9月26日-9月27日，2024（第三屆）新能源航空國際論壇在北京舉行，本次論壇旨在為航空業(yè)綠色轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展奠基。提到交通領(lǐng)域的“綠色轉(zhuǎn)型”，很多人第一印象是陸上交通，如耳熟能詳?shù)钠�車尾氣排放與污染問題。實(shí)際上，仰望天空，看似毫無波瀾的空中交通，也面臨著不小的問題。

年10億噸！碳排放也在“上方”發(fā)生

傳統(tǒng)上飛機(jī)所用燃料主要是航空煤油，其成分包括不同餾分的烷烴、芳香烴和烯烴等碳?xì)浠�合物，航空煤油燃燒后�?huì)向大氣中排放二氧化碳、氮氧化物、一氧化碳等有害氣體。

近年來，隨著全球民航、通航產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，由航空飛行活動(dòng)帶來的碳排放問題也日益嚴(yán)重。據(jù)測算，一架民航客機(jī)一年可排放二氧化碳3600噸，碳排放量與800輛轎車相當(dāng)，足足需要90萬棵樹吸收一年。國際能源協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，僅2019年全球航空業(yè)就產(chǎn)生了約10億噸的碳排放，占世界碳排放總量的2.8%。

在青海果洛瑪沁機(jī)場，工作人員在為國產(chǎn)商用飛機(jī)ARJ21加油（圖片來源：新華社）

為實(shí)現(xiàn)航空業(yè)的碳減排目標(biāo)，開發(fā)包括氫燃料在內(nèi)的清潔能源，發(fā)展可持續(xù)的航空技術(shù)，已成為當(dāng)下航空領(lǐng)域最炙手可熱的研究方向之一。各航空強(qiáng)國均已出臺(tái)氫能航空發(fā)展規(guī)劃，主流飛機(jī)制造商和發(fā)動(dòng)機(jī)制造商也都在積極開展氫能航空相關(guān)技術(shù)研究。

空中大角逐：氫動(dòng)力VS傳統(tǒng)動(dòng)力

與傳統(tǒng)航空煤油相比，氫燃料給航空業(yè)帶來的最大好處就是可以大大降低二氧化碳及其他溫室氣體的排放，甚至可能實(shí)現(xiàn)“零碳飛行”。此外，氫的能量密度是航空煤油的3倍，具有更好的燃燒特性，在消耗相同空氣時(shí)，所需要的氫燃料也更少。在使用氫燃料后，還可以降低燃燒溫度，提高熱效率，減少能量損失。

我國自主研制的第一架以氫內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的通航飛機(jī)（圖片來源：新華社）

然而，氫作為飛機(jī)燃料，在使用時(shí)還存在一些缺點(diǎn)。眾所周知，氫氣是自然界中分子量最小、密度也最低的氣體，極易壓縮和膨脹。這種體積密度小和易燃易爆的特性導(dǎo)致氫的儲(chǔ)存和運(yùn)輸十分困難。相比于傳統(tǒng)的航空煤油，需要4倍體積的液氫燃料或6倍體積的壓縮氫氣才能產(chǎn)生相同的能量。

氫還會(huì)給飛機(jī)帶來氫脆的問題。所謂氫脆，有一種觀點(diǎn)認(rèn)為，是由于氫原子在高溫高壓環(huán)境下容易滲入金屬材料內(nèi)部，氫的滲入與聚集會(huì)使金屬變脆，導(dǎo)致金屬結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能嚴(yán)重惡化。金屬的氫脆現(xiàn)象一旦形成，便無法消除，這無疑給氫動(dòng)力飛機(jī)的安全帶來威脅。

揚(yáng)長避短，混合電推進(jìn)

當(dāng)前實(shí)現(xiàn)氫動(dòng)力飛行主要有兩種方式，其一，燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)直接燃燒氫氣，即氫燃料飛機(jī)；其二，采用氫燃料電池電推進(jìn)，即氫電池飛機(jī)。

氫燃料飛機(jī)，主要采用氫燃料替換傳統(tǒng)航空煤油，對(duì)飛機(jī)和推進(jìn)系統(tǒng)的整體改動(dòng)量較小，可充分利用燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的成熟技術(shù)。但飛機(jī)上“寸土寸金”，如何在不改變總體布局的前提下，在有限的空間里研制出質(zhì)量輕、隔熱好、強(qiáng)度高的氫儲(chǔ)存箱成了關(guān)鍵問題。

由于氫極易壓縮和膨脹，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路中的流動(dòng)還時(shí)刻伴隨著物相、壓力和溫度的振蕩變化，因此，如何對(duì)易于變化的氫進(jìn)行動(dòng)態(tài)高精度計(jì)量和調(diào)控也是非常棘手的難題。實(shí)際上，對(duì)于氫燃料在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中究竟應(yīng)當(dāng)是以液態(tài)還是以氣態(tài)的方式進(jìn)行管理和使用，目前仍存在很大爭議。

與氫燃料飛機(jī)相比，氫電池飛機(jī)在飛行過程中會(huì)非常安靜，不再有發(fā)動(dòng)機(jī)轟鳴的侵?jǐn)_。但氫電池飛機(jī)由于采用了電池、電動(dòng)機(jī)及電力電子設(shè)備組成的電動(dòng)系統(tǒng)，因而在飛機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上與傳統(tǒng)飛機(jī)存在根本性的差異，需要結(jié)合電動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)重新進(jìn)行整體布局設(shè)計(jì)。

氫電池飛機(jī)主要依靠螺旋槳的旋轉(zhuǎn)來產(chǎn)生推力，這就難免限制了其在高空高速飛行上的應(yīng)用。除此之外，盡管通過氫燃料電池與電動(dòng)機(jī)相結(jié)合，可以提高氫的能量使用效率，但與同樣清潔高效的鋰離子電池相比，氫燃料電池在功率密度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和綜合成本上仍存在很大進(jìn)步空間。

總體來說，氫燃料飛機(jī)與氫電池飛機(jī)各有優(yōu)缺點(diǎn)，也都有暫時(shí)難以突破的技術(shù)瓶頸。不少研究者認(rèn)為，將氫燃料燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)與氫燃料電池組合形成混合電推進(jìn)系統(tǒng)，讓氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)只在額定功率下運(yùn)行并發(fā)電，由電驅(qū)系統(tǒng)進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，可以有效地?fù)P長避短，充分發(fā)揮氫燃料燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)與氫燃料電池的優(yōu)勢。因此，氫燃料混合電推進(jìn)方式被認(rèn)為是未來氫能發(fā)動(dòng)機(jī)的主要發(fā)展方向。

氫能飛機(jī)出行展望

氫能飛機(jī)是一條嶄新的賽道，涉及能源、基礎(chǔ)設(shè)施、交通等諸多領(lǐng)域。事實(shí)上，目前還沒有成熟的氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)投入商業(yè)應(yīng)用，談?wù)撈鋵?duì)航空出行成本的影響有些為時(shí)尚早。不過，就當(dāng)前氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展情況而言，氫能飛機(jī)的制造和使用成本并不低廉。

首先，作為燃料使用的氫尚未形成大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，并且仍然依賴于從天然氣、煤炭等化石能源中制備氫氣，從可再生能源中得到的氫氣不但產(chǎn)量較少，而且成本更高。其二，氫的存儲(chǔ)條件極為苛刻，這勢必導(dǎo)致飛機(jī)上須布置異常復(fù)雜且體積龐大的儲(chǔ)氫罐及配套冷卻系統(tǒng)，無疑會(huì)助推飛行成本的上漲。其三，由于此前氫能未在航空業(yè)中廣泛使用，氫能航空動(dòng)力的相關(guān)設(shè)施十分匱乏，短期內(nèi)也很難實(shí)現(xiàn)氫燃料的低成本運(yùn)輸與儲(chǔ)存。

不過，道路是曲折的，前途是光明的。持續(xù)對(duì)氫能飛機(jī)開展研究，不僅能逐步顛覆當(dāng)前航空業(yè)的發(fā)展格局，促進(jìn)我國“雙碳”戰(zhàn)略的實(shí)施，還能同時(shí)帶動(dòng)氫能源相關(guān)產(chǎn)業(yè)的原始科技創(chuàng)新。隨著技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，低碳低成本的氫能航空時(shí)代必將到來。

作者：中國航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所高級(jí)主任設(shè)計(jì)師朱磊 

審核：中國航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所高級(jí)工程師鄧曉濤 

分享讓更多人看到