群雄逐鹿氢燃料飞机研发

沈海军

利用氢能为飞机提供动力，是航空领域实现低碳化、绿色化的重要途径之一。在国际上，氢能航空动力已成为航空业减碳发展的重要方向之一，许多国家和地区都在积极开展相关技术研究和示范应用。

美国：2050年“改朝换代”

波音公司计划在2050年后完全用氢燃料替代其客机上的传统航空燃料，该公司采用氢燃料电池的“钻石”飞机及氢动力无人机“幻影眼”已分别于2008年和2012年成功进行了试飞。

在美国能源部的支持下，2022年2月，普惠公司开发了新型高效氢燃料推进技术，启动了氢蒸汽喷射、间冷涡轮发动机（HySIITE）项目。该项目将使用液氢燃料和水蒸气回收技术来实现飞机飞行中的二氧化碳减排，预计可将下一代单通道飞机的碳排放量减少80%，燃料消耗减少35%。同时，HySIITE项目的半封闭式系统架构将实现比氢燃料电池更高的热效率。

美国初创公司HyPoint在氢能源研发领域领先全球，该公司在2020年推出的涡轮空冷（TAC）氢燃料电池系统原型机曾荣获美国国家航空航天局（NASA）在当年推出的创新科技大赛大奖。这一燃料电池系统融合了高温质子交换膜（HTPEM）燃料电池、空气冷却及涡轮增压等3项技术。与现有液冷低温质子交换膜（LTPEM）燃料电池相比，HTPEM技术将单位功率提高了3倍，其能量密度则是现有锂电池的5倍。在获得英国政府一笔高达4亿美元的资助后，HyPoint公司于2022年2月在英国开设了新的氢研发和生产基地。该公司未来的目标平台包括电垂直起降飞行器（eVTOL）和货运无人机。HyPoint公司还与德国化工巨头巴斯夫公司合作开发下一代TAC HTPEM燃料电池，以减轻燃料电池的质量并提高其耐用性。该燃料电池预计于2024年年中推向市场。

美国ZeroAvia公司成立于2017年，目前在美国和英国均设有基地。在英国政府资助下，该公司在2020年10月完成了世界上首个由氢燃料电池支持的商用飞机飞行。这架名为“HyFlyer”的氢燃料电池动力飞机共有6个座位，原计划最早于2023年首次投入商业运营。从中期发展目标看，ZeroAvia公司旨在开发以氢燃料电池为动力的10～20座飞机，其航程将达到800千米，预计为客货两用。为达成这一目标，2023年1月，ZeroAvia公司完成了一架19座Do-228型飞机的首飞。这架Do-228螺旋桨飞机看似普通，但其左侧的螺旋桨是一个由两个氢燃料电池驱动的电动机，其右侧仍使用传统的标准煤油发动机，这是迄今为止全球最大的氢燃料飞机。该项目被称为HyFlyer II。目前，ZeroAvia公司已经开始研发世界上最大的零碳排放飞机，其改装基础是从阿拉斯加航空公司退役的冲-8飞机。冲-8是加拿大庞巴迪公司于1998年推出的一款76座的涡轮螺旋桨支线客机。ZeroAvia公司将为该飞机配备氢电推进系统。2021年，阿拉斯加航空公司投资了ZeroAvia公司。之后，两家公司宣布将联合开发氢能源支线客机。如今，阿拉斯加航空公司已将要改装的飞机移交给了ZeroAvia公司。虽然之前的HyFlyer II飞机仍使用气态氢燃料，但冲-8飞机将以液态氢为动力。

2023年3月，美国初创公司Universal Hydrogen成功试飞了一架以氢燃料电池为动力的40座支线客机。这架绰号为Lightning McClean的ATR 72飞机大约飞行了15分钟，飞行高度约为3500米。这次飞行是该公司为期两年的飞行测试活动的第一次，也是迄今为止在空中进行测试时使用氢燃料电池推进的最大的氢燃料飞机。Universal Hydrogen公司预计于2025年将以氢燃料电池为动力进行改装的ATR 72支线飞机投入客运服务领域。

欧洲空客：2035年全球“首发”

雄心勃勃的空客公司计划于2035年前推出世界上第一架零碳排放的商用飞机。该计划发布于2020年9月，被称作ZEROe。ZEROe共包含3个氢能飞机概念，分别是翼身融合混合动力飞机、涡桨氢混合动力飞机和涡扇氢混合动力飞机。其中，翼身融合混合动力飞机由两台氢燃料涡扇发动机提供动力，其液氢储存和分配系统位于后增压舱，预计能搭载120～200名乘客，飞机航程在3700千米左右；涡桨氢混合动力飞机的液氢储存和分配系统与翼身融合混合动力飞机类似，只是采用两台氢燃料涡桨发动机驱动六叶螺旋桨提供推力，可以搭载100名左右的乘客，瞄准短程飞行市场；涡扇氢混合动力飞机的液氢储罐位于机翼下方，机舱内部空间宽敞，主动力仍为两台氢燃料涡扇发动机。

2020年12月，空客公司又公布了一种带有6个推进吊舱的全新氢燃料飞机构型，它的每个吊舱都由各自独立的液氢储罐、冷却系统、燃料电池、电力电子装置、电动机、八叶螺旋桨和其他必要的辅助设备组成。根据发展时间表，空客公司将在2024—2025年完成氢动力相关技术的选择，目前的可选项包括氢燃料电池推进、氢涡轮发动机、氢燃料电池+氢涡轮机混合动力。在之后的5年内，空客公司会依次完成小尺寸技术验证机以及全尺寸原型机的研制工作，最终在2030—2035年实现100座级以上氢动力客机的商业化。

2023年6月，空客公司宣布其氢燃料电池系统测试成功，达到1.2兆瓦的满功率水平。这是航空业针对大型飞机设计的燃料电池进行的测试。这次测试为该项目开展下一步工作奠定了基础：将完整的推进系统与电动机集成。一旦这些优化和测试完成，燃料电池推进系统将安装在ZEROe多模式飞行测试平台上—空客飞机生产的第一架A380客机。随后，空客公司将对系统进行地面测试，然后进入A380飞行测试的关键阶段，目前计划于2026年进行飞行测试。

德国：采用液态氢

2021年1月，德国运输和数字基础设施部拨款，委托德国航空航天中心（DLR）牵头，研制大功率氢燃料电池航空动力，用于40～60座、1000千米航程的支线客机。实际上，在此前的15年里，德国航空航天中心已经深耕于氢能航空领域，其合作伙伴H2FLY公司的HY4型氢燃料电池验证机便是它的标志性成果。HY4项目于2011年启动，2016年9月完成首架飞机的试飞工作，后经不断改进，到2020年11月，HY4飞机的氢燃料电池动力已升级至第六代。

H2FLY公司的全称为德国氢能电动航空技术公司，由德国航空航天中心和乌尔姆大学的5名工程师创立于2015年，专门从事氢电航空技术的开发工作。2021年，H2FLY公司被在美国上市的eVTOL公司Joby收购。2023年9月，HY4飞机再次成功完成试飞，成为世界上首架液氢电动载人飞机。此次飞行持续了约3小时，耗氢10千克。该飞机的最大液氢储存容量为24千克，可持续飞行8小时。由于采用了以液氢作为燃料的新的技术路线，HY4飞机的最大航程从此前的750千米增加到了1500千米。

HY4飞机的机体由蝙蝠飞机公司制造，由两架该公司生产的“大金牛”飞机和一架双座动力滑翔机并联而成，是目前实际飞行的载重最大、座位数最多的氢燃料电池载人飞机。这种机身组合形式十分新颖，飞行员坐在机身右侧，燃油系统则被隔离在机身左侧，电力推进系统和氢转换燃料电池则被安装在中央机舱中。H2FLY公司研发的氢燃料电池动力系统由储氢装置、120千瓦燃料电池能量转换器和电动机组成。自2016年以来，使用氢电混合动力的HY4飞机一直在飞行，并最终于2023年夏天取得了突破—以液态氢而不是气态氢作为燃料。液态氢比气态氢具有更高的能量密度，可以显著降低油箱重量和体积。对于HY4飞机来说，使用液态氢可将航程增加1倍，成效显著。

为了便于储存液态氢，HY4飞机的储氢罐由玻璃纤维和碳纤维制成，这种新型复合材料能够极大地减少自重并增加有效容积。在同等容积下，碳纤维复合材料燃料罐比现有的最先进的航天低温罐减少了75%的重量。

英国：2026年投入商用

2021年3月，英国商业、能源和工业战略部（BEIS）宣布投入重金支持绿色航空技术，鼓励企业利用氢或电力作为替代动力，以实现航空业的碳减排。该计划中涉及氢动力的两个项目分别为氢电混动系统（H2GEAR）和HyFlyerⅡ。其中，H2GEAR项目旨在开发创新的液氢电动混合推进系统，用于区域航线飞行，并确保可扩展至更大型飞机和用于更长航线的飞行。HyFlyer II项目旨在研制以氢燃料电池为动力的50座支线飞机，目标是在2026年将飞机投入商业运营；19座以下的名为HyFlyer II的氢燃料电池电动飞机将于2024年首先投入运营，该款氢燃料电池电动飞机的设计航程为 560千米。

在2023年7月举行的范堡罗航展上，英国吉凯恩（GKN）集团公布了低温超导氢能航空技术研发项目，该项目研发出的最新技术主要应用于19座、48座和96座飞机。项目计划在2026年将相关技术应用于支线飞机。目前，这一项目已得到英国政府5400万英镑的资助。

其他国家：争先恐后 各具千秋

早在2016年，我国中航技进出口有限责任公司和科比特航空公司联合推出的多旋翼垂直起降无人机HYDrone-1800已经搭载了先进的氢燃料电池系统，并创造了该级别无人机270分钟续航的新世界纪录。该六轴无人机的最大飞行半径为100千米，最大载荷达到25千克，可以安装更多的侦察和作战模块，能直接从战斗车辆上起飞，执行长航时任务，为步兵分队提供超过20千米纵深的战场态势获取能力。今年1月29日，我国自主研制的全球首款四座氢能飞机RX4HE原型机在沈阳完成首飞。此次试飞的原型机搭载的是国内首款2.0升零碳排放增压直喷氢燃料内燃机，发动机功率经测试达到120千瓦，可以在大多数通航机场起降，满足日常运营要求。该机型的验证机于2023年3月完成验证试飞，是我国自主研制的第一架以氢内燃机为动力的通航飞机。继C919之后，中国商用飞机有限责任公司也设计出一款新一代氢能源概念机—“灵雀M”。

2021年11月，巴西航空工业公司公布了名为ENERGIA飞机系列的研发计划，并表示其研发目标是探索“帮助行业实现到2050年净零碳排放目标”的方法，其中便包括氢燃料电池飞机和氢涡轮动力飞机两种氢动力机型。其中，氢燃料电池飞机将在2035年推出，最多可搭载19名乘客，其二氧化碳的排放量为零；氢涡轮动力飞机将采用氢涡轮发动机，能够搭载35～50名乘客，其二氧化碳的排放量同样为零，计划在2040年投入市场。

2022年2月，韩国大韩航空公司、韩国液化气集团、仁川国际机场和空客公司签署了一份谅解备忘录，拟共同探索氢气在韩国航空业脱碳场景中的应用以及韩国国内机场基础设施建设如何支持氢燃料飞机运行等问题的解决方案。其中，韩国液化气集团将负责氢气的生产、液化、储存和输送层面的技术支持，大韩航空公司将负责提供地面飞机运营和航空管理与运营层面的技术支持，空客公司则为氢燃料飞机提供技术层面的支持，仁川国际机场将提供机场发展计划实施层面的支持。

【责任编辑】赵 菲