随着其他行业的脱碳，到2050年，航空业对全球二氧化碳排放的贡献预计将从2.5%上升到25%。使航空业脱碳的最简单方法是停止飞行。在当前水平下继续运营需要不排放二氧化碳的新燃料。可持续航空燃料(Sustainable aviation fuels)为现有机队提供了一座桥梁，但价格昂贵，产量有限，仍会产生在大气中停留数百年的二氧化碳。

相比之下，氢是不含碳的，在重量效率方面优于煤油，重量比在航空航天中至关重要。由英国政府资助的航空航天技术研究所(ATI-Aerospace Technology Institute）运营的研究项目FlyZero验证了氢动力飞机的可行性，该研究项目于今年早些时候发表了结论。

FlyZero首席推进工程师Simon Webb解释道：“FlyZero展示了三架尺寸和航程不断增加的研究飞机的物理模型。” “研究发现，一架搭载 280 名乘客的氢动力中型飞机只需一站加油，就可以在世界任何地方飞行。这改变了业界对氢作为未来净零燃料的看法。”

氢动力飞机将需要燃料电池或改装的涡轮动力系统、低温储罐和机场的氢基础设施。韦布倡导建立英国卓越中心，以加快创新。

空客公司正在领导氢动力飞机的开发，并正在调整其A380 MSN001测试飞机，作为其ZERO计划的演示机。

“把它想象成一个飞行的氢气实验室，”空客领演示和测试负责人Mathias Andriamisaina说。“在没有座位的情况下，A380 测试飞机为我们提供了整个客 舱主甲板和上层甲板来进行测试。我们将在机身上方的一个短柱中安装第五台燃烧氢气的涡扇发动机。在内部，我们将在一个无压力气泡内安装四个低温储氢罐，以及氢气分配和蒸发系统。”

 

该飞机仍将使用传统发动机进行推进，但提供了一个测试氢气系统的飞行环境。但空客公司并没有把所有的赌注都押在氢燃烧上，而是同时探索其他概念。它认为可持续航空燃料（Sustainable aviation fuels ）对现有机队的脱碳至关重要。

Andriamisaina 说：“用氢发动机改装客机不是为航空公司服务的可行方式。”“一架使用氢推进的维护和运营成本较低的飞机必须从全新的设计开始，可以自由地操纵油箱和乘客的位置。”

这一全新设计提供了翼身融合或分配六个可拆卸吊舱的考虑，每个吊舱都是一个独立的推进系统，配有氢罐、燃料电池、电动机和横跨机翼的八叶螺旋桨。

Andriamisaina 解释道：“我们正在并行考虑许多概念。”“吊舱的优点是易于操作。独立的推进系统很少与飞机互动，可以并行加油，并可更换组件进行维护。”

从小处开始

空客公司渴望制造一架200座、2300英里（3700公里）航程的氢燃烧客机，并在2035年前推出首款100 座、1150英里（1850公里）航程产品。

但初创公司H2FLY和ZeroAvia正在开发由燃料电池驱动的小型飞机，以缩短时间。2020年，ZeroAvia成功驾驶了一辆配备250kW氢电推进系统的六座 Piper Malibu，并准备测试一辆配备600kW的19座Dornier 228。

ZeroAvia 的飞机集成和测试负责人Gabriele Teofili 表示：“我们拆除了左侧发动机，并改装了氢电动动力系统。”它由储氢罐、燃料电池和电力推进装置组成。右侧发动机和电池提供双重冗余。

 

ZeroAvia将在改装后的多尼尔228上对其ZA600氢推进系统进行飞行测试

ZeroAvia 的目标是在2025年前认证其600千瓦的动力总成，使其能够用于9至19座飞机——H2FLY预计在同一时间段内开始运营其300千瓦的五座飞机。H2FLY的飞机将使用该公司的 HY4氢改装 Pipistrel Taurus G4滑翔机上经过验证的技术，该滑翔机首次在德国航空航天中心开发。

H2FLY 的首席执行官Josef Kallo说：“HY4的结构可以承受中翼的重量。” “这使得体积和重量自由度可以专注于动力总成、冗余度和合格能力。”同时， H2FLY和 ZeroAvia 都在研发2MW的升级动力系统。

“ZeroAvia 相信飞行测试，”Teofili说。“我们有一个计划、一架飞机和一种边做边学的能力——有时会失败——来加速对技术的理解和集成。”

知识竞赛

空客公司将通过小型飞机的垫脚石实验来收集知识。在蓝色秃鹰（Blue Condor）项目中，空中客车公司和非营利组织佩兰（Perlan）项目将对用于打破滑翔机高度世界纪录的Arcus-J 滑翔机进行氢燃烧改造。但最终开发氢燃料客机是一项长期的努力。

Andriamisaina说：“我们无法与那些用现有技术改造现有机身以制造航程适中的 19 座飞机的公司的时间框架竞争。”。“我们的业务不同。但我们希望看到这些飞机飞行，并在机场证明氢的可行性。”

液态氢由于体积减少，需要比气态氢少 80%的燃料箱空间才能输送相同的能量。因此，空客公司认为，只有液氢才适合用于强大的洲际飞机，这意味着要开发机载低温系统。

Andriamisaina解释道：“我们必须在-253°C（-423˚F）以下储存液氢12小时或更长时间。”“我们想要一个完全无源的系统，没有冷冻柜或压缩机，以针对系统质量优化存储容量。空中客车公司已在法国、德国、英国和西班牙成立了零排放发展中心（ZEDC），以创造绝缘、安全可靠的低温存储和分配的内部能力。”

 

空客A380 氢推进试验台中氢罐位置的剖面图

主要用于化学地面储存的低温技术必须与飞机集成。除了储氢罐，飞机还需要低温泄漏检测、分配和蒸发系统。航天工业对低温流体的经验是相关的，但当火箭短暂而剧烈地燃烧时，客机的低温泵必须使用 10000小时。

测试要求

ZeroAvia 和 H2FLY 在没有复杂热管理的情况下，使用加压气态氢气飞行演示者。但双方都认识到需要采 用液体燃料来支持可扩展性和增加航程。一旦飞行证明，ZeroAvia 的 Dornier228 飞机将成为低温系统的试验台。H2FLY 正在用工业天然气供应商液化空气开发的液氢存储器对其HY4 进行地面测试。向氢的过渡提出了航空航天测试的新问题。

Element可再生能源和氢气市场技术总监Mark Eldridge表示：“按照惯例，我们在物理测试中对材料进行了分析，并使材料失效。”

“现在，我们可以对解决方案进行数字化设计。我们正在解决从飞机系统到管道和氢气基础设施的整个端到端问题。

“我们可以模拟某人想做什么的可行性，以及支持这一点所需的设施。”

 

HY4 可能成为第一架氢能飞机

Elridge 认为，为了满足紧迫的脱碳时间框架，航空航天部门必须采用新的合作模式，必须强调数字模拟，减少验证的物理测试。所需的端点必须根据目前可用的技术进行实际考虑，两者在中间结合在一起。必须充分了解飞机系统如何与氢气相互作用。

Elridge说：“组成部分包括材料、压力和温度。”合金、复合材料、塑料和陶瓷在液态氢和气态氢周围的行为如何？

“氢是一种小分子。就像沙子一样，它无处不在，并渗透到金属和复合材料等材料中。当受到不同的压力和低温组合时，材料的性能会发生变化，因此测试必须遵循飞机的生命周期。”

Webb认为有必要对非二氧化碳排放和泄漏检测进行研究。他预计验证将从专注于低温氢气兼容性的样品材料测试，到部件和燃料系统测试，再到全尺寸动力系统测试。

Webb表示：“我们可能会设立几家英国工厂来发出需求信号。”“首先，对于气态氢，然后一旦我们进入燃料和热力系统，对于液态氢。”

Rolls Royce已经在拉夫堡大学进行气态氢燃烧和喷射测试，并计划在英国的Boscombe Down测试发动机。空中客车公司将在布里斯托尔的菲尔顿进行氢燃料系统和部件测试。总部位于英国的工程公司菲尔顿系统工程公司正在格洛斯特郡科茨沃尔德机场生产液氢，这里也是 ZeroAvia 测试工厂的所在地。

“在工厂外，一个电解槽为我们的地面测试和飞行生产氢气，”Teofili 说。“里面有三个系统测试实验室，我们在那里测试动力总成元件——发动机和逆变器——带储氢罐的燃料电池和热管理。我们有软件实验室和飞机本身，我们在这里集成系统并进行地面测试。”

ZeroAvia正在建造子系统开发和认证测试以及铁鸟或铜鸟全系统测试所需的所有设施，但该公司的快速发展使招聘足够合格的工程师成为一项挑战。Teofili 预计，英国将安排合作伙伴关系来支持环境温度和振动测试。还需要对氢产生的轨迹进行调查。

Webb说：“燃料电池或氢涡轮机不产生颗粒物，但产生的水是煤油的三倍。”“冰过饱和地区的轨迹形成可能会加剧气候影响。”

在FlyZero之后，ATI计划与大学团队举办研讨会，以确定哪些研究可以有效地减少氢推进产生的 NOx 和轨迹影响的不确定性。甚至可能有潜在的好处。

Webb解释说：“在晚上，轨迹会反射回表面能量，并产生变暖效应。”“但在白天，它们会将太阳能反射回来。也许在某些时候故意制造轨迹可能会产生净的正冷却效果。这将代表航空业的地位发生根本性的变化。”

燃料电池与涡轮机

氢可以在为电动机供电的燃料电池中或通过在合适的燃气涡轮发动机中燃烧来提供能量来推动飞机。FlyZero 首席推进工程师 Simon Webb 说：“从外部来看，氢涡轮机与传统涡轮机相似。但换热器会增加热能，蒸发准备燃烧的低温氢气。它将使用多点喷射系统，而不是喷嘴雾化液体燃料。”

虽然带有电动机的燃料电池已经成功地为短程轻型飞机提供了动力，但人们普遍支持大型洲际客机的氢涡轮机。在 FlyZero 的三架研究飞机中，只有最小的一架使用燃料电池推进，而较大的两架使用氢气。

Webb解释说：“燃气轮机的功率密度更大。”。“对于功率强大、航程更远的飞机来说，燃料电池会变得太重。燃气轮机技术也相对更成熟。”

尽管燃料电池只能加热到 100°C（212˚F）左右，但它们需要进一步增加重量的冷却系统，而涡轮机是自通风的。但在超过 1000°C（2120˚F）的燃烧室温度下，意味着氢涡轮机将从环境氮中产生NOx，而燃料电池是一种低噪音的解决方案，只排放水。

ZeroAvia 否认燃烧是一种妥协，但仍会带来污染。虽然它承认燃料电池目前无法支持 A320，但它相信未来的发展可能会使它们能够支持。

空客公司仍然持开放态度，但认为涡轮机是目前可容纳约 200 名乘客、航程约 2000 英里（3200 公里）的飞机最可行的选择。

Rolls-Royce 正在地面测试氢发动机，希望能在 20世纪 30 年代中期为窄体飞机提供动力。

空客公司的 Mathias Andriamisaina 说：“改造核心系统以燃烧氢气应该是可以实现的。”。“但在彻底改变飞机设计的过程中，我们希望实现完全零排放，并相信到 2035 年，低 NOx 燃烧室是可行的。”

建设氢能基础设施

氢能飞机将需要地基基础设施，而全球氢能供应目 前还没有。空客公司加入了 Hy24 管理的氢基础设施基金，并成立了一个生态系统团队来开发物理和监管框架。

“我们需要新的合作伙伴来改善机场环境，”空客 ZEROe 的 Mathias Andriamisaina 说。“我们正在推动机场氢枢纽的概念。为多种应用（不仅仅是飞机）共同生产和储存氢，可以实现跨部门协同效应，并分担开发成本。”

空客公司将与巴黎航空公司合作开发氢能基础设施。H2FLY 在斯图加特机场进行了最新的飞行活动，以展示其与国际运营的整合。Element的Mark Eldridge表示，今天的全球氢气液化能力可能只能满足一个小型机场的氢动力航空需求。例如，由于缺乏国内生产，英国通过油轮进口液氢。

Eldridge说：“这是航空航天的鸡还是蛋的问题。”“我们需要液氢来推动航空航天发展。但如果没有航空业的需求拉动，任何人都没有商业理由建造这些液化设施。打破这种循环的最好方法是边做边学——你可以建造可扩展的演示器来创造投资案例。”

Eldridge称赞ZeroAvia和H2FLY在创造更广泛发展的活动区方面的示范先行方法。他说：“这可能会为英国某个地方的投资者带来一个氢示范机场，然后生态系统就会从那里发展起来。”。“同样，如果更多的亿万富翁承诺实现航空净零排放，他们公司的股价将在一夜之间上涨，我们可以更快地实现这一目标。”

注:原文见《 Why hydrogen as an aviation fuel is in for the long haul 》2023.2.1

杨超凡 2023.8.28

本文经译者同意发布