隨著其他行業(yè)的脫碳，到2050年，航空業(yè)對(duì)全球二氧化碳排放的貢獻(xiàn)預(yù)計(jì)將從2.5%上升到25%。使航空業(yè)脫碳的最簡(jiǎn)單方法是停止飛行。在當(dāng)前水平下繼續(xù)運(yùn)營(yíng)需要不排放二氧化碳的新燃料。可持續(xù)航空燃料(Sustainable aviation fuels)為現(xiàn)有機(jī)隊(duì)提供了一座橋梁，但價(jià)格昂貴，產(chǎn)量有限，仍會(huì)產(chǎn)生在大氣中停留數(shù)百年的二氧化碳。

相比之下，氫是不含碳的，在重量效率方面優(yōu)于煤油，重量比在航空航天中至關(guān)重要。由英國(guó)政府資助的航空航天技術(shù)研究所(ATI-Aerospace Technology Institute）運(yùn)營(yíng)的研究項(xiàng)目FlyZero驗(yàn)證了氫動(dòng)力飛機(jī)的可行性，該研究項(xiàng)目于今年早些時(shí)候發(fā)表了結(jié)論。

FlyZero首席推進(jìn)工程師Simon Webb解釋道：“FlyZero展示了三架尺寸和航程不斷增加的研究飛機(jī)的物理模型。” “研究發(fā)現(xiàn)，一架搭載 280 名乘客的氫動(dòng)力中型飛機(jī)只需一站加油，就可以在世界任何地方飛行。這改變了業(yè)界對(duì)氫作為未來(lái)凈零燃料的看法。”

氫動(dòng)力飛機(jī)將需要燃料電池或改裝的渦輪動(dòng)力系統(tǒng)、低溫儲(chǔ)罐和機(jī)場(chǎng)的氫基礎(chǔ)設(shè)施。韋布倡導(dǎo)建立英國(guó)卓越中心，以加快創(chuàng)新。

空客公司正在領(lǐng)導(dǎo)氫動(dòng)力飛機(jī)的開(kāi)發(fā)，并正在調(diào)整其A380 MSN001測(cè)試飛機(jī)，作為其ZERO計(jì)劃的演示機(jī)。

“把它想象成一個(gè)飛行的氫氣實(shí)驗(yàn)室，”空客領(lǐng)演示和測(cè)試負(fù)責(zé)人Mathias Andriamisaina說(shuō)。“在沒(méi)有座位的情況下，A380 測(cè)試飛機(jī)為我們提供了整個(gè)客 艙主甲板和上層甲板來(lái)進(jìn)行測(cè)試。我們將在機(jī)身上方的一個(gè)短柱中安裝第五臺(tái)燃燒氫氣的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。在內(nèi)部，我們將在一個(gè)無(wú)壓力氣泡內(nèi)安裝四個(gè)低溫儲(chǔ)氫罐，以及氫氣分配和蒸發(fā)系統(tǒng)。”

 

該飛機(jī)仍將使用傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行推進(jìn)，但提供了一個(gè)測(cè)試氫氣系統(tǒng)的飛行環(huán)境。但空客公司并沒(méi)有把所有的賭注都押在氫燃燒上，而是同時(shí)探索其他概念。它認(rèn)為可持續(xù)航空燃料（Sustainable aviation fuels ）對(duì)現(xiàn)有機(jī)隊(duì)的脫碳至關(guān)重要。

Andriamisaina 說(shuō)：“用氫發(fā)動(dòng)機(jī)改裝客機(jī)不是為航空公司服務(wù)的可行方式。”“一架使用氫推進(jìn)的維護(hù)和運(yùn)營(yíng)成本較低的飛機(jī)必須從全新的設(shè)計(jì)開(kāi)始，可以自由地操縱油箱和乘客的位置。”

這一全新設(shè)計(jì)提供了翼身融合或分配六個(gè)可拆卸吊艙的考慮，每個(gè)吊艙都是一個(gè)獨(dú)立的推進(jìn)系統(tǒng)，配有氫罐、燃料電池、電動(dòng)機(jī)和橫跨機(jī)翼的八葉螺旋槳。

Andriamisaina 解釋道：“我們正在并行考慮許多概念。”“吊艙的優(yōu)點(diǎn)是易于操作。獨(dú)立的推進(jìn)系統(tǒng)很少與飛機(jī)互動(dòng)，可以并行加油，并可更換組件進(jìn)行維護(hù)。”

從小處開(kāi)始

空客公司渴望制造一架200座、2300英里（3700公里）航程的氫燃燒客機(jī)，并在2035年前推出首款100 座、1150英里（1850公里）航程產(chǎn)品。

但初創(chuàng)公司H2FLY和ZeroAvia正在開(kāi)發(fā)由燃料電池驅(qū)動(dòng)的小型飛機(jī)，以縮短時(shí)間。2020年，ZeroAvia成功駕駛了一輛配備250kW氫電推進(jìn)系統(tǒng)的六座 Piper Malibu，并準(zhǔn)備測(cè)試一輛配備600kW的19座Dornier 228。

ZeroAvia 的飛機(jī)集成和測(cè)試負(fù)責(zé)人Gabriele Teofili 表示：“我們拆除了左側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)，并改裝了氫電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)。”它由儲(chǔ)氫罐、燃料電池和電力推進(jìn)裝置組成。右側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)和電池提供雙重冗余。

 

ZeroAvia將在改裝后的多尼爾228上對(duì)其ZA600氫推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行飛行測(cè)試

ZeroAvia 的目標(biāo)是在2025年前認(rèn)證其600千瓦的動(dòng)力總成，使其能夠用于9至19座飛機(jī)——H2FLY預(yù)計(jì)在同一時(shí)間段內(nèi)開(kāi)始運(yùn)營(yíng)其300千瓦的五座飛機(jī)。H2FLY的飛機(jī)將使用該公司的 HY4氫改裝 Pipistrel Taurus G4滑翔機(jī)上經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的技術(shù)，該滑翔機(jī)首次在德國(guó)航空航天中心開(kāi)發(fā)。

H2FLY 的首席執(zhí)行官Josef Kallo說(shuō)：“HY4的結(jié)構(gòu)可以承受中翼的重量。” “這使得體積和重量自由度可以專(zhuān)注于動(dòng)力總成、冗余度和合格能力。”同時(shí)， H2FLY和 ZeroAvia 都在研發(fā)2MW的升級(jí)動(dòng)力系統(tǒng)。

“ZeroAvia 相信飛行測(cè)試，”Teofili說(shuō)。“我們有一個(gè)計(jì)劃、一架飛機(jī)和一種邊做邊學(xué)的能力——有時(shí)會(huì)失敗——來(lái)加速對(duì)技術(shù)的理解和集成。”

知識(shí)競(jìng)賽

空客公司將通過(guò)小型飛機(jī)的墊腳石實(shí)驗(yàn)來(lái)收集知識(shí)。在藍(lán)色禿鷹（Blue Condor）項(xiàng)目中，空中客車(chē)公司和非營(yíng)利組織佩蘭（Perlan）項(xiàng)目將對(duì)用于打破滑翔機(jī)高度世界紀(jì)錄的Arcus-J 滑翔機(jī)進(jìn)行氫燃燒改造。但最終開(kāi)發(fā)氫燃料客機(jī)是一項(xiàng)長(zhǎng)期的努力。

Andriamisaina說(shuō)：“我們無(wú)法與那些用現(xiàn)有技術(shù)改造現(xiàn)有機(jī)身以制造航程適中的 19 座飛機(jī)的公司的時(shí)間框架競(jìng)爭(zhēng)。”。“我們的業(yè)務(wù)不同。但我們希望看到這些飛機(jī)飛行，并在機(jī)場(chǎng)證明氫的可行性。”

液態(tài)氫由于體積減少，需要比氣態(tài)氫少 80%的燃料箱空間才能輸送相同的能量。因此，空客公司認(rèn)為，只有液氫才適合用于強(qiáng)大的洲際飛機(jī)，這意味著要開(kāi)發(fā)機(jī)載低溫系統(tǒng)。

Andriamisaina解釋道：“我們必須在-253°C（-423?F）以下儲(chǔ)存液氫12小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間。”“我們想要一個(gè)完全無(wú)源的系統(tǒng)，沒(méi)有冷凍柜或壓縮機(jī)，以針對(duì)系統(tǒng)質(zhì)量?jī)?yōu)化存儲(chǔ)容量?？罩锌蛙?chē)公司已在法國(guó)、德國(guó)、英國(guó)和西班牙成立了零排放發(fā)展中心（ZEDC），以創(chuàng)造絕緣、安全可靠的低溫存儲(chǔ)和分配的內(nèi)部能力。”

 

空客A380 氫推進(jìn)試驗(yàn)臺(tái)中氫罐位置的剖面圖

主要用于化學(xué)地面儲(chǔ)存的低溫技術(shù)必須與飛機(jī)集成。除了儲(chǔ)氫罐，飛機(jī)還需要低溫泄漏檢測(cè)、分配和蒸發(fā)系統(tǒng)。航天工業(yè)對(duì)低溫流體的經(jīng)驗(yàn)是相關(guān)的，但當(dāng)火箭短暫而劇烈地燃燒時(shí)，客機(jī)的低溫泵必須使用 10000小時(shí)。

測(cè)試要求

ZeroAvia 和 H2FLY 在沒(méi)有復(fù)雜熱管理的情況下，使用加壓氣態(tài)氫氣飛行演示者。但雙方都認(rèn)識(shí)到需要采 用液體燃料來(lái)支持可擴(kuò)展性和增加航程。一旦飛行證明，ZeroAvia 的 Dornier228 飛機(jī)將成為低溫系統(tǒng)的試驗(yàn)臺(tái)。H2FLY 正在用工業(yè)天然氣供應(yīng)商液化空氣開(kāi)發(fā)的液氫存儲(chǔ)器對(duì)其HY4 進(jìn)行地面測(cè)試。向氫的過(guò)渡提出了航空航天測(cè)試的新問(wèn)題。

Element可再生能源和氫氣市場(chǎng)技術(shù)總監(jiān)Mark Eldridge表示：“按照慣例，我們?cè)谖锢頊y(cè)試中對(duì)材料進(jìn)行了分析，并使材料失效。”

“現(xiàn)在，我們可以對(duì)解決方案進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)。我們正在解決從飛機(jī)系統(tǒng)到管道和氫氣基礎(chǔ)設(shè)施的整個(gè)端到端問(wèn)題。

“我們可以模擬某人想做什么的可行性，以及支持這一點(diǎn)所需的設(shè)施。”

 

HY4 可能成為第一架氫能飛機(jī)

Elridge 認(rèn)為，為了滿足緊迫的脫碳時(shí)間框架，航空航天部門(mén)必須采用新的合作模式，必須強(qiáng)調(diào)數(shù)字模擬，減少驗(yàn)證的物理測(cè)試。所需的端點(diǎn)必須根據(jù)目前可用的技術(shù)進(jìn)行實(shí)際考慮，兩者在中間結(jié)合在一起。必須充分了解飛機(jī)系統(tǒng)如何與氫氣相互作用。

Elridge說(shuō)：“組成部分包括材料、壓力和溫度。”合金、復(fù)合材料、塑料和陶瓷在液態(tài)氫和氣態(tài)氫周?chē)男袨槿绾危?/span>

“氫是一種小分子。就像沙子一樣，它無(wú)處不在，并滲透到金屬和復(fù)合材料等材料中。當(dāng)受到不同的壓力和低溫組合時(shí)，材料的性能會(huì)發(fā)生變化，因此測(cè)試必須遵循飛機(jī)的生命周期。”

Webb認(rèn)為有必要對(duì)非二氧化碳排放和泄漏檢測(cè)進(jìn)行研究。他預(yù)計(jì)驗(yàn)證將從專(zhuān)注于低溫氫氣兼容性的樣品材料測(cè)試，到部件和燃料系統(tǒng)測(cè)試，再到全尺寸動(dòng)力系統(tǒng)測(cè)試。

Webb表示：“我們可能會(huì)設(shè)立幾家英國(guó)工廠來(lái)發(fā)出需求信號(hào)。”“首先，對(duì)于氣態(tài)氫，然后一旦我們進(jìn)入燃料和熱力系統(tǒng)，對(duì)于液態(tài)氫。”

Rolls Royce已經(jīng)在拉夫堡大學(xué)進(jìn)行氣態(tài)氫燃燒和噴射測(cè)試，并計(jì)劃在英國(guó)的Boscombe Down測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)?？罩锌蛙?chē)公司將在布里斯托爾的菲爾頓進(jìn)行氫燃料系統(tǒng)和部件測(cè)試?？偛课挥谟?guó)的工程公司菲爾頓系統(tǒng)工程公司正在格洛斯特郡科茨沃爾德機(jī)場(chǎng)生產(chǎn)液氫，這里也是 ZeroAvia 測(cè)試工廠的所在地。

“在工廠外，一個(gè)電解槽為我們的地面測(cè)試和飛行生產(chǎn)氫氣，”Teofili 說(shuō)。“里面有三個(gè)系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)室，我們?cè)谀抢餃y(cè)試動(dòng)力總成元件——發(fā)動(dòng)機(jī)和逆變器——帶儲(chǔ)氫罐的燃料電池和熱管理。我們有軟件實(shí)驗(yàn)室和飛機(jī)本身，我們?cè)谶@里集成系統(tǒng)并進(jìn)行地面測(cè)試。”

ZeroAvia正在建造子系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和認(rèn)證測(cè)試以及鐵鳥(niǎo)或銅鳥(niǎo)全系統(tǒng)測(cè)試所需的所有設(shè)施，但該公司的快速發(fā)展使招聘足夠合格的工程師成為一項(xiàng)挑戰(zhàn)。Teofili 預(yù)計(jì)，英國(guó)將安排合作伙伴關(guān)系來(lái)支持環(huán)境溫度和振動(dòng)測(cè)試。還需要對(duì)氫產(chǎn)生的軌跡進(jìn)行調(diào)查。

Webb說(shuō)：“燃料電池或氫渦輪機(jī)不產(chǎn)生顆粒物，但產(chǎn)生的水是煤油的三倍。”“冰過(guò)飽和地區(qū)的軌跡形成可能會(huì)加劇氣候影響。”

在FlyZero之后，ATI計(jì)劃與大學(xué)團(tuán)隊(duì)舉辦研討會(huì)，以確定哪些研究可以有效地減少氫推進(jìn)產(chǎn)生的 NOx 和軌跡影響的不確定性。甚至可能有潛在的好處。

Webb解釋說(shuō)：“在晚上，軌跡會(huì)反射回表面能量，并產(chǎn)生變暖效應(yīng)。”“但在白天，它們會(huì)將太陽(yáng)能反射回來(lái)。也許在某些時(shí)候故意制造軌跡可能會(huì)產(chǎn)生凈的正冷卻效果。這將代表航空業(yè)的地位發(fā)生根本性的變化。”

燃料電池與渦輪機(jī)

氫可以在為電動(dòng)機(jī)供電的燃料電池中或通過(guò)在合適的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中燃燒來(lái)提供能量來(lái)推動(dòng)飛機(jī)。FlyZero 首席推進(jìn)工程師 Simon Webb 說(shuō)：“從外部來(lái)看，氫渦輪機(jī)與傳統(tǒng)渦輪機(jī)相似。但換熱器會(huì)增加熱能，蒸發(fā)準(zhǔn)備燃燒的低溫氫氣。它將使用多點(diǎn)噴射系統(tǒng)，而不是噴嘴霧化液體燃料。”

雖然帶有電動(dòng)機(jī)的燃料電池已經(jīng)成功地為短程輕型飛機(jī)提供了動(dòng)力，但人們普遍支持大型洲際客機(jī)的氫渦輪機(jī)。在 FlyZero 的三架研究飛機(jī)中，只有最小的一架使用燃料電池推進(jìn)，而較大的兩架使用氫氣。

Webb解釋說(shuō)：“燃?xì)廨啓C(jī)的功率密度更大。”。“對(duì)于功率強(qiáng)大、航程更遠(yuǎn)的飛機(jī)來(lái)說(shuō)，燃料電池會(huì)變得太重。燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)也相對(duì)更成熟。”

盡管燃料電池只能加熱到 100°C（212?F）左右，但它們需要進(jìn)一步增加重量的冷卻系統(tǒng)，而渦輪機(jī)是自通風(fēng)的。但在超過(guò) 1000°C（2120?F）的燃燒室溫度下，意味著氫渦輪機(jī)將從環(huán)境氮中產(chǎn)生NOx，而燃料電池是一種低噪音的解決方案，只排放水。

ZeroAvia 否認(rèn)燃燒是一種妥協(xié)，但仍會(huì)帶來(lái)污染。雖然它承認(rèn)燃料電池目前無(wú)法支持 A320，但它相信未來(lái)的發(fā)展可能會(huì)使它們能夠支持。

空客公司仍然持開(kāi)放態(tài)度，但認(rèn)為渦輪機(jī)是目前可容納約 200 名乘客、航程約 2000 英里（3200 公里）的飛機(jī)最可行的選擇。

Rolls-Royce 正在地面測(cè)試氫發(fā)動(dòng)機(jī)，希望能在 20世紀(jì) 30 年代中期為窄體飛機(jī)提供動(dòng)力。

空客公司的 Mathias Andriamisaina 說(shuō)：“改造核心系統(tǒng)以燃燒氫氣應(yīng)該是可以實(shí)現(xiàn)的。”。“但在徹底改變飛機(jī)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我們希望實(shí)現(xiàn)完全零排放，并相信到 2035 年，低 NOx 燃燒室是可行的。”

建設(shè)氫能基礎(chǔ)設(shè)施

氫能飛機(jī)將需要地基基礎(chǔ)設(shè)施，而全球氫能供應(yīng)目 前還沒(méi)有?？湛凸炯尤肓?Hy24 管理的氫基礎(chǔ)設(shè)施基金，并成立了一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)來(lái)開(kāi)發(fā)物理和監(jiān)管框架。

“我們需要新的合作伙伴來(lái)改善機(jī)場(chǎng)環(huán)境，”空客 ZEROe 的 Mathias Andriamisaina 說(shuō)。“我們正在推動(dòng)機(jī)場(chǎng)氫樞紐的概念。為多種應(yīng)用（不僅僅是飛機(jī)）共同生產(chǎn)和儲(chǔ)存氫，可以實(shí)現(xiàn)跨部門(mén)協(xié)同效應(yīng)，并分擔(dān)開(kāi)發(fā)成本。”

空客公司將與巴黎航空公司合作開(kāi)發(fā)氫能基礎(chǔ)設(shè)施。H2FLY 在斯圖加特機(jī)場(chǎng)進(jìn)行了最新的飛行活動(dòng)，以展示其與國(guó)際運(yùn)營(yíng)的整合。Element的Mark Eldridge表示，今天的全球氫氣液化能力可能只能滿足一個(gè)小型機(jī)場(chǎng)的氫動(dòng)力航空需求。例如，由于缺乏國(guó)內(nèi)生產(chǎn)，英國(guó)通過(guò)油輪進(jìn)口液氫。

Eldridge說(shuō)：“這是航空航天的雞還是蛋的問(wèn)題。”“我們需要液氫來(lái)推動(dòng)航空航天發(fā)展。但如果沒(méi)有航空業(yè)的需求拉動(dòng)，任何人都沒(méi)有商業(yè)理由建造這些液化設(shè)施。打破這種循環(huán)的最好方法是邊做邊學(xué)——你可以建造可擴(kuò)展的演示器來(lái)創(chuàng)造投資案例。”

Eldridge稱(chēng)贊ZeroAvia和H2FLY在創(chuàng)造更廣泛發(fā)展的活動(dòng)區(qū)方面的示范先行方法。他說(shuō)：“這可能會(huì)為英國(guó)某個(gè)地方的投資者帶來(lái)一個(gè)氫示范機(jī)場(chǎng)，然后生態(tài)系統(tǒng)就會(huì)從那里發(fā)展起來(lái)。”。“同樣，如果更多的億萬(wàn)富翁承諾實(shí)現(xiàn)航空凈零排放，他們公司的股價(jià)將在一夜之間上漲，我們可以更快地實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。”

注:原文見(jiàn)《 Why hydrogen as an aviation fuel is in for the long haul 》2023.2.1

楊超凡 2023.8.28

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