氫燃料電池支線飛機(jī)關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展展望

紀(jì)宇晗，吳佳茜，曾凡蒼

中國(guó)航空工業(yè)發(fā)展研究中心，北京 100029

氫能航空是貫徹綠色航空發(fā)展理念的重要選擇，也是解決國(guó)產(chǎn)民機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)“卡脖子”問(wèn)題、實(shí)現(xiàn)航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展“換道超車”的重要趨勢(shì)。當(dāng)前，全球范圍內(nèi)掀起了氫能航空發(fā)展浪潮，歐美國(guó)家已率先完成兩款氫燃料電池混動(dòng)渦槳支線飛機(jī)的試飛驗(yàn)證，我國(guó)雖然在氫燃料電池、氫渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、儲(chǔ)氫系統(tǒng)等方面開(kāi)展了一定的研究，但整機(jī)型號(hào)發(fā)展較為緩慢，與世界先進(jìn)水平的差距逐漸增大。

本文分析了氫燃料電池支線飛機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)，討論了目前面臨的主要問(wèn)題，并提出了2025—2035 年的技術(shù)發(fā)展預(yù)測(cè)和產(chǎn)品技術(shù)方案圖譜，以期為我國(guó)氫燃料電池支線飛機(jī)的研制提供參考和借鑒。

1 背景介紹

自第一架飛機(jī)誕生的120 年以來(lái)，全球航空業(yè)的快速發(fā)展在給人類社會(huì)帶來(lái)便利的同時(shí)也造成了越來(lái)越多的環(huán)境污染。為了減少航空運(yùn)輸業(yè)對(duì)環(huán)境造成的負(fù)面影響，國(guó)際民航組織（ICAO）提出了“國(guó)際航空業(yè)碳抵消與削減機(jī)制”（CORSIA）計(jì)劃[1]，目標(biāo)是2050 年將二氧化碳排放量降至2005 年同期的一半水平。2021 年，中國(guó)民用航空局（CAAC）發(fā)布《“十四五”民用航空發(fā)展規(guī)劃》，建設(shè)將“綠色航空”作為中國(guó)航空運(yùn)輸業(yè)發(fā)展的主要目標(biāo)之一[2]。

全球航空業(yè)正在通過(guò)多種技術(shù)途徑實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，其中第一種途徑是持續(xù)推動(dòng)航空技術(shù)的進(jìn)步，空客、波音、美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）等企業(yè)和機(jī)構(gòu)持續(xù)優(yōu)化飛機(jī)設(shè)計(jì)和采用新型復(fù)合材料，降低飛機(jī)油耗，從而提高飛行效率[3-4]。另一種途徑是使用電推進(jìn)技術(shù)，但鋰電池能量密度限制了飛機(jī)的有效載荷和航程，一般用于20 座以下的飛機(jī)[5]。此外，還可以選擇使用可持續(xù)航空燃料（SAF），波音、空客、德事隆等航空企業(yè)已經(jīng)開(kāi)展了SAF的探索應(yīng)用，但現(xiàn)階段SAF 的生產(chǎn)成本遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)航空煤油，而且產(chǎn)能受限嚴(yán)重[6]。

與上述三種技術(shù)途徑相比，氫動(dòng)力飛機(jī)是航空運(yùn)輸業(yè)實(shí)現(xiàn)低碳目標(biāo)的另一選擇。相比于使用鋰電池或者SAF，使用氫能作為飛機(jī)的動(dòng)力來(lái)源有諸多優(yōu)勢(shì)：首先，采用綠電制綠氫的氫動(dòng)力航空器可以實(shí)現(xiàn)全生命周期零排放，氫燃料燃燒只產(chǎn)生水，有效杜絕了使用航空煤油和部分SAF 時(shí)產(chǎn)生的二氧化碳[7-8]。其次，不同于SAF 的高成本、低供給能力，中國(guó)綠電綠氫資源豐富，在產(chǎn)量和生產(chǎn)成本方面具有一定的優(yōu)勢(shì)[9]。最后，氫燃料的大規(guī)模使用可以擺脫航空運(yùn)輸業(yè)對(duì)化石燃料的依賴。

氫動(dòng)力飛機(jī)有兩種動(dòng)力方案：一是通過(guò)氫燃料電池給電動(dòng)機(jī)供電產(chǎn)生動(dòng)力，二是氫直接在氫渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中燃燒產(chǎn)生動(dòng)力。前者實(shí)現(xiàn)的難度相對(duì)較低，現(xiàn)階段發(fā)展速度較快，預(yù)計(jì)投入商用時(shí)間更短，是100座以下支線飛機(jī)的主要選擇。但受限于氫燃料電池和電動(dòng)機(jī)的功率密度，100座以上的飛機(jī)更可能選擇氫渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力。

2 氫燃料電池支線飛機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外發(fā)展情況

當(dāng)前，全球范圍內(nèi)掀起氫能航空發(fā)展熱潮，零航空（ZeroAvia）和環(huán)球氫能（Universal Hydrogen）兩家公司率先實(shí)現(xiàn)了兩款氫燃料電池混合動(dòng)力渦槳支線飛機(jī)的首飛。

ZeroAvia 公司正在開(kāi)發(fā)以多尼爾228 為平臺(tái)的氫燃料電池混合動(dòng)力渦槳支線飛機(jī)，如圖1 所示。該項(xiàng)目將多尼爾228 機(jī)翼一側(cè)的TPE331 渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)更換為電動(dòng)機(jī)，使用氫燃料電池和鋰電池組合供電，氫燃料采用氣態(tài)存儲(chǔ)。2023 年1 月19 日，改裝后的多尼爾228 飛機(jī)在英國(guó)成功首飛[10]。本次試飛中氫氣存儲(chǔ)罐、燃料電池和鋰電池組被安置在機(jī)身內(nèi)部。ZeroAvia正在開(kāi)發(fā)兩套氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)總成，分別是面向9～19 座飛機(jī)的ZA600 動(dòng)力總成，預(yù)計(jì)2025 年投入使用，以及面向40～80 座飛機(jī)（如ATR-72系列）的ZA2000動(dòng)力總成，預(yù)計(jì)2027年投入使用。

圖1 ZeroAvia基于多尼爾228改裝的氫燃料電池——鋰電池混合動(dòng)力渦槳飛機(jī)Fig.1 Dornier 228 hydrogen hybrid turboprop aircraft from ZeroAvia

環(huán)球氫能公司正在研發(fā)氫動(dòng)力商業(yè)飛機(jī)和模塊化的氫燃料運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)。2023 年3 月3 日，環(huán)球氫能的沖-8 混合動(dòng)力渦槳支線飛機(jī)成功首飛[11]，如圖2 所示。該架飛機(jī)一側(cè)的渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)被替換成一個(gè)兆瓦級(jí)氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)，電機(jī)部分采用Magni650，液氫存儲(chǔ)罐被安置在機(jī)身內(nèi)部后方。本次試飛的飛行高度為3500m，飛行時(shí)間為15min，巡航過(guò)程中常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)幾乎停轉(zhuǎn)，由電動(dòng)機(jī)提供大部分動(dòng)力。環(huán)球氫能另一個(gè)改裝對(duì)象是ATR-72，計(jì)劃在2025 年前使ATR-72成為首架投入使用的氫能支線飛機(jī)，采用完全氫動(dòng)力的ATR-72 載客量從68 人減少到56 人，航程降低到800km。環(huán)球氫能將會(huì)提供全套改裝方案，幫助飛機(jī)運(yùn)營(yíng)商將現(xiàn)有的ATR-72 改裝成氫動(dòng)力。截至試飛前，環(huán)球氫能已經(jīng)收到來(lái)自全球16個(gè)客戶的247架飛機(jī)改裝訂單。

圖2 Universal Hydrogen基于Dash-8改裝的氫燃料電池混合動(dòng)力渦槳飛機(jī)Fig.2 Dash-8 hydrogen hybrid turboprop aircraft from Universal Hydrogen

以空客、賽峰、巴航工業(yè)為代表的歐美航空企業(yè)正在推進(jìn)各種氫能航空發(fā)展計(jì)劃，并取得了階段性進(jìn)展。2020年，空客的ZEROe 項(xiàng)目提出在2035 年之前推出第一架完全使用氫動(dòng)力的商用飛機(jī)[12]；2021年，ZeroAvia和環(huán)球氫能公司宣布要在2025年將氫動(dòng)力飛機(jī)投入商用。據(jù)統(tǒng)計(jì)[13]，與氫動(dòng)力支線飛機(jī)有關(guān)的項(xiàng)目在2020年的全球投資額（不包括中國(guó)）超過(guò)了之前10年的總和，2021年和2022年快速增加。2020—2022 年立項(xiàng)的新能源航空器項(xiàng)目有1/3 是氫動(dòng)力飛機(jī)[14]，后者已經(jīng)占到所有在研新能源航空器項(xiàng)目的7%、20座以上機(jī)型的33%。上述結(jié)果僅統(tǒng)計(jì)完全使用氫動(dòng)力的機(jī)型，如果將混合動(dòng)力機(jī)型包含在內(nèi)，20座以上機(jī)型中的占比將超過(guò)70%。歐美國(guó)家的氫能航空發(fā)展整體上呈加速趨勢(shì)，相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)和核心技術(shù)將很快滿足飛機(jī)投入商用的條件，尤其是氫燃料電池支線飛機(jī)。新能源航空器在研項(xiàng)目數(shù)量和類型分別如圖3和圖4所示。

圖3 新能源航空器在研項(xiàng)目數(shù)量Fig.3 Statistics on new energy aircraft projects

2.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展情況

在以城市空運(yùn)和通航為主要應(yīng)用場(chǎng)景的電動(dòng)航空器領(lǐng)域，我國(guó)整體發(fā)展水平與歐美國(guó)家基本持平，典型型號(hào)有億航EH216、峰飛“盛世龍”、銳翔RX4E等。但在氫動(dòng)力飛機(jī)領(lǐng)域，我國(guó)正逐漸被歐美國(guó)家拉開(kāi)差距。我國(guó)現(xiàn)有的氫動(dòng)力飛機(jī)項(xiàng)目大多屬于通航飛機(jī)，航程和商載較小，支線及以上型號(hào)的氫動(dòng)力飛機(jī)項(xiàng)目涉及較少。航空工業(yè)、航發(fā)、商飛、北航、西工大等企業(yè)和高校在支線及以上氫動(dòng)力飛機(jī)領(lǐng)域開(kāi)展了部分研究工作，航發(fā)動(dòng)研所開(kāi)展了80kW 串聯(lián)混合電推進(jìn)驗(yàn)證機(jī)研制和兆瓦級(jí)分布式混合電推進(jìn)系統(tǒng)研制[15]，如圖5 所示。但受限于行業(yè)整體發(fā)展水平和投入力度的不足，相關(guān)研究主要停留在概念設(shè)計(jì)、技術(shù)預(yù)研、仿真驗(yàn)證等階段，尚未有支線級(jí)別的整機(jī)研發(fā)項(xiàng)目出現(xiàn)。

3 氫燃料電池支線飛機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

100 座以下、航程1500km 以下的氫動(dòng)力支線飛機(jī)宜采用“液氫罐+氫燃料電池+電動(dòng)機(jī)”的動(dòng)力系統(tǒng)方案，即可完全滿足飛機(jī)的性能需求。然而，對(duì)于載荷和航程更大的氫動(dòng)力干線飛機(jī)，氫燃料電池和電動(dòng)機(jī)的功率密度“瓶頸”已無(wú)法滿足其需求，需要使用氫渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力來(lái)源。本節(jié)主要關(guān)注氫燃料電池支線飛機(jī)的6 個(gè)核心技術(shù)，分別是：（1）液氫儲(chǔ)罐；（2）儲(chǔ)氫配套系統(tǒng)；（3）氫燃料電池；（4）電動(dòng)機(jī)；（5）氫燃料生產(chǎn)；（6）氫燃料儲(chǔ)運(yùn)加注。其中，前4 個(gè)技術(shù)屬于整機(jī)層面，后兩個(gè)技術(shù)屬于基礎(chǔ)設(shè)施配套層面。在整機(jī)層面，液氫儲(chǔ)罐和儲(chǔ)氫配套系統(tǒng)是氫燃料電池飛機(jī)與氫渦輪飛機(jī)的共用技術(shù)，后文也會(huì)介紹相關(guān)技術(shù)中涉及氫渦輪飛機(jī)的部分內(nèi)容。

3.1 液氫儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)與布局

盡管氫的低熱值（120MJ/kg）是常用航空煤油（Jet A-1型，38MJ/kg）的3 倍，但由于氫的密度極低，液氫的能量體積密度僅是航空煤油的1/3[16]。飛機(jī)所攜帶的氫燃料體積大幅增加，并且要以液氫的形式存儲(chǔ)，必須重新設(shè)計(jì)儲(chǔ)氫罐和其配套系統(tǒng)。

根據(jù)液氫的物理特性，液氫存儲(chǔ)罐宜采用球形或柱形設(shè)計(jì)，不宜儲(chǔ)存在傳統(tǒng)的機(jī)翼油箱中。放置液氫存儲(chǔ)罐會(huì)導(dǎo)致機(jī)體尺寸增大和艙室空間減小，進(jìn)而增加空氣阻力和飛行成本。未來(lái)可能的氫燃料存儲(chǔ)罐布局方案如圖6～圖8所示，分為機(jī)內(nèi)集成式和外掛式兩種[17]。圖6所示的[18-20]集成式設(shè)計(jì)方案可以直接在現(xiàn)有機(jī)型的基礎(chǔ)上進(jìn)行改裝，但缺點(diǎn)是占用了機(jī)內(nèi)空間并導(dǎo)致有效載荷降低。圖7的集成式方案在翼身融合布局的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)，最大化利用了機(jī)內(nèi)空間[21-22]。圖8屬于外掛式方案，優(yōu)點(diǎn)是不占用機(jī)內(nèi)空間，但可能對(duì)飛機(jī)的氣動(dòng)布局造成影響[23]。

圖7 翼身融合集成式儲(chǔ)氫方案Fig.7 Blended wing body integrated hydrogen storage configuration

圖8 外掛式儲(chǔ)氫方案Fig.8 External hydrogen storage configuration

用于航空的氫燃料存儲(chǔ)罐一般分為整體燃料罐和非整體燃料罐，前者與機(jī)身主體結(jié)構(gòu)直接接觸并形成一個(gè)整體，后者與機(jī)身主體結(jié)構(gòu)相互獨(dú)立[15]。整體燃料罐可以利用機(jī)身結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)氫燃料，這種方案在飛機(jī)設(shè)計(jì)層面是有利的，因?yàn)椴季趾侠淼娜剂瞎蘅梢愿玫乩脵C(jī)身空間。但整體燃料罐作為機(jī)身結(jié)構(gòu)的一部分必須承受機(jī)身應(yīng)力和載荷，包括氫燃料自身產(chǎn)生的載荷。整體燃料罐相比非整體燃料罐需要更復(fù)雜的應(yīng)力設(shè)計(jì)，而后者只需要應(yīng)對(duì)燃料載荷。但與之相對(duì)，整體燃料罐可以減輕總重量，因?yàn)槿剂瞎薇旧砜梢猿袚?dān)部分機(jī)身應(yīng)力。此外，整體燃料罐相比非整體燃料罐具有更多的氣動(dòng)外形優(yōu)化空間，后者可能需要大幅改變機(jī)身結(jié)構(gòu)。

3.2 儲(chǔ)氫配套系統(tǒng)

儲(chǔ)氫配套系統(tǒng)包括熱管理系統(tǒng)、氫燃料輸送系統(tǒng)和氫燃料計(jì)量系統(tǒng)。一種典型的氫燃料電池飛機(jī)儲(chǔ)氫系統(tǒng)架構(gòu)如圖9 所示。該系統(tǒng)為每個(gè)燃料電池電堆配備一個(gè)液氫罐，總共有兩個(gè)液氫罐，使用基于氦氣的氫燃料加壓系統(tǒng)，液氫泵下一端安裝有一個(gè)換熱器，能使氫燃料以-20～120℃的溫度范圍輸送到燃料電池電堆。

圖9 一種典型的飛機(jī)儲(chǔ)氫系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)[24]Fig.9 A typical hydrogen storage system architecture[24]

（1） 熱管理系統(tǒng)

熱管理系統(tǒng)是氫燃料存儲(chǔ)系統(tǒng)的重要組成部分。液氫存儲(chǔ)的壓力需要維持在0.1～0.35MPa之間，溫度維持在20～30K 之間，盡量減少液氫氣化導(dǎo)致的滲透泄漏問(wèn)題[25]。環(huán)境溫度的維持主要通過(guò)對(duì)燃料罐進(jìn)行隔熱來(lái)實(shí)現(xiàn)。隔熱可以是內(nèi)部的，即隔熱材料與氫燃料直接接觸（氫—熱材料—罐體），也可以是外部的，即隔熱材料包裹燃料罐外壁（氫—罐體—隔熱材料）。

熱管理系統(tǒng)的另一個(gè)重要功能是將發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室或燃料電池電堆中的氫加熱到合適的工作溫度。氫燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的實(shí)現(xiàn)難度要低于氫渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)。首先，氫燃料電池對(duì)加熱液氫的溫度要求更低。液氫的溫度在30K 以下，而氫的自燃溫度約為770K[23]，氫和空氣混合物進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的最佳溫度為400～500K[26]。與之相比，質(zhì)子交換膜燃料電池電堆中氫的工作溫度為60～80℃[27]（330～350K）。其次，由于氫渦輪飛機(jī)需要更頻繁的熱交換和狀態(tài)控制，其熱管理系統(tǒng)復(fù)雜度也高于氫燃料電池飛機(jī)。常見(jiàn)的氫燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)一般包括多個(gè)換熱器，用于實(shí)現(xiàn)氫燃料、液壓油和空氣之間的熱交換。

（2） 氫燃料輸送系統(tǒng)

氫燃料輸送系統(tǒng)最核心的功能是將氫燃料供應(yīng)到發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室或燃料電池電堆。氫燃料輸送系統(tǒng)必須考慮處理低溫液氫時(shí)可能出現(xiàn)的各種問(wèn)題，通常選擇多級(jí)壓縮泵作為動(dòng)力，還會(huì)使用低溫截止閥或低溫球閥來(lái)控制氫燃料的流通和切斷[23]。

氫燃料輸送系統(tǒng)的另一個(gè)功能是多余氫燃料的循環(huán)利用。發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室和燃料電池電堆中沒(méi)有完全反應(yīng)的氫可以通過(guò)引射器的被動(dòng)循環(huán)回路或者循環(huán)泵的主動(dòng)循環(huán)回路重新進(jìn)入輸送系統(tǒng)[28]。還有一部分研究建議將多余的氫循環(huán)收集到液氫罐中，或者在獨(dú)立的燃料箱中以氣態(tài)形式存儲(chǔ)[29]。

（3） 氫燃料計(jì)量系統(tǒng)

計(jì)量閥是氫燃料系統(tǒng)中至關(guān)重要的組件，它們能夠?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)或燃料電池電推提供快速響應(yīng)的精確燃料調(diào)節(jié)和計(jì)量。飛機(jī)上的計(jì)量閥必須重量低、尺寸小，一般采用兩級(jí)伺服閥[30]。計(jì)量閥可以安裝在液氫汽化裝置之前或之后，前一種情況下液氫在前端換熱器中汽化后再通過(guò)計(jì)量閥，后一種情況下液氫通過(guò)計(jì)量閥后再汽化。

氫燃料計(jì)量閥的材料問(wèn)題同樣值得關(guān)注，主要指的是“氫脆”現(xiàn)象，即由于氫滲入金屬而導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生的有害現(xiàn)象?！皻浯唷蓖瑯哟嬖谟陲w機(jī)上所有可能與氫接觸的系統(tǒng)中。對(duì)于不銹鋼材料，隨著溫度的升高，“氫脆”會(huì)導(dǎo)致氫燃料的逸散。氫燃料計(jì)量閥材料的選擇必須能夠?qū)崿F(xiàn)全密封。

3.3 氫燃料電池

制約氫燃料電池發(fā)展的主要技術(shù)短板是功率密度，近年來(lái)隨著材料和制造技術(shù)的進(jìn)步，氫燃料電池的功率密度已經(jīng)大幅度提升，在系統(tǒng)層面已經(jīng)接近1kW/kg，但與傳統(tǒng)航空煤油渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的功率密度（3.7kW/kg）相比仍有一定差距[31]。滿足40～80座渦槳支線飛機(jī)動(dòng)力需求的氫燃料電池功率密度至少要有1～1.5kW/kg，大部分項(xiàng)目選擇使用氫質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC），ZeroAvia 和環(huán)球氫能公司均采用該方案。此外，還可以選擇固體氧化物（SOFC）燃料電池。ZeroAvia宣稱其正在研發(fā)的質(zhì)子交換膜燃料電池已經(jīng)實(shí)現(xiàn)2kW/kg以上的能量密度，但這一結(jié)果是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的，并且可能不包括電池單元以外的配套系統(tǒng)，距離實(shí)際應(yīng)用仍有一段距離。

飛機(jī)上的氫燃料電池面臨的另一個(gè)問(wèn)題是熱管理。前文已提到，氫質(zhì)子交換膜燃料電池的理想工作溫度是60～80℃[25]，過(guò)高的溫度會(huì)導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)換效率下降甚至是系統(tǒng)故障。使用燃料電池的地面車輛一般選擇強(qiáng)制對(duì)流換熱器，這種被動(dòng)換熱器的外置散熱片面積較大，安裝在飛機(jī)上會(huì)對(duì)空氣動(dòng)力性能造成負(fù)面影響。一些研究提出了航空用的主動(dòng)換熱器技術(shù)，也可以選擇與儲(chǔ)氫系統(tǒng)共用一套熱管理系統(tǒng)[32]。

3.4 電動(dòng)機(jī)

電動(dòng)機(jī)的功重比直接決定了使用氫燃料電池的渦槳支線飛機(jī)的動(dòng)力、效率等關(guān)鍵性能指標(biāo)。目前的高功重比電動(dòng)機(jī)主要有永磁同步電機(jī)（PMSM）和超導(dǎo)電機(jī)兩種。永磁同步電機(jī)是現(xiàn)階段大部分飛機(jī)的選擇，環(huán)球氫能的Dash-8和ATR-72 采用了MagniX 公司開(kāi)發(fā)的Magni650 系列永磁同步電機(jī)。

超導(dǎo)電機(jī)將電機(jī)中的普通導(dǎo)電材料替換為超導(dǎo)材料，具有效率高、體積小、重量輕、同步電抗小等特點(diǎn)，功率密度和能量轉(zhuǎn)換效率遠(yuǎn)超傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)（傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)效率為92%～95%，超導(dǎo)電機(jī)效率可以達(dá)到98%以上）[33-34]。一些團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了航空超導(dǎo)電機(jī)的研究，如俄羅斯超級(jí)奧克斯（SuperOx）公司研制的高溫超導(dǎo)電機(jī)（工作溫度69K），已經(jīng)安裝在雅克-40飛機(jī)上實(shí)現(xiàn)首飛，如圖10所示。

圖10 雅克-40飛機(jī)上使用的高溫超導(dǎo)電機(jī)Fig.10 High temperature superconducting motor used in the Yak-40 aircraft

得益于電機(jī)的相對(duì)尺度近似無(wú)關(guān)性[35]，總功率相同時(shí)單個(gè)大功率電機(jī)和多個(gè)小功率電機(jī)系統(tǒng)的功率密度和效率基本一致，采用多個(gè)小功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)較小直徑風(fēng)扇的分布式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以在保證總功率不變的前提下有效增大涵道比、提高動(dòng)力裝置的控制和容錯(cuò)性能。同時(shí)，小體積的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠更方便地融入機(jī)身，提高飛機(jī)氣動(dòng)效率。面向城市空運(yùn)市場(chǎng)的電動(dòng)垂直起降（eVTOL）航空器已經(jīng)廣泛采用分布式布局設(shè)計(jì)，未來(lái)使用氫燃料電池的支線飛機(jī)也可能采用4～6個(gè)甚至更多電機(jī)的分布式布局。

3.5 氫燃料生產(chǎn)

氫燃料的生產(chǎn)環(huán)節(jié)按照碳排放量的不同可分為“綠氫”和“灰氫”，前者的主要生產(chǎn)途徑是水電解，電力來(lái)源是太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能等可持續(xù)能源，不產(chǎn)生額外的污染；后者的主要生產(chǎn)途徑是蒸氣甲烷重整和煤氣化，生產(chǎn)過(guò)程中釋放大量二氧化碳。在我國(guó)2020 年總計(jì)7000×104t 的氫氣生產(chǎn)總量中，綠氫只有100×104t，占1.4%，其余98.6%都是灰氫。

按照提供1kWh能量所需的成本計(jì)算，2023年2月，中石油航空煤油出廠價(jià)為7465元/t，折合0.6元/kWh，而灰氫的生產(chǎn)成本約為0.3 元/kWh，綠氫的生產(chǎn)成本約為0.9 元/kWh。綠氫的生產(chǎn)成本低于SAF，高于航空煤油。如何進(jìn)一步降低綠氫的生產(chǎn)成本是我國(guó)航空運(yùn)輸業(yè)和能源行業(yè)必須思考的問(wèn)題。

3.6 氫燃料存儲(chǔ)、運(yùn)輸與加注

與傳統(tǒng)的化石燃料相比，氫燃料的物理和化學(xué)特性更加不穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)高效、快速、低成本的氫燃料存儲(chǔ)、運(yùn)輸與加注是氫動(dòng)力飛機(jī)投入大規(guī)模商業(yè)運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵。尤其是加注環(huán)節(jié)的時(shí)間將極大影響氫動(dòng)力飛機(jī)的運(yùn)營(yíng)效率。

氫氣的儲(chǔ)運(yùn)加注環(huán)節(jié)需要對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行改造。輸送氫氣的一個(gè)選擇是通過(guò)現(xiàn)有的天然氣輸送網(wǎng)絡(luò)，但對(duì)天然氣管道的改造不僅需要投入大量的資金并進(jìn)行全面的安全性評(píng)估，而且需要考慮氫氣的生產(chǎn)地（產(chǎn)能過(guò)剩的可再生能源工廠和氫氣生產(chǎn)基地）與使用地（機(jī)場(chǎng)）之間長(zhǎng)距離運(yùn)輸帶來(lái)的成本和安全性問(wèn)題，因此應(yīng)盡可能在機(jī)場(chǎng)附近制氫。

氫燃料加注過(guò)程中的安全性問(wèn)題同樣極其重要，必須對(duì)可能發(fā)生的氫燃料泄漏、燃燒和爆炸等情況進(jìn)行預(yù)防和檢測(cè)，包括預(yù)留安全距離、設(shè)置防護(hù)墻、車載氫罐溫度監(jiān)測(cè)、氫氣預(yù)冷、分段加注等方式[36]。

以環(huán)球氫能公司為代表的端到端氫燃料運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)是另一種解決方案，在氫生產(chǎn)基地將氫燃料加注并封裝在氫燃料膠囊存儲(chǔ)罐中，通過(guò)公路或鐵路交通運(yùn)輸?shù)綑C(jī)場(chǎng)，然后直接把膠囊存儲(chǔ)罐安裝到飛機(jī)上，用完的膠囊存儲(chǔ)罐被送回氫生產(chǎn)基地實(shí)現(xiàn)閉環(huán)，如圖11所示。這種氫燃料運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)與新能源汽車企業(yè)蔚來(lái)的“換電”方案類似，飛機(jī)“換氫”方案的優(yōu)點(diǎn)是極大簡(jiǎn)化了氫燃料的儲(chǔ)運(yùn)加注過(guò)程，降低了運(yùn)輸管道、機(jī)場(chǎng)儲(chǔ)氫和加注設(shè)施的建設(shè)成本，加快了飛機(jī)補(bǔ)氫速度。但缺點(diǎn)也和汽車“換電”方案類似，可拆卸的膠囊儲(chǔ)氫罐占用了機(jī)上空間并增大了重量，環(huán)球氫能ATR-72 改裝方案的載客量減少18%，航程減少50%。另外，“換氫”方案的邊際成本較高，在氫燃料需求量達(dá)到一定規(guī)模后的效率和經(jīng)濟(jì)性落后于管道運(yùn)輸方案，運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)承載力上限也低于后者。因此，飛機(jī)“換氫”方案主要適用于氫燃料需求量較少并且基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不完善的前期發(fā)展階段。

圖11 環(huán)球氫能模塊化氫燃料運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)Fig.11 Modular hydrogen fuel transport network

4 氫燃料電池支線飛機(jī)發(fā)展展望

本文對(duì)氫燃料電池支線飛機(jī)未來(lái)可能達(dá)到的技術(shù)水平進(jìn)行預(yù)測(cè)。首先給出影響飛機(jī)有效載荷和航程的核心技術(shù)參數(shù)，即氫燃料質(zhì)量比。氫燃料質(zhì)量比定義為液氫燃料質(zhì)量與裝滿燃料的存儲(chǔ)系統(tǒng)質(zhì)量的比值。目前，航空液氫燃料存儲(chǔ)罐的氫燃料質(zhì)量比為15%～20%，存儲(chǔ)量小于1t。根據(jù)英國(guó)劍橋大學(xué)的預(yù)測(cè)[37]，優(yōu)化現(xiàn)有儲(chǔ)氫技術(shù)可以將質(zhì)量比提高到60%，而開(kāi)發(fā)新技術(shù)可以將質(zhì)量比提高到75%甚至更高，這意味著同等能量的液氫和存儲(chǔ)系統(tǒng)總質(zhì)量可以降低到航空煤油和油箱的一半。

2022年4月，美國(guó)氫燃料電池制造商HyPoint和儲(chǔ)氫罐制造商Gloyer-Taylor Laboratories（GTL）聯(lián)合推出了他們的解決方案[38]，使用GTL生產(chǎn)的石墨纖維復(fù)合材料低溫液氫存儲(chǔ)罐（長(zhǎng)2.4m、直徑為1.2m、重量為67kg）存儲(chǔ)150kg的液氫燃料，復(fù)合材料的使用可以減輕儲(chǔ)氫系統(tǒng)的一部分重量，但仍需要對(duì)低溫冷卻裝置、泵等配套組件進(jìn)行持續(xù)減重才能有效提高儲(chǔ)氫系統(tǒng)的質(zhì)量比。另外，機(jī)上氫燃料存儲(chǔ)還要考慮儲(chǔ)氫罐體積，同等能量的液氫體積大約是航空煤油的3 倍，儲(chǔ)氫罐的設(shè)計(jì)必然會(huì)對(duì)飛機(jī)的有效載荷和氣動(dòng)布局造成影響。因此，主機(jī)廠商考慮到上述問(wèn)題以及安全性、經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)成熟度等因素，在將液氫存儲(chǔ)系統(tǒng)集成到飛機(jī)上時(shí)會(huì)采用相對(duì)保守的方案，通過(guò)犧牲一部分航程以保證有效載荷不會(huì)降低過(guò)多。

在不考慮整體轉(zhuǎn)換效率的情況下，30%質(zhì)量比的液氫燃料系統(tǒng)產(chǎn)生的能量已經(jīng)接近同重量航空煤油燃料系統(tǒng)，50%質(zhì)量比的液氫燃料系統(tǒng)產(chǎn)生的能量可以達(dá)到同重量航空煤油燃料系統(tǒng)的1.5倍以上。若考慮氫燃料電池、電動(dòng)機(jī)和螺旋槳的效率，假設(shè)燃料電池氫電轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到60%，電動(dòng)機(jī)能量轉(zhuǎn)換效率按照當(dāng)前技術(shù)水平取90%，螺旋槳效率取90%[39]，總轉(zhuǎn)換效率約為48.6%，而目前的大型航空渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的總效率在40%左右[40]。隨著技術(shù)的發(fā)展，氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的總效率在未來(lái)將不會(huì)低于航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)。

綜合考慮技術(shù)成熟度、產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀、市場(chǎng)供需、政策支持等多種因素，本文對(duì)包括氫燃料質(zhì)量比、氫燃料電池功率密度、電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)功率密度在內(nèi)的多項(xiàng)核心技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)區(qū)間為2025—2035年，預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 2025—2035年氫燃料電池飛機(jī)技術(shù)指標(biāo)預(yù)測(cè)Table 1 Prediction of technical index of hydrogen fuel cell aircraft in 2025—2035

2025 年性能指標(biāo)下，總重量6t（氫燃料1.5t）的儲(chǔ)氫系統(tǒng)所提供的能量約為總重量5t 的航空煤油燃料系統(tǒng)的90%，基本可以滿足新舟700（油箱可攜帶5t航空煤油）同級(jí)別支線飛機(jī)的性能需求；2035年性能指標(biāo)下，總重量18t（氫燃料6.3t）的儲(chǔ)氫系統(tǒng)所提供的能量約為總重量20t的航空煤油燃料系統(tǒng)的90%，各項(xiàng)指標(biāo)基本滿足C919（油箱可攜帶20t航空煤油）同級(jí)別窄體干線飛機(jī)的性能需求。本文從技術(shù)成熟度、性能需求和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力三個(gè)角度進(jìn)行綜合評(píng)估[41]，對(duì)不同技術(shù)方案的新能源航空器型號(hào)定位進(jìn)行劃分，如圖12所示。

圖12 新能源航空器技術(shù)方案圖譜Fig.12 Scheme of new energy aircraft products

新能源航空器按照動(dòng)力方案可分為鋰電池、氫燃料電池、氫渦輪和可持續(xù)航空燃料4 種。圖12 展示了不同動(dòng)力方案新能源航空器的最佳適用區(qū)間，并標(biāo)注了現(xiàn)有典型型號(hào)所處的位置。鋰電池受限于能量密度，主要適用于20座以下的城市空運(yùn)和通航機(jī)型。氫燃料電池主要應(yīng)用在100座以下的支線飛機(jī)，而100 座以上的干線飛機(jī)更適合氫渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)方案或者使用可持續(xù)航空燃料。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文討論了未來(lái)氫動(dòng)力飛機(jī)的發(fā)展，主要聚焦使用氫燃料電池的渦槳支線飛機(jī)，影響其發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)包括液氫儲(chǔ)罐、儲(chǔ)氫配套系統(tǒng)、氫燃料電池、電動(dòng)機(jī)及氫燃料生產(chǎn)、存儲(chǔ)、運(yùn)輸和加注等，詳細(xì)討論了這些技術(shù)相關(guān)的問(wèn)題和解決方案。根據(jù)技術(shù)預(yù)測(cè)以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，我國(guó)將在2025—2035年逐步具備發(fā)展支線到窄體干線氫能飛機(jī)的技術(shù)條件。我國(guó)的航空企業(yè)可以利用成熟的國(guó)產(chǎn)飛機(jī)平臺(tái)進(jìn)行氫動(dòng)力改裝，攻克關(guān)鍵技術(shù)并開(kāi)展試點(diǎn)應(yīng)用。