氢能飞机 离我们还有多远

孙敏

新冠肺炎疫情持续蔓延令欧洲航空业遭遇空前的挑战。6月，作为欧洲航空工业领头羊的法国出台了一项耗资150亿欧元的航空工业支持计划。在这份计划中，除了优先保障就业、为企业提供援助和动员公共订单尤其是军用订单这些“常规动作”外，法国政府还特别强调了将在未来5年内每年投资15亿欧元资助企业持续创新。而在所有的创新项目中，最具优先权的是计划2035年实现零排放的绿色飞机项目。对此，法国经济部长在发布这一援助计划时表示，政府的这一投资旨在将法国航空业打造成低碳航空运输和能源转型的全球领导者。

在这个宏伟的计划中，氢能被寄予厚望。法国能源过渡和运输部长表示，氢能不仅是未来绿色飞机的主要技术选项，同时也被视为欧洲后疫情时代实现低碳经济的重要手段。

一个月后，在范堡罗航展的虚拟研讨会上，欧洲航空工业的领导企业空客表示，公司已经将氢能源视为实现未来十年将零排放商用客机推向市场的主要能源，公司计划在2030年左右推出首款零排放的商用飞机。一时间，氢能飞机成为了行业的热门话题。

脱碳的挑战

近年来，由于人们对于环境保护的意识不断提升，脱碳已经成为了航空业面临的一大挑战。据统计，目前全球航空运输业每年的二氧化碳排放量超过9亿吨，约占全部人类活动碳排放的2%。因此，全球范围内的监管机构近年来都在逐步推动行业减排。

2009年，国际航空运输协会（IATA）为行业设定了一个艰巨的减排目标，即2020年前燃油效率年均提高1.5%，2020年达到碳中和，2050年航空运输业碳排放量减少50%。此外，欧盟也通过绿色航空相关政策设定了航空减排的目标。

从可实现的角度来看，航空脱碳主要依靠两种方式。一是技术的进步。为此，过去20年，航空发动机制造商通过技术的不断改进，来提高发动机的燃油效率。据统计，目前航空发动机的燃油效率平均每年可提高2%，但客观来说，要想在现有的技术、材料基础上，实现发动机燃油效率质的飞跃已不太现实。因此，新燃料成为了行业脱碳的另一个重要手段，通俗地讲，就是使用新能源飞机。

与新能源汽车采用电动化的路线有所不同，航空领域更关注液体燃料的清洁化。此外，由于远程航线对能量供给需求大，目前的电池能量密度和电池重量还远不能达到要求。在综合考虑这两个因素后，氢燃料被寄予厚望。这主要是因为氢气所产生的推力是航空煤油的3倍，但所释放的二氧化碳量为零，氮氧化物也为超低排放。

此外，氢燃料飞机还可以帮助飞机制造商解决机载存储与飞机减重的问题。氢燃料电池通过在经过特殊处理的板上混合氢和氧来产生电能，为电池和马达提供动力，这些板结合起来形成燃料电池堆。而燃料电池堆和电池使得工程师们可以大幅减少机载部件，从而减轻飞机重量。从理论上来看，在技术成熟之后，氢燃料飞机未来还可以借助液态氢储存技术实现长途飞行。

因此，早在2008年，波音就成功试飞了一架以氢燃料电池为动力的小型飞机。但之后，由于种种原因，行业对于氢燃料的应用热情并不高。近两年，国际上对于氢能在航空领域的应用逐渐积极起来，包括美国、欧盟和俄罗斯、中国在内的国家和地区都启动了对氢燃料电池飞机的研究，以加快推动航空业脱碳的步伐。

初步的尝试

作为全球航空航天业新技术研发的前沿机构，NASA过去几年一直在承担一项开发低温氢燃料电池系统的项目，该项目计划为一架全电动飞机提供动力。项目由伊利诺伊大学牵头，探索液态氢燃料电池作为环保能源的潜力。这项研究规划使用低温液态氢，可以在不需要重型加压储罐的情况下产生清洁动力。如果这项技术取得进展，那么未来氢能源将为商用飞机的发展带来革命性的变革。

2017年，欧洲启动了一个研发模块化串联混合电推进系统的项目——MAHEPA。该项目由轻型电动飞机制造商斯洛文尼亚的蝙蝠飞机公司主持，旨在使用轻型飞机作为测试平台开发和测试模块化混合动力推进技术，通过真实的飞行数据来研究如何在2050年前将航空碳排放量减少70%。目前，该项目已先后搭建G4（电池版）和HY4（氢燃料电池版）两个平台。其中，HY4是2016年9月试飞的一款四座飞机，搭载德国航空航天中心（DLR）开发的氢燃料电池动力总成。根据计划，最新版本的HY4混合动力系统测试将在2020年进行。

2018年，由英国几所高校发起的一个名为“清洁氢燃料商用飞机”计划启动。该计划是由克兰菲尔德大学的学者和行业高层领导人发起的。这一计划旨在解决氢动力飞行所面临的一些主要难题，如机载存储、燃料的生产成本以及安全问题。

在歐美国家之外，中国、俄罗斯和新加坡也开始了在氢能源飞机领域的探索。

在2019年的莫斯科航展上，俄罗斯研发的第一架环保且近乎无声的氢能源动力飞机——Sigma-4首次亮相。这架飞机翼展9.8米，长6.2米，起飞重量600公斤，功率75千瓦，飞行距离为300公里。工程师介绍，飞机发动机中所使用的氢气并不会燃烧，而是与氧气发生电化学反应产生电力，排放出的水蒸气则会释放到大气中。

新加坡的HES公司则研发出了一款名为ELEMENT ONE的零排放、远程氢电动力飞机。这架飞机由分布式氢电推进装置提供动力，可以承载4名乘客飞行500～5000公里。

在中国，中国商飞北研中心与国家电投集团氢能科技发展有限公司发起了“灵雀H”新能源验证机的研制，共同探索飞机动力匹配、氢燃料电池动力技术、动力系统集成、能量管理及安全保障等技术。

“灵雀H”验证机翼展6米，创新性地采用了氢燃料电混合动力技术，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的使用。“灵雀H”验证机共有4个构型，涵盖固定式和可收放2种起落架及V尾、T尾、常规尾3种不同尾翼构型，均采用了大展弦比支撑翼气动布局，有效提升了包括飞机飞行航时在内的飞行性能。经过迭代改进，“灵雀H”验证机航时超过24小时。

2019年3月10日，“灵雀H”新能源验证机在郑州上街机场试飞成功。飞机飞行平稳，全系统状态良好，符合仿真预期，作为动力源的氢燃料电池动力系统得到了充分验证。

此外，2019年3月，由中科院大连化物所与辽宁通用航空研究院联合研制的首架有人驾驶氢燃料电池试验机在沈阳试飞成功，飞机飞行高度320米，全程零污染排放。这次试飞突破了多项关键技术，电池输出性能、安全性、可靠性等各方面全部达到技术要求，在零下20℃的环境下，氢燃料表现出优良的存放、启动和运行性能。

氢能飞机的未来探索

经过过去几年的初步探索，如今欧洲各国迫不及待地希望加快推进氢能源在航空领域的应用，尤其是在商用航空领域。

欧盟的“净洁天空3”计划明确强调，如果要在2050年实现净零碳排放目标的话，那么环保型的绿色飞机就必须在2035年投入使用。在此背景下，2020年5月，在欧盟“净洁天空2”和“燃料电池与氢气”计划的支持下，著名咨询公司麦肯锡发布了一份名为《2050年前氢动力航空的技术、经济和气候影响》的报告。该报告预测了氢气燃烧和燃料电池动力推进的技术发展，评估了相关技术和经济可行性，并将它们与合成燃料进行了比较，考虑了对飞机设计、机场基础设施和燃料供应链的影响。

报告认为，颠覆性的飞机、航空发动机及机载系统创新与氢能源技术的结合，可使航空运输对全球变暖的影响降低50%～90%。报告认为2035年前可以引入采用氢能源的短程干线飞机（81～165座级），到2050年，氢能源飞机将占所有在役机队的40%。欧盟委员会对这样的研究结论表示了支持。而作为“净洁天空”计划重要参与者的企业们，无论是初创型公司还是空客这样的行业巨头，都已经在积极行动。

2020年7月，飞行器设计制造公司ZeroAvia宣布完成了目前全球最大的氢动力飞机的第一阶段试飞。该试飞验证机是一架六座Piper M350飞机。该项目由英国政府出资，6月在英国克兰菲尔德机场完成了首飞。根据计划，ZeroAvia公司将在2023年前进行10～20座级500英里航程的氢动力飞机的取证工作。

在法国，政府已经将氢能视为未来经济复苏的重要支柱。法国政府认为，氢能不仅是未来绿色飞机的主要技术选项，同时也将是法国，乃至整个欧洲后疫情时代实现低碳经济的重要手段。为此，法国国际关系研究所日前发布的《欧盟氢能战略展望》指出，一项稳健、成本效益高的欧洲氢能战略将成为“欧盟经济复苏计划”的支柱，并加速欧洲经济体的脱碳进程。对此，法国《回声报》评论说，“如果每一次危机都蕴含着机会，那么航空业史上最严重的危机也可能是实现重大技术变革的机会。”

今年7月6日，法国政府正式发布了“绿色飞机计划”。按照这一计划，包括空客在内的法国国内航空企业将在2035年左右推出零排放的绿色飞机，这一计划将有1300多家企业参与。

2020年4月，宣布取消与罗罗公司联合的E-Fan X混合动力验证项目后，空客首席技术官格拉齐亚·维塔蒂尼就暗示未来公司会将研发重点转向氢动力飞机。空客零排放技术副总裁格伦·利韦林在6月中旬向媒体解释了这一转变的原因，他表示：“我们在（E-Fan X）项目中发现了个别有价值的技术，但是就串行混合电推进构型整体而言，并未带来支撑未来航空发展的颠覆性（碳排放）降低。”

在7月的范堡罗航展虚拟研讨会上，空客终于揭开了其氢能飞机研发的面纱。公司披露了其氢能飞机研发的时间表，即在2024～2025年完成氢动力相关技术的选择（主要是燃料电池推进、氢气燃料燃气轮机、燃料电池+燃气轮机混合动力），在2020年代后期完成小尺寸技术验证机研制，并启动全尺寸原型机研制工作，以确保在2030～2035年间，实现百座级以上氢动力客机的商业化运营。

目前，空客尚未在涡轮双引擎中燃烧氢气或在机身中安装燃料电池之间做出选择，尽管后者通常被视为最有效的氢能源使用方式。使用液态氢还是气态氢仍然在考虑之中，相应地，选择燃料电池还是涡轮发动机，最终的技术方案将对氢能源飞机及整个配套生态系统（从机场设施到空中交通管理）产生重大影响。

气态氢和液态氢各自的优点正在被彻底评估，法国政府资助的Hyperion研究计划将评估氢气飞机推进的风险，包括低温系统。这表明空客正在考虑液态氢，而不是压缩氢——前者的储存方式看起来更适合航空业对能量密度的需求，但在技术和效率上都更具挑战性。

空客在进行氢动力飞机验证机的相关技术开发的同时，也进行了氢动力飞机生态建设的初步探索。空客已与易捷航空和Scandinavian Airlines等航空公司签署了谅解备忘录，共同探讨将氢能源飞机引入民航生态系统的问题与途径，包括运营现实的变化、航空公司愿意做出的妥协与改变，以及潜在的不同商业模式等。空客针对氢能源客机创建的运营模型显示，通过采用“轮辐式”运营网络，可以使氢能源客机满足数量惊人的欧洲民航航班，而这种模式下氢能源的基础设施可仅在枢纽机场提供。

从填补空白到积极尝试，我们已经可以看到氢能作为航空未来新动能的可能性，但距离大量使用还有很多难关需要攻克。虽然氢氧燃料电池的发展前景很好，但是氢气制取的成本却是普通汽油的数倍，这个价格是市场难以承受的。即使世界各国都将目光投向了利用太阳能来分解水这种廉价、低成本的方式，但是目前仍缺少一种在价格、效率等方面都适合推广的催化剂来实现这一目标。

此外，由于制氢地与用氢地往往存在一定的空间距离，在没有完整的输氢管网的情况下，需要通过高压气态等方式运输至用氢地，成本较高。同时，如何保证氢气在储运过程中的安全也是制约氢能行业发展的瓶颈。

從1520年瑞典人帕拉塞尔苏斯首次发现氢气，到1954年科学家研究制造出世界上第一款实用性氢氧燃料电池，其间经历了400多年。如今，尽管科技的发展日新月异，但要想在短时间内找到一种新能源并投入商用，难度不可谓不大。不过，笔者相信，伴随着行业对于脱碳的决心以及对氢能发展的信心与支持，氢能在航空业的应用值得期待！