隨著其他行業的脫碳，到2050年，航空業對全球二氧化碳排放的貢獻預計將從2.5%上升到25%。使航空業脫碳的最簡單方法是停止飛行。在當前水平下繼續運營需要不排放二氧化碳的新燃料?？沙掷m航空燃料(Sustainable aviation fuels)為現有機隊提供了一座橋梁，但價格昂貴，產量有限，仍會產生在大氣中停留數百年的二氧化碳。

相比之下，氫是不含碳的，在重量效率方面優于煤油，重量比在航空航天中至關重要。由英國政府資助的航空航天技術研究所(ATI-Aerospace Technology Institute）運營的研究項目FlyZero驗證了氫動力飛機的可行性，該研究項目于今年早些時候發表了結論。

FlyZero首席推進工程師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的物理模型。” “研究發現，一架搭載 280 名乘客的氫動力中型飛機只需一站加油，就可以在世界任何地方飛行。這改變了業界對氫作為未來凈零燃料的看法。”

氫動力飛機將需要燃料電池或改裝的渦輪動力系統、低溫儲罐和機場的氫基礎設施。韋布倡導建立英國卓越中心，以加快創新。

空客公司正在領導氫動力飛機的開發，并正在調整其A380 MSN001測試飛機，作為其ZERO計劃的演示機。

“把它想象成一個飛行的氫氣實驗室，”空客領演示和測試負責人Mathias Andriamisaina說。“在沒有座位的情況下，A380 測試飛機為我們提供了整個客 艙主甲板和上層甲板來進行測試。我們將在機身上方的一個短柱中安裝第五臺燃燒氫氣的渦扇發動機。在內部，我們將在一個無壓力氣泡內安裝四個低溫儲氫罐，以及氫氣分配和蒸發系統。”

 

該飛機仍將使用傳統發動機進行推進，但提供了一個測試氫氣系統的飛行環境。但空客公司并沒有把所有的賭注都押在氫燃燒上，而是同時探索其他概念。它認為可持續航空燃料（Sustainable aviation fuels ）對現有機隊的脫碳至關重要。

Andriamisaina 說：“用氫發動機改裝客機不是為航空公司服務的可行方式。”“一架使用氫推進的維護和運營成本較低的飛機必須從全新的設計開始，可以自由地操縱油箱和乘客的位置。”

這一全新設計提供了翼身融合或分配六個可拆卸吊艙的考慮，每個吊艙都是一個獨立的推進系統，配有氫罐、燃料電池、電動機和橫跨機翼的八葉螺旋槳。

Andriamisaina 解釋道：“我們正在并行考慮許多概念。”“吊艙的優點是易于操作。獨立的推進系統很少與飛機互動，可以并行加油，并可更換組件進行維護。”

從小處開始

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，并在2035年前推出首款100 座、1150英里（1850公里）航程產品。

但初創公司H2FLY和ZeroAvia正在開發由燃料電池驅動的小型飛機，以縮短時間。2020年，ZeroAvia成功駕駛了一輛配備250kW氫電推進系統的六座 Piper Malibu，并準備測試一輛配備600kW的19座Dornier 228。

ZeroAvia 的飛機集成和測試負責人Gabriele Teofili 表示：“我們拆除了左側發動機，并改裝了氫電動動力系統。”它由儲氫罐、燃料電池和電力推進裝置組成。右側發動機和電池提供雙重冗余。

 

ZeroAvia將在改裝后的多尼爾228上對其ZA600氫推進系統進行飛行測試

ZeroAvia 的目標是在2025年前認證其600千瓦的動力總成，使其能夠用于9至19座飛機——H2FLY預計在同一時間段內開始運營其300千瓦的五座飛機。H2FLY的飛機將使用該公司的 HY4氫改裝 Pipistrel Taurus G4滑翔機上經過驗證的技術，該滑翔機首次在德國航空航天中心開發。

H2FLY 的首席執行官Josef Kallo說：“HY4的結構可以承受中翼的重量。” “這使得體積和重量自由度可以專注于動力總成、冗余度和合格能力。”同時， H2FLY和 ZeroAvia 都在研發2MW的升級動力系統。

“ZeroAvia 相信飛行測試，”Teofili說。“我們有一個計劃、一架飛機和一種邊做邊學的能力——有時會失敗——來加速對技術的理解和集成。”

知識競賽

空客公司將通過小型飛機的墊腳石實驗來收集知識。在藍色禿鷹（Blue Condor）項目中，空中客車公司和非營利組織佩蘭（Perlan）項目將對用于打破滑翔機高度世界紀錄的Arcus-J 滑翔機進行氫燃燒改造。但最終開發氫燃料客機是一項長期的努力。

Andriamisaina說：“我們無法與那些用現有技術改造現有機身以制造航程適中的 19 座飛機的公司的時間框架競爭。”。“我們的業務不同。但我們希望看到這些飛機飛行，并在機場證明氫的可行性。”

液態氫由于體積減少，需要比氣態氫少 80%的燃料箱空間才能輸送相同的能量。因此，空客公司認為，只有液氫才適合用于強大的洲際飛機，這意味著要開發機載低溫系統。

Andriamisaina解釋道：“我們必須在-253°C（-423?F）以下儲存液氫12小時或更長時間。”“我們想要一個完全無源的系統，沒有冷凍柜或壓縮機，以針對系統質量優化存儲容量?？罩锌蛙嚬疽言诜▏?、德國、英國和西班牙成立了零排放發展中心（ZEDC），以創造絕緣、安全可靠的低溫存儲和分配的內部能力。”

 

空客A380 氫推進試驗臺中氫罐位置的剖面圖

主要用于化學地面儲存的低溫技術必須與飛機集成。除了儲氫罐，飛機還需要低溫泄漏檢測、分配和蒸發系統。航天工業對低溫流體的經驗是相關的，但當火箭短暫而劇烈地燃燒時，客機的低溫泵必須使用 10000小時。

測試要求

ZeroAvia 和 H2FLY 在沒有復雜熱管理的情況下，使用加壓氣態氫氣飛行演示者。但雙方都認識到需要采 用液體燃料來支持可擴展性和增加航程。一旦飛行證明，ZeroAvia 的 Dornier228 飛機將成為低溫系統的試驗臺。H2FLY 正在用工業天然氣供應商液化空氣開發的液氫存儲器對其HY4 進行地面測試。向氫的過渡提出了航空航天測試的新問題。

Element可再生能源和氫氣市場技術總監Mark Eldridge表示：“按照慣例，我們在物理測試中對材料進行了分析，并使材料失效。”

“現在，我們可以對解決方案進行數字化設計。我們正在解決從飛機系統到管道和氫氣基礎設施的整個端到端問題。

“我們可以模擬某人想做什么的可行性，以及支持這一點所需的設施。”

 

HY4 可能成為第一架氫能飛機

Elridge 認為，為了滿足緊迫的脫碳時間框架，航空航天部門必須采用新的合作模式，必須強調數字模擬，減少驗證的物理測試。所需的端點必須根據目前可用的技術進行實際考慮，兩者在中間結合在一起。必須充分了解飛機系統如何與氫氣相互作用。

Elridge說：“組成部分包括材料、壓力和溫度。”合金、復合材料、塑料和陶瓷在液態氫和氣態氫周圍的行為如何？

“氫是一種小分子。就像沙子一樣，它無處不在，并滲透到金屬和復合材料等材料中。當受到不同的壓力和低溫組合時，材料的性能會發生變化，因此測試必須遵循飛機的生命周期。”

Webb認為有必要對非二氧化碳排放和泄漏檢測進行研究。他預計驗證將從專注于低溫氫氣兼容性的樣品材料測試，到部件和燃料系統測試，再到全尺寸動力系統測試。

Webb表示：“我們可能會設立幾家英國工廠來發出需求信號。”“首先，對于氣態氫，然后一旦我們進入燃料和熱力系統，對于液態氫。”

Rolls Royce已經在拉夫堡大學進行氣態氫燃燒和噴射測試，并計劃在英國的Boscombe Down測試發動機?？罩锌蛙嚬緦⒃诓祭锼雇袪柕姆茽栴D進行氫燃料系統和部件測試?？偛课挥谟墓こ坦痉茽栴D系統工程公司正在格洛斯特郡科茨沃爾德機場生產液氫，這里也是 ZeroAvia 測試工廠的所在地。

“在工廠外，一個電解槽為我們的地面測試和飛行生產氫氣，”Teofili 說。“里面有三個系統測試實驗室，我們在那里測試動力總成元件——發動機和逆變器——帶儲氫罐的燃料電池和熱管理。我們有軟件實驗室和飛機本身，我們在這里集成系統并進行地面測試。”

ZeroAvia正在建造子系統開發和認證測試以及鐵鳥或銅鳥全系統測試所需的所有設施，但該公司的快速發展使招聘足夠合格的工程師成為一項挑戰。Teofili 預計，英國將安排合作伙伴關系來支持環境溫度和振動測試。還需要對氫產生的軌跡進行調查。

Webb說：“燃料電池或氫渦輪機不產生顆粒物，但產生的水是煤油的三倍。”“冰過飽和地區的軌跡形成可能會加劇氣候影響。”

在FlyZero之后，ATI計劃與大學團隊舉辦研討會，以確定哪些研究可以有效地減少氫推進產生的 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：“在晚上，軌跡會反射回表面能量，并產生變暖效應。”“但在白天，它們會將太陽能反射回來。也許在某些時候故意制造軌跡可能會產生凈的正冷卻效果。這將代表航空業的地位發生根本性的變化。”

燃料電池與渦輪機

氫可以在為電動機供電的燃料電池中或通過在合適的燃氣渦輪發動機中燃燒來提供能量來推動飛機。FlyZero 首席推進工程師 Simon Webb 說：“從外部來看，氫渦輪機與傳統渦輪機相似。但換熱器會增加熱能，蒸發準備燃燒的低溫氫氣。它將使用多點噴射系統，而不是噴嘴霧化液體燃料。”

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

Webb解釋說：“燃氣輪機的功率密度更大。”。“對于功率強大、航程更遠的飛機來說，燃料電池會變得太重。燃氣輪機技術也相對更成熟。”

盡管燃料電池只能加熱到 100°C（212?F）左右，但它們需要進一步增加重量的冷卻系統，而渦輪機是自通風的。但在超過 1000°C（2120?F）的燃燒室溫度下，意味著氫渦輪機將從環境氮中產生NOx，而燃料電池是一種低噪音的解決方案，只排放水。

ZeroAvia 否認燃燒是一種妥協，但仍會帶來污染。雖然它承認燃料電池目前無法支持 A320，但它相信未來的發展可能會使它們能夠支持。

空客公司仍然持開放態度，但認為渦輪機是目前可容納約 200 名乘客、航程約 2000 英里（3200 公里）的飛機最可行的選擇。

Rolls-Royce 正在地面測試氫發動機，希望能在 20世紀 30 年代中期為窄體飛機提供動力。

空客公司的 Mathias Andriamisaina 說：“改造核心系統以燃燒氫氣應該是可以實現的。”。“但在徹底改變飛機設計的過程中，我們希望實現完全零排放，并相信到 2035 年，低 NOx 燃燒室是可行的。”

建設氫能基礎設施

氫能飛機將需要地基基礎設施，而全球氫能供應目 前還沒有。空客公司加入了 Hy24 管理的氫基礎設施基金，并成立了一個生態系統團隊來開發物理和監管框架。

“我們需要新的合作伙伴來改善機場環境，”空客 ZEROe 的 Mathias Andriamisaina 說。“我們正在推動機場氫樞紐的概念。為多種應用（不僅僅是飛機）共同生產和儲存氫，可以實現跨部門協同效應，并分擔開發成本。”

空客公司將與巴黎航空公司合作開發氫能基礎設施。H2FLY 在斯圖加特機場進行了最新的飛行活動，以展示其與國際運營的整合。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小型機場的氫動力航空需求。例如，由于缺乏國內生產，英國通過油輪進口液氫。

Eldridge說：“這是航空航天的雞還是蛋的問題。”“我們需要液氫來推動航空航天發展。但如果沒有航空業的需求拉動，任何人都沒有商業理由建造這些液化設施。打破這種循環的最好方法是邊做邊學——你可以建造可擴展的演示器來創造投資案例。”

Eldridge稱贊ZeroAvia和H2FLY在創造更廣泛發展的活動區方面的示范先行方法。他說：“這可能會為英國某個地方的投資者帶來一個氫示范機場，然后生態系統就會從那里發展起來。”。“同樣，如果更多的億萬富翁承諾實現航空凈零排放，他們公司的股價將在一夜之間上漲，我們可以更快地實現這一目標。”

注:原文見《 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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