬英鎊支持開發開創性的綠色航空技術，共支持氫電混動系統（H2GEAR）、HyFlyer二期和電動飛機飛行控制、儲能和推進綜合系統（InCEPTion）3個研發項目，重點關注利用氫或電力作為替代動力開發零排放航空技術。H2GEAR項目將開發創新的液氫電動混合推進系統，用于區域航線飛行，并確?？蓴U至更大型飛機用于更長航線。HyFlyer二期計劃研制50座氫燃料電池支線飛機，目標是2026年投入商業運營，2024年將有19座以下的名為HyFlyer II的氫燃料電池電動飛機首先投入運營，設計航程560km。InCEPTion項目將開發全電動零排放推進系統，可用于短途飛行的小型飛機，具備靜音、高效等優點。

航空發動機燃氫技術

目前氫能飛機的動力主要包括氫燃料電池、燃氫發動機等，相較于氫燃料電池，燃氫發動機的發展較為緩慢，這跟氫燃料與航空煤油的許多特性的不同有密切關系，航空發動機從燃油到燃氫，對結構設計尤其是燃燒室的設計帶來了挑戰。20世紀80年代，蘇聯便在航空發動機上使用氫燃料開展了試驗研究，在圖-155飛機上成功測試了NK88雙燃料（煤油和氫）發動機。20世紀90年代后，氫能飛機的研究從軍用擴展至民用。2000年，歐盟資助了一項為期兩年的低溫民用飛機項目（CRYPLANE），系統研究了液氫在民用航空亞聲速飛行領域使用液氫的可能性，研究內容包括傳統結構燃氫發動機和非傳統結構燃氫發動機。自2000年低溫民用飛機項目后，盡管空客公司在2020年提出了氫能飛機方案，但至今燃氫航空發動機的研究未見有重大進展。

傳統結構燃氫發動機

傳統結構燃氫航空發動機即在不對發動機結構進行大改的前提下，實現發動機燃氫。為了提升氫的溫度，突破燃油控制系統極限，同時實現效益最大化，需要采用換熱器。換熱器位置不同，則發動機結構不同，而在加入換熱器后，發動機熱力循環必然發生變化，需要對一些部件做一些小更改。例如，西班牙學者科切洛（Corchero）和蒙塔涅斯（Montanes）等人提出了3種方案：在發動機主流中插入換熱器；從主流中引一部分空氣流經換熱器，再從發動機下游氣動截面返回主流；把換熱器放到外部氣流中，即置于發動機外部?？魄新宓入S后在BR710-48渦扇發動機上對上述方案進行了試驗，結果表明，外部換熱器方案具備諸多優點，耗油率也低，但是會帶來發動機結構問題；低壓渦輪出口換熱器方案雖然也具備耗油率優勢，但推力損失較大。從發動機部件匹配工作角度而言，需縮短渦輪半徑，所幸縮短的尺寸在渦輪半徑公差范圍內。

非傳統結構燃氫發動機

研究非傳統結構燃氫發動機的機構較多，但方案差別不大。例如，英國克蘭菲爾德大學的博賈 （Boggia）等人在V2527-A5發動機上研究了3種非傳統結構燃氫發動機方案。

方案一是前冷發動機。該方案用液氫的吸熱能力冷卻壓氣機空氣，為壓氣機節省一部分功；另外，材料耐高溫性能基于壓縮空氣的最高溫度，采用中間冷卻可以匹配更高的總壓比，也能提升發動機性能。以V2527-A5作為基準發動機，液氫通過增壓級進口前的換熱器后，可被蒸發加熱至280K（起飛條件下），核心氣流冷卻近25K。

前冷發動機方案

方案二是頂端循環發動機。該方案包括主渦扇發動機和頂端回路。來自主發動機的一部分壓縮空氣從高壓壓氣機引出，進入頂端回路。這部分壓縮空氣先經氫—空氣換熱器完成預冷，然后和所有燃料一起在頂端回路燃燒室內富油燃燒，燃氣流經頂端循環內的渦輪進入主燃燒室，燃氣內的氫與主流空氣摻混，充分燃燒，然后在主發動機渦輪內膨脹。該循環的主要目的是增大發動機輸出的凈推力。此外，在給定頂端回路工作介質高焓值條件下，增加的渦輪機械的質量相對于提取的功率而言并不多。

方案三是高渦輪進口溫度發動機。就基準發動機V2527-A5而言，其冷卻空氣有15%來自壓氣機出口，用于冷卻渦輪導向葉片和高壓渦輪第一級轉子，冷卻空氣的溫度越低，則葉片冷卻效果更好，渦輪材料極限溫度相同條件下，渦輪進口溫度就可以越高。在該方案中，在低壓渦輪前額外增加了一個氫—空氣換熱器，液氫首先通過基準發動機內的主換熱器蒸發和預熱，然后流經第二個換熱器。讓燃油得到進一步加熱，冷卻空氣的溫度進一步降低。為了進一步開發渦輪功率，將發動機的涵道比從4.8 : 1增至6.5 : 1。為了驅動更大的風扇，額外增加了兩級低壓渦輪。

試驗結果表明，運用液氫燃料的吸熱能力可有效提升發動機性能，降低發動機運行成本。其中，方案一、方案三可節省約3%的運行成本，而且不需要額外增加渦輪機械，在技術上可行，從安全的角度也是可以實施的。

燃機燃氫技術

燃機的技術與航空發動機相似，部分燃機由航空發動機衍生發展而來，其燃氫技術對航空發動機燃燒室等部件的設計有一定的借鑒意義。目前，西門子和GE等公司都在進行燃機燃氫技術研究，其中西門子公司采用干低排放燃燒室（DLE）技術和濕低排放燃燒室（WLE）技術，目標是實現百分之百燃氫。DLE燃燒系統一般采用渦流穩定火焰結合貧油預混在不稀釋燃料的前提下實現低NOx排放，非DLE燃燒技術則采用擴散火焰或部分預混火焰。

頂端循環發動機方案

高渦輪進口溫度發動機方案

SGT-A65和A45非DLE燃燒系統

西門子大型燃機SGT5/6-2000E和SGT5/6-4000F采用HR3火焰筒設計。基于混合火焰筒概念，HR3采用中央導向旋流器和同心對角旋流器，通過旋流器葉片（SFI）注入燃氣。SGT5/6-5000F和SGT5/6-8000F燃機則采用超低NOx平臺燃燒系統（ULN/PCS），該系統將SFI技術與預混導向和同心布局主旋流器集成在一起，可以適應從純天然氣到氫含量達到30%體積的混合燃氣，目標是2030年實現百分之百燃氫。中型燃機SGT-750燃機配備結合中央導流預混和徑向主旋流器的第4代DLE火焰筒，試驗表明SGT-750燃機最高可使用氫體積含量為40%的混合燃料。航空發動機衍生燃機SGT-A35和SGT-A65采用軸向分級DLE火焰筒（第一級采用徑向旋流器，第二級采用位于軸向下游的非旋流預混管道），目前這兩型燃機的燃料氫體積含量最高達到了15%。

西門子航空發動機衍生燃機的非DLE系統改良自航空發動機應用，可以在氣態和液態燃料之間切換，通過注水降低火焰溫度的方式降低NOx排放。SGT-A65和SGT-A45采用第五代燃燒系統，而SGT-A35采用第二代燃燒系統。以上3種非DLE燃機都具備燃燒純氫燃料的能力。

儲氫技術

氫的能量密度接近40kW·h/kg，是傳統汽油的近3倍，而且其燃燒產物為水，對環境無污染。但是氫作為飛機燃料，也存在一些缺點，如體積密度小和易燃易爆導致的儲運困難。相較于傳統航空燃油，液氫燃料需要額外占據3倍體積，壓縮氫氣則需要額外占據5倍體積。目前氫能儲存技術主要有以下幾種：高壓儲氫、液化儲氫、固態儲氫和有機氫化物儲氫。

高壓儲存室是應用最廣的一種儲存方式，通常采用氣瓶作為容器。由于氫密度小、儲氫效率低，故需加大壓力來提高攜氫量，但加壓有可能導致氫分子從容器壁溢出或產生氫脆現象。

將溫度降至-253℃以下，可以實現液態儲氫，這種儲存方式體積儲氫密度高，適合于航空應用。但長時間存放會出現氫氣排盡現象，且因為液氫儲存溫度低，需要復雜的冷卻系統和高度絕緣的球形或緊湊圓柱體儲罐，導致整個燃料系統的質量能量密度下降。另外，傳統機翼油箱無法采用，需要引入革命性機體設計思路，如翼身融合結構或分布式氫燃料電池推進系統。

通過氫氣與材料發生化學反應或者物理吸附將氫儲存于固體材料中可實現固體儲氫，具有體積儲氫密度高、儲氫壓力低、結構緊湊、安全性高和氫氣純度高等優點，缺點是質量儲氫密度低和成本高。目前常用的儲氫材料主要為不飽和芳烴與對應氧化物（環烷烴），可以在不破壞碳環的主體結構下加氫和脫氫，反應可逆，具有儲存密度高、安全和儲運方便的優點，在規模化儲運氫方面有廣闊的發展前景，但同時也存在工藝復雜、釋氫效率低等不足。

結束語

在減排壓力下，世界各國都在尋求以氫作為綠色航空的出路，計劃在2035年左右實現氫能飛機的商業化。目前，對氫燃料電池方案的探索比較多，功率水平大概在100kW級左右，載客量為10座以下，應用對象為通用飛機，更大載客量（如幾十座）的支線飛機，則需要幾百千瓦至兆瓦級的燃料電池。只有空客公司計劃研究氫能渦扇和渦槳混合動力方案，但也并未完全確定其氫能飛機到底是采用氫燃料電池還是燃氫發動機作為動力。另外，不管是氫燃料電池還是燃氫發動機，都繞不開氫儲存的難題，目前，空客公司提出的翼身融合方案和以推進吊艙為特征的分布式氫推進系統結構或許能在一定程度上解決氫在飛機上儲存難的問題。