氢燃料飞机 未来已至

仅仅在几年前，绝大多数人还认为把氢当作飞机燃料的想法实在有些离谱；而现在，业内人士普遍认为，氢燃料是解决航空业零碳难题的一个重要手段。事实上，氢燃料飞机有望永久改变航空业。

概念由来已久

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就在德国成功完成首飞。该飞机使用的汽油喷气发动机是基于一款氢燃料喷气发动机发展而来。该款氢燃料喷气发动机于1937年3月首次完成地面测试，只运行了不到5分钟，便将氢气耗尽。这次尝试表明，涡轮喷气发动机可以使用氢气燃料运行，尽管其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发展液氢动力飞机的可行性。为此，美国军方还提供了一架B-57轰炸机作为试验平台。该架B-57轰炸机有两台喷气发动机，其中一台经过改造后，既能使用传统燃油，又能使用液氢燃料。液氢燃料版发动机的测试结果表明，氢燃料具有更高的比热值，较常规航空煤油工况，能让喷气发动机产生更大的推力。

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—1959年，普惠公司先后制造出5台液氢发动机原型机，并在随后进行了一系列地面试验。测试结果表明，该液氢发动机涡轮入口的温度曲线平坦，优于当时的航空煤油发动机。尽管Suntan 304发动机的研发取得了成功，但由于与之配套的飞机无法解决低温液氢燃料的燃料箱问题而导致研发最终失败。

20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，低温液氢燃料凭借其环保、高效等优点再次进入人们的视野。此时，苏联开始尝试研制液氢燃料飞机，并率先将液氢燃料发动机应用于图-155型飞机上。图-155是全球首款使用氢燃料的飞机，属于图-154客机的改进型。图-154由苏联图波列夫设计局研制，为三发中程客机，曾是俄系喷气客机中的佼佼者。为了使用液氢燃料，图-154飞机的配置发生了重大变化：机身后部增设了气密舱，放置一个体积为20立方米的低温液氢罐。该液氢罐采用真空隔热材料，可使罐内温度长期保持在-253°C附近。飞机右舷的引擎被更换为以液氢为燃料的NK-88型发动机。作为世界上第一架使用液氢燃料的飞机，图-155于1988年4月进行首飞并取得了成功。图-155的成功试飞不仅证明了飞机使用低温燃料飞行的可能性，而且为后续改进航空低温燃料系统提供了宝贵经验。可惜的是，受到当时技术和经济水平的限制，液氢燃料的价格实在太高，该项目未能持续下去。

20世纪90年代，苏联解体后，俄罗斯发生了严重的经济危机，被迫采取与德国合作的方式继续探索发展氢燃料飞机的可行性。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，两国打算在一架Do-328飞机上试验氢燃料动力。德方甚至还设想将相同的液氢燃料发动机安装在空客公司的A310客机上进行试验；但由于技术以及资金问题，双方的合作未能达到预期效果。此后，氢燃料飞机的研发进入持续了十余年的“消沉期”。直到氢燃料电池技术的出现，氢燃料才重新开始在航空领域受到青睐。

2008年3月，波音公司宣布成功试飞了一款以氢燃料电池为动力的小型飞机，并宣称这次试飞在世界航空史上属于首创。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。飞机翼展16.3米，机身长6.5米，重约800千克，可容纳两人。试飞时，机上只有飞行员一人。机舱内，传统电池被放置在空座位上，飞行员的背后则有一个类似潜水员使用的氧气罐的装置，用以储氢。该飞机在起飞和爬升阶段使用传统电池与氢燃料电池混合供电；当爬升至1000米的巡航高度后，转为以氢燃料电池提供全部动力。整个飞行持续约20分钟，飞行时速在100千米左右。该技术对波音公司而言意义重大，也让航空工业的未来充满了“绿色希望”。

2012年，在美国导弹防御局的资助下，波音公司的“幻影眼”无人机使用液氢能源开展了试飞。“幻影眼”是一款液氢高空超长航时无人机，升限可达19.8千米，配备有2台150马力的液氢发动机，采用螺旋桨推进，主要用于执行长时间侦察、获取情报和信息以及通信任务，可携带202千克载荷飞行整整4天。“幻影眼”设计独特，从外表看就像在超长机翼下面挂了一个超大号奶瓶。其起飞重量为4.4吨，巡航时速约为270千米。这款飞机还有一个最大的特色—要依靠汽车助推才能实现正常的起飞。经过几年试飞，“幻影眼”液氢无人机终因液氢易燃易爆和存储温度超低、燃料箱体积过大等问题遭到放弃。

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”。该飞行器采用全新的氢燃料电池和分布式电推进结合设计方案，机翼上安装有14台功率为5～8千瓦的电动机，每台电动机后面都配有一个氢燃料罐，这种分布式储能可有效增加燃料携带量。氢能源系统公司宣称，“元素1号”既可以选用气态氢，也可以选用液态氢作为燃料，后者有望将飞机航时增加到20小时，航程可以达到惊人的5000千米。

两条技术途径

将氢燃料作为航空动力，有两条基本实现途径：一是改进传统涡轮发动机，以便能够使用氢燃料；二是利用氢燃料电池发电，由电机带动推进器（风扇或螺旋桨）产生动力。

氢涡轮发动机

此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，发出的电驱动电机带动风扇产生推力。

不过，现有的传统航空发动机的结构并不适合使用氢燃料，因为氢在燃烧时具有温度高、火焰传播快、容易产生过量氮氧化物且容易发生回火现象等特点，导致氢无法实现稳定燃烧。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，才能满足使用要求。

相较于下文将要提到的氢燃料电池发动机，氢涡轮风扇发动机更适合大型飞机，但技术进展缓慢，这跟氢燃料与传统航空煤油截然不同的特性直接相关。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提出了新的挑战。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。在20世纪90年代后，氢能飞机的研究从军用领域扩展至民用领域。2000年，欧盟资助了一项为期两年的低温民用飞机项目，系统研究了在民用航空亚声速飞行领域使用液氢燃料的可能性，该项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，欧洲空客公司曾提出了氢能飞机方案，但燃氢航空发动机的研究至今仍未见重大进展。

氢燃料电池发动机

氢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后，氢原子与催化剂（通常为铂，即人们俗称的白金）反应，分裂成电子和质子。来自环境空气中的氧气则进入燃料电池的另一侧并通过阴极。之后，带正电的质子和电子通过电解质膜（也称为子交换膜，缩写为PEM），电解质膜能够将质子和电子分离并只允许质子通过，带负电的电子则被移出电池，电池的阴阳两极之间形成电位差，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，在氢燃料电池内部，氢与氧发生电化学反应的环境更纯净，极少产生水蒸气凝结核，可以将飞行对气候的影响降低75%～90%。不过，目前的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不足，需要采用新型电极材料、电池一体化结构设计、高效的水热管理与运行控制等方法，进一步提高电池功率密度、延长其使用寿命。基于以上原因，波音公司研究与技术部的工程师认为，目前的氢燃料电池只能为小型飞机提供飞行动力或者为大型飞机提供辅助动力，尚不能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，但以目前的技术水平，需要付出的代价比传统的内燃机和电池动力系统要高得多，急需解决成本问题。

储存技术是瓶颈

氢气储存技术是氢能航空发展的关键，也是当下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、高压液态储氢和储氢材料储氢三种方式。

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为35～70MPa。高压储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。

高压液态储氢是将氢气低温液化后再封装储存。液态氢的能量可以达到10.05毫焦每升，是50MPa下气态氢能量的2倍。因此，相比于气态存储，液态氢的存储具有能量密度高、储氢密度大、运输方便等优点；但氢气液化后的沸点很低，只有-252.78℃，即在-252℃以下的低温环境里才能液化，与正常环境的温度差值较大，所以需要液氢存储容器有很好的绝热和密封性能，且耗能大。目前，我国国内缺乏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，国内外关于该技术的产业化很少，基本处于小规模实验阶段。

【责任编辑】赵 菲