群雄逐鹿氫燃料飛機研發

沈海軍

利用氫能為飛機提供動力，是航空領域實現低碳化、綠色化的重要途徑之一。在國際上，氫能航空動力已成為航空業減碳發展的重要方向之一，許多國家和地區都在積極開展相關技術研究和示范應用。

美國：2050年“改朝換代”

波音公司計劃在2050年后完全用氫燃料替代其客機上的傳統航空燃料，該公司采用氫燃料電池的“鉆石”飛機及氫動力無人機“幻影眼”已分別于2008年和2012年成功進行了試飛。

在美國能源部的支持下，2022年2月，普惠公司開發了新型高效氫燃料推進技術，啟動了氫蒸汽噴射、間冷渦輪發動機（HySIITE）項目。該項目將使用液氫燃料和水蒸氣回收技術來實現飛機飛行中的二氧化碳減排，預計可將下一代單通道飛機的碳排放量減少80%，燃料消耗減少35%。同時，HySIITE項目的半封閉式系統架構將實現比氫燃料電池更高的熱效率。

美國初創公司HyPoint在氫能源研發領域領先全球，該公司在2020年推出的渦輪空冷（TAC）氫燃料電池系統原型機曾榮獲美國國家航空航天局（NASA）在當年推出的創新科技大賽大獎。這一燃料電池系統融合了高溫質子交換膜（HTPEM）燃料電池、空氣冷卻及渦輪增壓等3項技術。與現有液冷低溫質子交換膜（LTPEM）燃料電池相比，HTPEM技術將單位功率提高了3倍，其能量密度則是現有鋰電池的5倍。在獲得英國政府一筆高達4億美元的資助后，HyPoint公司于2022年2月在英國開設了新的氫研發和生產基地。該公司未來的目標平臺包括電垂直起降飛行器（eVTOL）和貨運無人機。HyPoint公司還與德國化工巨頭巴斯夫公司合作開發下一代TAC HTPEM燃料電池，以減輕燃料電池的質量并提高其耐用性。該燃料電池預計于2024年年中推向市場。

美國ZeroAvia公司成立于2017年，目前在美國和英國均設有基地。在英國政府資助下，該公司在2020年10月完成了世界上首個由氫燃料電池支持的商用飛機飛行。這架名為“HyFlyer”的氫燃料電池動力飛機共有6個座位，原計劃最早于2023年首次投入商業運營。從中期發展目標看，ZeroAvia公司旨在開發以氫燃料電池為動力的10～20座飛機，其航程將達到800千米，預計為客貨兩用。為達成這一目標，2023年1月，ZeroAvia公司完成了一架19座Do-228型飛機的首飛。這架Do-228螺旋槳飛機看似普通，但其左側的螺旋槳是一個由兩個氫燃料電池驅動的電動機，其右側仍使用傳統的標準煤油發動機，這是迄今為止全球最大的氫燃料飛機。該項目被稱為HyFlyer II。目前，ZeroAvia公司已經開始研發世界上最大的零碳排放飛機，其改裝基礎是從阿拉斯加航空公司退役的沖-8飛機。沖-8是加拿大龐巴迪公司于1998年推出的一款76座的渦輪螺旋槳支線客機。ZeroAvia公司將為該飛機配備氫電推進系統。2021年，阿拉斯加航空公司投資了ZeroAvia公司。之后，兩家公司宣布將聯合開發氫能源支線客機。如今，阿拉斯加航空公司已將要改裝的飛機移交給了ZeroAvia公司。雖然之前的HyFlyer II飛機仍使用氣態氫燃料，但沖-8飛機將以液態氫為動力。

2023年3月，美國初創公司Universal Hydrogen成功試飛了一架以氫燃料電池為動力的40座支線客機。這架綽號為Lightning McClean的ATR 72飛機大約飛行了15分鐘，飛行高度約為3500米。這次飛行是該公司為期兩年的飛行測試活動的第一次，也是迄今為止在空中進行測試時使用氫燃料電池推進的最大的氫燃料飛機。Universal Hydrogen公司預計于2025年將以氫燃料電池為動力進行改裝的ATR 72支線飛機投入客運服務領域。

歐洲空客：2035年全球“首發”

雄心勃勃的空客公司計劃于2035年前推出世界上第一架零碳排放的商用飛機。該計劃發布于2020年9月，被稱作ZEROe。ZEROe共包含3個氫能飛機概念，分別是翼身融合混合動力飛機、渦槳氫混合動力飛機和渦扇氫混合動力飛機。其中，翼身融合混合動力飛機由兩臺氫燃料渦扇發動機提供動力，其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，飛機航程在3700千米左右；渦槳氫混合動力飛機的液氫儲存和分配系統與翼身融合混合動力飛機類似，只是采用兩臺氫燃料渦槳發動機驅動六葉螺旋槳提供推力，可以搭載100名左右的乘客，瞄準短程飛行市場；渦扇氫混合動力飛機的液氫儲罐位于機翼下方，機艙內部空間寬敞，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帶有6個推進吊艙的全新氫燃料飛機構型，它的每個吊艙都由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。根據發展時間表，空客公司將在2024—2025年完成氫動力相關技術的選擇，目前的可選項包括氫燃料電池推進、氫渦輪發動機、氫燃料電池+氫渦輪機混合動力。在之后的5年內，空客公司會依次完成小尺寸技術驗證機以及全尺寸原型機的研制工作，最終在2030—2035年實現100座級以上氫動力客機的商業化。

2023年6月，空客公司宣布其氫燃料電池系統測試成功，達到1.2兆瓦的滿功率水平。這是航空業針對大型飛機設計的燃料電池進行的測試。這次測試為該項目開展下一步工作奠定了基礎：將完整的推進系統與電動機集成。一旦這些優化和測試完成，燃料電池推進系統將安裝在ZEROe多模式飛行測試平臺上—空客飛機生產的第一架A380客機。隨后，空客公司將對系統進行地面測試，然后進入A380飛行測試的關鍵階段，目前計劃于2026年進行飛行測試。

德國：采用液態氫

2021年1月，德國運輸和數字基礎設施部撥款，委托德國航空航天中心（DLR）牽頭，研制大功率氫燃料電池航空動力，用于40～60座、1000千米航程的支線客機。實際上，在此前的15年里，德國航空航天中心已經深耕于氫能航空領域，其合作伙伴H2FLY公司的HY4型氫燃料電池驗證機便是它的標志性成果。HY4項目于2011年啟動，2016年9月完成首架飛機的試飛工作，后經不斷改進，到2020年11月，HY4飛機的氫燃料電池動力已升級至第六代。

H2FLY公司的全稱為德國氫能電動航空技術公司，由德國航空航天中心和烏爾姆大學的5名工程師創立于2015年，專門從事氫電航空技術的開發工作。2021年，H2FLY公司被在美國上市的eVTOL公司Joby收購。2023年9月，HY4飛機再次成功完成試飛，成為世界上首架液氫電動載人飛機。此次飛行持續了約3小時，耗氫10千克。該飛機的最大液氫儲存容量為24千克，可持續飛行8小時。由于采用了以液氫作為燃料的新的技術路線，HY4飛機的最大航程從此前的750千米增加到了1500千米。

HY4飛機的機體由蝙蝠飛機公司制造，由兩架該公司生產的“大金牛”飛機和一架雙座動力滑翔機并聯而成，是目前實際飛行的載重最大、座位數最多的氫燃料電池載人飛機。這種機身組合形式十分新穎，飛行員坐在機身右側，燃油系統則被隔離在機身左側，電力推進系統和氫轉換燃料電池則被安裝在中央機艙中。H2FLY公司研發的氫燃料電池動力系統由儲氫裝置、120千瓦燃料電池能量轉換器和電動機組成。自2016年以來，使用氫電混合動力的HY4飛機一直在飛行，并最終于2023年夏天取得了突破—以液態氫而不是氣態氫作為燃料。液態氫比氣態氫具有更高的能量密度，可以顯著降低油箱重量和體積。對于HY4飛機來說，使用液態氫可將航程增加1倍，成效顯著。

為了便于儲存液態氫，HY4飛機的儲氫罐由玻璃纖維和碳纖維制成，這種新型復合材料能夠極大地減少自重并增加有效容積。在同等容積下，碳纖維復合材料燃料罐比現有的最先進的航天低溫罐減少了75%的重量。

英國：2026年投入商用

2021年3月，英國商業、能源和工業戰略部（BEIS）宣布投入重金支持綠色航空技術，鼓勵企業利用氫或電力作為替代動力，以實現航空業的碳減排。該計劃中涉及氫動力的兩個項目分別為氫電混動系統（H2GEAR）和HyFlyerⅡ。其中，H2GEAR項目旨在開發創新的液氫電動混合推進系統，用于區域航線飛行，并確保可擴展至更大型飛機和用于更長航線的飛行。HyFlyer II項目旨在研制以氫燃料電池為動力的50座支線飛機，目標是在2026年將飛機投入商業運營；19座以下的名為HyFlyer II的氫燃料電池電動飛機將于2024年首先投入運營，該款氫燃料電池電動飛機的設計航程為 560千米。

在2023年7月舉行的范堡羅航展上，英國吉凱恩（GKN）集團公布了低溫超導氫能航空技術研發項目，該項目研發出的最新技術主要應用于19座、48座和96座飛機。項目計劃在2026年將相關技術應用于支線飛機。目前，這一項目已得到英國政府5400萬英鎊的資助。

其他國家：爭先恐后 各具千秋

早在2016年，我國中航技進出口有限責任公司和科比特航空公司聯合推出的多旋翼垂直起降無人機HYDrone-1800已經搭載了先進的氫燃料電池系統，并創造了該級別無人機270分鐘續航的新世界紀錄。該六軸無人機的最大飛行半徑為100千米，最大載荷達到25千克，可以安裝更多的偵察和作戰模塊，能直接從戰斗車輛上起飛，執行長航時任務，為步兵分隊提供超過20千米縱深的戰場態勢獲取能力。今年1月29日，我國自主研制的全球首款四座氫能飛機RX4HE原型機在沈陽完成首飛。此次試飛的原型機搭載的是國內首款2.0升零碳排放增壓直噴氫燃料內燃機，發動機功率經測試達到120千瓦，可以在大多數通航機場起降，滿足日常運營要求。該機型的驗證機于2023年3月完成驗證試飛，是我國自主研制的第一架以氫內燃機為動力的通航飛機。繼C919之后，中國商用飛機有限責任公司也設計出一款新一代氫能源概念機—“靈雀M”。

2021年11月，巴西航空工業公司公布了名為ENERGIA飛機系列的研發計劃，并表示其研發目標是探索“幫助行業實現到2050年凈零碳排放目標”的方法，其中便包括氫燃料電池飛機和氫渦輪動力飛機兩種氫動力機型。其中，氫燃料電池飛機將在2035年推出，最多可搭載19名乘客，其二氧化碳的排放量為零；氫渦輪動力飛機將采用氫渦輪發動機，能夠搭載35～50名乘客，其二氧化碳的排放量同樣為零，計劃在2040年投入市場。

2022年2月，韓國大韓航空公司、韓國液化氣集團、仁川國際機場和空客公司簽署了一份諒解備忘錄，擬共同探索氫氣在韓國航空業脫碳場景中的應用以及韓國國內機場基礎設施建設如何支持氫燃料飛機運行等問題的解決方案。其中，韓國液化氣集團將負責氫氣的生產、液化、儲存和輸送層面的技術支持，大韓航空公司將負責提供地面飛機運營和航空管理與運營層面的技術支持，空客公司則為氫燃料飛機提供技術層面的支持，仁川國際機場將提供機場發展計劃實施層面的支持。

【責任編輯】趙 菲