氢能飞机研制进展及产业化前景分析.docx

一、前言当前，航空产业依然保持迅猛发展态势，航空器的数量和飞行小时数也在逐年增加；但产生的C02排放量约占全球总量的3%,引起了各国广泛关注。氢是宇宙中最丰富的元素，氢能源是未来实现零碳排放、可持续发展的战略能源，以氢燃料作为能源的氢能飞机是推动实现航空领域碳达峰、碳中和（“双碳）目标的重要形式之一。氢能飞机研究具有较长的历史,早在1991年即有专著对发展史、应用潜力、基础设施需求、技术要点、飞行验证程序等进行了梳理。研究指出，将氢用于航空燃气涡轮发动机，需要重新设计燃烧室、燃料控制系统、液氢气化部件；氢燃料消耗率较煤油降低超过60%,氢燃料发动机的涡轮进口温度降低约40K,发动机结构的改动程度不大；氢作为燃料增加了发动机的净推力输出、降低了燃料消耗率，应用燃料散热器能够有效提高发动机性能；氢燃料电池在航空领域的应用潜力较大，既可作为轻型飞机的能源，也可用于辅助动力装置、地面支持设备；使用氢能可降低机翼面积和翼展的设计值，使远程运输飞机的能耗降低约ll%0此外，以ATR72飞机为对象进行了氢燃料改型的方案验证，微混合燃烧室能够显著降低氮氧化物的排放水平。随着全球范围内对氢能飞机关注度的持续提升，我国氢能航空领域兴起了新一轮研究热潮，相关工作集中在氢能航空和氢能飞机发展态势、低碳减排、商业化运行探讨等方面,氢能未来将以替代燃油的方式率先在交通运输系统中获得规模化应用，航空业将是代表性领域，但以氢能为动力源实现航空领域绿色发展仍面临诸多挑战。一方面，氢能技术产业链长、难点多，现有技术成果的经济性还不能满足氢能航空的商业化需求；另一方面，针对氢能飞机总拥有成本（TCO）的研究稀缺，发展氢能飞机涉及的燃料费用、维修费用、加氢/充电设施建设费用等运营成本不甚清晰。得益于“双碳目标的推动，氢能作为一种清洁能源，将在能源供给侧和消费侧助力深度脱碳，促进航空业变革转型。文章结合氢能飞机发展背景，梳理国内外研制进展，提炼关键技术体系，构建TCO模型并分析产业化前景，进一步提出我国氢能飞机发展建议，以期为氢能飞机技术探索、应用布局、产业发展等研究提供基础参考。二、氢能飞机的发展背景及国内外研制进展（一）氢能飞机将为航空领域实现“双碳”目标提供重要支撑地球是人类共同且唯一的家园。随着工业化程度的提升，煤炭、石油、天然气等化石燃料大量使用并排放出以C02为主的温室气体；温室气体包裹着地球，持续捕获来自太阳辐射的能量，导致全球变暖和气候变化，破坏了原有的自然界平衡。为了减缓全球变暖趋势，巴黎协定（2015年）制定了长期目标，将全球平均气温较工业化时期上升幅度控制在2。C以内（努力追求限制在1.5以内）。在此背景下，有超过20个国家和地区宣布了碳中和目标，如美国和欧盟设定2050年实现碳中和。航空领域碳减排同样受到国际组织和各国政府的高度重视。国际民航组织（ICAO）提出的国际航空碳抵消和减排计划（CORSIA）（2016年）是首个全球性的行业减排市场机制，要求全球航空业2035年的COz排放量不超过2020年的水平（即碳达峰），2050年的COz排放量应达到2005年水平的50%以下（即碳中和）。我国“双碳战略目标的正式提出，为民航运输业的绿色低碳发展指明了发展方向，需要采取一系列的技术与管理变革。对于航空运输业而言，氢能飞机的研制和应用将是重要的转折点，因为使用氢能源能够显著降低航空活动对气候的影响。氢能飞机作为新兴事物，需要动力系统、燃料存储系统、地面基础设施等的适应性改进，将影响飞机的运营成本。然而，氢能飞机将会带来航空技术及应用的颠覆性变化，有望创造氢能航空产业并形成丰厚的市场回报，起到加速双碳进程的积极作用。可以认为，氢能飞机是提升我国航空业技术基础的重要方向。加快发展氢能飞机，对于超前布局先导产业、抢占新能源航空技术制高点、发挥航空制造综合优势具有重要意义。2023年3月，我国首款氢燃料内燃机飞机验证机完成首飞，标志着我国航空领域在氢能应用方面迈出坚实步伐。（二）国外氢能飞机的研制进展氢能航空的先驱者德国科学家早在1937年即将氢气用作燃气涡轮发动机的替代燃料（实现了有效推力）。20世纪50年代，美国公司研究了航空发动机使用液氢燃料的可行性，对J-57、J-47、J-65B-3>J71-A-Ii等航空发动机进行了氢燃料喷射改造，完成了相应地面测试；1956年，B-57轰炸机换装了1台J-65氢燃料涡喷发动机并进行了飞行测试（高度约为15km、速度为Ma0.75）。1988年，苏联将图-154飞机中的1台发动机换用氢气作为燃料，以研究氢能推进的技术可行性。2000年，受欧盟委员会资助，空中客车公司牵头、34家航空企业及研究机构参与开展了“低温航线项目，系统分析了以液氢为燃料的飞机方案。2005年，美国航空环境公司制造并测试了世界首架液氢动力无人机。日本发布了氢基本战略（2017年）、氢能利用进度表（2019年），鼓励相关企业发展氢能飞机。2020年，欧盟委员会支持开展“洁净天空计划项目，计划2028年完成氢动力通勤飞机认证和支线飞机试飞、2035年完成中程氢动力飞机开发、2050年完成中远程氢动力飞机开发。美国能源部发布氢能计划发展规划（2020年），将氢燃料电池、氢涡轮机、氢气“制储输用技术作为未来的重要研发方向。当前，航空强国的相关企业都在积极开展氢能飞机及动力系统研究，主流的动力方案有氢燃料发动机、氢燃料电池、氢燃料电池混合电推进系统等，加快了氢能飞机研制进程。公司主推氢-电航空解决方案，近期发展目标是航程约80Okm的10-20座飞机，用于客运、快递、农业等；2020年9月，改装的6座燃料电池飞机首飞，由2台电机驱动可变距螺旋桨，能源包括16.25kWh的锂电池、100kw的氢燃料电池;2023年1月，改装的19座燃料电池飞机完成10min试飞,后续将采用2台60OkW氢-电动力系统并携带Iookg气态氢,拟于2025年开始商业飞行。（2）空中客车公司正在论证涡桨氢混合动力、涡扇氢混合动力、翼身融合混合动力等构型的氢能飞机方案，拟于2035年前研制零排放商用飞机;明确新一代单通道客机需求，牵引发展更高效率、清洁排放的航空动力系统。美国公司完成了50座飞机的氢燃料电池验证机改装并于2023年3月首飞。（三）我国氢能飞机的研制进展与国际上氢能飞机发展趋势同步，我国氢能飞机研发工作正在展开，形成了辽宁通用航空研究院（氢燃料电池与锂电池混合动力飞机技术攻关）、北京航空航天大学（燃油涡桨发动机PT6的氢燃料改型论证）、中国航天科技集团有限公司第六研究院第一。一研究所（氢制取/液氢生产和存储、轻质高效液氢燃料储装置）、哈尔滨工业大学和佛吉亚斯林达有限公司（高压气态储氢）等优势研究机构，综合技术水平接近国际先进。2010年，沈阳航空航天大学组建了通用航空重点实验室，开始试制氢燃料电池无人机。2012年，“雷鸟氢燃料电池无人机完成首飞，成为我国首款氢燃料电池无人机（见图1）。2017年，沈阳航空航天大学、中国科学院大连化学物理研究所联合研制了我国首架2座氢燃料电池试验机并完成试飞（见图2）o2023年,沈阳航空航天大学研制的4座氢燃料内燃机飞机（搭载了2L氢燃料内燃机）完成首飞，成为我国首架以氢内燃机为动力的通航飞机；飞机采用上单翼、低平尾、前置螺旋桨、前三点式不可收放起落架的总体布局，翼展为13.5m,机长为8.2m,巡航速度为180km/h,留空时间lh；携带的高压气态储氢为4.5kg,氢内燃机最大热效率43%、综合热效率40%（见图3）。图1“雷鸟”氢燃料电池无人机图22座氢燃料电池试验机图34座氢内燃机飞机验证机2019年，中国商飞北京民用飞机技术研究中心研制的“灵雀H燃料电池验证机完成首飞，标志着民机主制造商在新能源飞机探索方面的实质性进展。验证机采用氢燃料电混合动力，旨在验证以氢燃料电池为主、锂电池为辅的混合动力技术在飞机上应用的适当性（见图4）。图4"灵雀H"燃料电池验证机2023年，浙江氢航科技有限公司研制的氢动力多旋翼无人机通过了中国电力科学研究院有限公司的检测认证，主要性能指标均符合电力巡检的使用要求。三、氢能飞机关键技术分析（一）氢能飞机总体设计氢能飞机与传统燃油飞机的主要区别是：传统飞机多采用机翼油箱以充分利用机翼空间并降低翼载荷,但氢能飞机氢燃料的储氢装置（高压气态或液态）是压力容器或绝热容器，加之氢密度低、储氢装置占用体积大，无法采用机翼油箱布局；（2）液氢必须气化后才能用于航空发动机，而发动机自身、压气机引气及滑油有着冷却需求，需要进行有效的能量管理。因此，热管理系统、氢储装置需要与飞机结构及功能进行一体化设计，主要有改进型、创新型两种技术路径：前者简单调整机身以容纳储氢装置，利于氢能飞机尽快投入使用；后者采用全新构型，需要进行大量的数值分析和风洞试验，以实现优化的飞机总体方案与结构布局。（二）液态储氢罐液态储氢罐的绝热结构应具有轻质结构、低传热特性，才能适应长时飞行中的增压要求，相应绝热系统方案分为主动和被动两种。大气成分中的所有气体都会在液氢温度下冻结，应抽尽绝热系统中的空气。主动系统需要利用惰性气体或者泵装置以保持真空状态。对于整体式、非整体式液态储氢罐设计，均采用一体式结构以尽量减少潜在的泄漏源。液态储氢罐的主体结构设计主要考虑绝热方式、支撑结构、安全附件等因素，制造工艺主要涉及焊接、探伤、套管等；相应试验主要从气密、耐压、低温冲击等角度考虑，以确保液态储氢罐从设计、制造到出厂检验的全过程安全。（三）氢燃料电池氢燃料电池具有高效率、高比能的特点，是氢能通用飞机或氢能通勤飞机的良好能源形式。相应系统主要包括：燃料电池堆、氢气供应系统、空气供应系统、水热管理系统、电源管理控制系统。高性能氢燃料电池研发，主要涉及高性能催化剂、增强复合膜、高性能低钳膜电极、耐蚀薄层金属双极板、高比功率电堆、耐低温系统集成、质子交换膜高效电解水制氢等技术环节。（四）氢燃料涡轮发动机1 .氢燃料增压泵研发氢燃料增压泵应具有长寿命、高可靠、可维护、高效率特点，一般设计为可更换单元。增压泵工作温度极低，其轴承需适应低温环境。液氢被增压到3.172×105Pa,后通过燃料管（带阀门）输送到高压泵；即使在最小流量条件下，液氢也应获得足够的升压。考虑到液氢的润滑性很差，具有较低润滑要求的离心泵是最佳的候选方案，工作范围较宽且失速特性良好。增压泵应基于燃料控制能力进行设计，多采用三级变速方式，因而直流电机驱动是优选。增压泵各个零件的平均故障间隔时间2500h,大修间隔时间8000飞行小时，存放期5年，具有立即可用的能力。2 .热交换器研发液氢发动机的热交换器一般安装在涡轮后支撑支柱来实现热交换，也可放置在喷管的内表面，起到的作用有：进入燃烧室之前的液氢燃料气化、发动机滑油冷却、压气机引气冷却、涡轮叶片冷却。液氢燃料由液氢增压泵加压后送入热交换器,液氢在热交换器中气化,温度和压力迅速升高,故热交换器主要控制温度、压力、流量等参数。3 .氢燃料燃烧室设计氢的燃料特性不同于传统燃油，如直接使用传统燃烧室，由于燃料喷射点的数量有限导致氢燃料和空气的混合往往不充分；大规模的氢扩散火焰形成高的局部温度，造成NoX快速生成，也将阻碍氢气与空气的进一步混合。为此，氢燃料的燃烧室需要重新设计。减少NoX排放的主要方式有：降低火焰温度、消除反应区的热点、减少火焰区的持续时间与暴露时间。通常采用贫氢预混燃烧室设计方案，以提高燃烧室温度均匀性、减少NOX的生成。为了避免预混可能的早燃烧、回火危险而导致发动机结构损坏以及可靠性降低，基于微型扩散燃烧理论、具有微混合燃烧特征的非预混合方案也受到关注。4 .氢脆氢脆主要是由电镀工艺中携带的金属出现“氢化现象而导致的，对于铁、银、钛、钻及