沈海军

      当前，全球航空业产生的二氧化碳排放量约占全球碳排放总量的2.5%。作为零碳清洁能源，氢因具备能量密度高（相当于航空煤油的3倍）且燃烧产物为水等低碳、绿色的优势，正成为航空业实现“脱碳”的重要手段，受到各国政府、相关机构和航空企业的高度重视。

  为应对全球变暖，实现“双碳”目标，2023年10月，我国工业信息部、科技部、财政部、中国民航局等四部门联合印发了《绿色航空制造业发展纲要（2023-2035年）》（简称《纲要》）。《纲要》中指出，要加快电动通用航空器系列化,谱系化，突破高能量密度锂电池、高比功率氢燃料电池、高效率电推进系统、高推重比涵道风扇,、先进气动布局涵道风扇,太阳能无人机等关键技术；到2025年显著提高国产民机节能、减排、降噪性能，全面提升航空绿色制造水平。显然，氢能源飞机，连同电动飞机、太阳能飞机，已被我国并列为未来绿色飞行的几大重要发展方向。

    一、氢燃料飞机的历史

      氢燃料飞机的概念由来已久。早在1939年8月，世界上首台喷气式飞机He-178在德国成功完成首飞。该飞机使用了一台汽油喷气发动机。然而，该发动机却是基于一款氢燃料喷气发动机发展而来的。该燃氢喷气发动机于1937年3月首次完成地面测试，只运行了不到5分钟，直到氢气耗尽。本次尝试表明，涡轮喷气发动机是可以烧氢气运行的，尽管涡轮金属部件在试验中被严重灼损。

      1955年，美国军方委托刘易斯研究中心着手论证液氢动力飞机的可行性。为此，还提供了一架B-57轰炸机作为试验平台。B-57飞机有两台喷气发动机，其中一台经过改造后，既能燃烧传统燃油，也能燃烧液氢燃料。液氢燃料版的发动机测试表明，氢燃料具有更高的比热值，较常规航空煤油工况，喷气发动机能让产生更大的推力。

       1956年，美国普惠公司决定研发一种带加力燃烧室的液氢喷气发动机-“Suntan 304”。该动力系统的液氢是在大气压力和约-250°C低温下储存的，额定推力为2.1吨。1956年至 1959年间，5台304型液氢发动机原型机先后被制造出来，此后便开展了一系列的地面试验。测试结果表明，该液氢发动机涡轮入口温度曲线平坦，优于现有航空煤油发动机。尽管304 发动机取得了成功，但配套装机的飞机却无法解决好低温液氢燃料燃料箱问题而失败了。

      上世纪70年代末，石油危机席卷全球，清洁航空燃料备受各国关注，低温液化氢气燃料因环保、高效再次进入人们视野。于是苏联开始尝试研制液氢燃料飞机，液氢燃料发动机率先被用于图-155型飞机。图-155是全球第一架使用氢作燃料的飞机，属于图-154客机的改进型。图-154是由苏联图波列夫设计局研制的三发中程客机，曾是俄系喷气客机中的佼佼者。为了使用液氢燃料，图-154的配置发生了重大变化。机身后部增设了一个气密舱，放置有一个20立方米的低温液氢罐，液氢采用真空隔热，可使储罐内温度长期保持在约零下253°C。飞机右舷的引擎被更换为液氢燃料的NK-88型发动机。作为世界上第一架使用液氢燃料飞机，图-155于1988年4月进行了首飞。图-155的成功试飞证明了低温航空的可能性，为后续改进航空低温燃料系统提供了宝贵经验。不幸的是，当时技术和经济水平限制，液氢燃料价格太高，这个项目没能够继续进行下去。

       20世纪90年代，苏联解体后，俄罗斯发生了严重的经济危机，于是被迫采取与德国合作的方式继续探究氢燃料飞机。德国的宇航公司和俄罗斯曾共同提出过一个被称为“低温燃料飞机”的研制计划，打算在一架Do-328飞机上试验氢燃料动力。德国甚至还设想着将同样的液氢燃料发动机装在A310客机上进行试验。但由于技术于资金问题，双方合作未能达到预期成果。此后，氢燃料飞机开始进入十余年的“消沉期”。直到氢燃料电池技术的出现，氢燃料才又开始得到航空领域的青睐。

       2008年3月，波音公司宣布成功试飞了一款氢燃料电池动力的小型飞机，并称这是世界航空史上的首例。波音公司的这款小型飞机由奥地利的“钻石”（Diamond）双座螺旋桨动力滑翔机改装而成，飞机内安装了质子交换膜氢燃料电池和锂电池，翼展16.3米，机身长6.5米，重约800公斤，可容纳两人。试飞中，机上只有飞行员一人。机舱内，传统电池安放于空座位上，飞行员的背后安放有一个类似潜水员使用的氧气罐用以储氢。飞机起飞和爬升阶段使用传统电池与氢燃料电池混合供电；爬升至1000米巡航高度后，转为全氢燃料电池提供动力，整个飞行持续了约20分钟，时速在100公里左右。这一技术对波音公司意义重大，也让航空工业的未来充满“绿色希望”。

       2012年，在美国导弹防御局的资助下，波音公司“幻影眼”无人机使用液氢作为能源开展了试飞。该机是一款液氢高空超长航时无人机，升限可达19.8公里，使用2台150马力的液氢发动机，使用螺旋桨推进；主要用于长时间情报，侦察和信息以及通讯任务，可以携带202公斤载荷飞行整整4天。这款飞机设计独特，外观看像一个超长机翼下面挂了一个超大号奶瓶，起飞重量4.4吨，巡航速度约270公里。此外，这款飞机最大的特色就是，飞机要依靠汽车助推才能比较正常起飞。这款新颖的液氢飞机经过几年试飞之后，终因液氢易燃易爆，存储温度超低，燃料箱体积过大等问题，最终放弃。

       2018年10月，新加坡氢能源系统公司发布了一款4座新概念飞行器“元素1号”，其动力采用了全新的氢燃料电池和分布式电推进结合设计方案，机翼上安装了14台功率为5-8千瓦的电动机，每台电动机后面都有一个氢燃料罐，这种分布式储能可行г黾尤剂闲俊Ｇ饽茉聪低彻拘疲霸�1号”可选用气态氢或液态氢作为燃料，后者有可望将飞机航时增加到20小时，航程可达5000公里！

二、氢动力飞机的技术途径

      氢燃料用作航空动力有两种基本途径：一是通过对传统涡轮发动机进行改进，使其能够燃烧氢燃料；二是通过氢燃料电池发电，由电机带动推进器（风扇或螺旋桨）产生动力。

    1）氢涡轮发动机

      这类发动机一般包含两种形式，即所谓的氢涡轮风扇发动机和氢涡轮电动风扇发动机。氢涡轮风扇发动机的结构与现役航空涡轮发动机基本相同，氢燃料在燃烧室内燃烧，推动涡轮并带动风扇产生推力；氢涡轮电动风扇发动机则是通过涡轮带动发电机发电，电驱动电机带动风扇产生推力。

      现有传统航空发动机结构并不适合燃氢，氢燃料燃烧时温度高、火焰传播快，容易产生过量氮氧化物且容易发生回火现象，导致无法实现氢的稳定燃烧。为了提高氢燃料发动机的工作效率，需要对传统发动机的燃烧室、燃料喷射与混合装置、热循环和管理系统等进行全面改造甚至重新设计，才能满足氢燃料的使用要求。

       相较于下文的氢燃料电池发动机，氢涡轮风扇发动机更适合大型飞机，但技术发展缓慢，这跟氢燃料与传统航空煤油特性上截然不同直接相关。航空发动机从燃油改为燃氢，对结构设计尤其是燃烧室的设计带来了新的挑战。20世纪80年代，苏联便在航空发动机上使用氢燃料开展了试验研究，在图-155飞机上成功测试了NK-88双燃料（煤油和氢）发动机。20世纪90年代后，氢能飞机的研究从军用扩展至民用。2000年，欧盟资助了一项为期两年的低温民用飞机项目，系统研究了液氢在民用航空亚声速飞行领域使用液氢的可能性，研究内容包括传统结构燃氢发动机和非传统结构燃氢发动机。2020年，空客公司曾提出了氢能飞机方案，但至今燃氢航空发动机的研究仍未见有重大进展。

      2）氢燃料电池发动机

       燃料电池类似于传统电池，具有阳极和阴极。氢气通过阳极进入电池。然后氢原子与催化剂（通常为铂，即我们常说的白金）反应，分裂成电子和质子。来自环境空气的氧气进入燃料电池的另一侧并通过阴极。然后带正电的质子通过电解质膜（也叫做子交换膜(PEM)，它能够将质子和电子进行分离并只允许质子通过。带负电的电子移出电池，阳极和阴极之间形成电位差，便可给发动机发电、供电。质子和氧气在阴极结合，产生水。氢在燃料电池中通过电化学反应直接产生电并排出水，电动机带动风扇（或螺旋桨）产生推力。以上就是氢燃料电池发动机的工作原理。

      与氢涡轮发动机相比，氢燃料电池内部氢与氧电化学反应环境更纯净，极少产生水蒸气凝结核，使飞行对气候的影响可降低75%-90%。不过，目前氢燃料电池技术还存在能量密度低、使用寿命短和单体输出功率低等问题，需要通过采用新型电极材料、电池一体化结构设计，高效的水和热管理和运行控制等方法，进一步提高电池功率密度、延长寿命。基于以上原因，波音研究与技术部的工程师认为，目前的氢燃料电池技术水平，只能为小型飞机提供飞行动力或者作为大型飞机提供辅助动力，尚不能作为大型客机提供主要动力。

       理论上，氢燃料电池可以提供更高的效率和更低的碳排放，前景广阔，但目前代价仍然比传统的内燃机和电池动力系统要高得多，成本问题急需解决。

       3）氢储存技术

        氢气储存技术是氢能航空发展的关键，也是目前限制氢能大规模应用的技术瓶颈。目前研究的氢储存技术主要包括高压气态储氢、液态储氢和储氢材料储氢等三种方式。高压气态储氢技术是将氢气压缩到耐高压的储气罐中，储气罐工作压力一般在35-70MPa之间。高压气罐的结构类型是氢能储存的关键因素，一般分为全金属结构（Ⅰ型）、金属内胆纤维环向缠绕结构（Ⅱ型）、金属内胆纤维全缠绕结构（Ⅲ型）、非金属内胆纤维全缠绕结构（Ⅳ型）。目前国外已经实现70MPa压力IV型储氢罐的应用，但该氢气储存技术的缺点在于体积比容量低、储氢量少，安全性能差。液态储氢，是将氢气低温液化后再封装储存。液态氢能量可达到10.05毫焦/升，是50MPa下气态氢的2倍。因此，相比于气态存储，液态氢气的存储具有能量密度高、储氢密度大、运输方便的优势。但氢气液化后的沸点温度很低，只有-252.78℃，即在-252℃以下才能液化，与正常环境的温度差值较大，所以对液氢存储容器有很高的绝热和密封要求，耗能大。目前，国内缺乏液氢的相关技术标准和政策规范。储氢材料储氢技术是利用稀土合金、有机液体材料等通过吸附储氢、化学储氢来实现氢的储存与释放，当下国内外产业化很少，基本处于小规模实验阶段。

未完待续

--《百科知识》约稿