通航飛機(jī)新能源動力改型設(shè)計(jì)可行性初探

李巖，譚廣琨，趙志高，張文琦

1.中國航空研究院， 北京 100012

2.工信（北京）產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院有限公司，北京 100041

為應(yīng)對氣候變化，低碳轉(zhuǎn)型是人類社會的必然要求。中國綠色發(fā)展的堅(jiān)定方向就是碳中和。我國提出力爭到2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、到2060年實(shí)現(xiàn)碳中和。航空業(yè)的快速增長所帶來的溫室氣體排放，對氣候和環(huán)境的影響越來越大。航空工業(yè)發(fā)展也像其他交通運(yùn)輸業(yè)一樣，是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵[1]。

國際民航組織（ICAO）預(yù)測，若繼續(xù)使用和推進(jìn)傳統(tǒng)航空技術(shù)，將無法實(shí)現(xiàn)到2050年減少碳排放量至2005年的一半的目標(biāo)[2]。因此，航空業(yè)實(shí)現(xiàn)碳減排的重要任務(wù)之一就是開發(fā)和發(fā)展可持續(xù)的航空工業(yè)技術(shù)，包括氫燃料、生物燃料和太陽能等石化燃料之外的替代能源[3-4]。

相關(guān)資料研究表明，標(biāo)準(zhǔn)航空燃料的能量密度是氫燃料能量密度的1/3。利用氫能作為動力可以實(shí)現(xiàn)二氧化碳零排放，并可有效地降低排放其他污染物，氫能相比傳統(tǒng)能源具有非常明顯的優(yōu)勢。因此，航空工業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和的重要發(fā)展趨勢和主要途徑之一是發(fā)展氫動力航空技術(shù)[5]。

國外發(fā)達(dá)國家對氫能的研發(fā)加大投入，加氫站、乘用車、電解水制氫廠、公交車、重型交通等領(lǐng)域得到了重點(diǎn)支持[6-7]。2021 年初，英國啟動了“零碳飛行”（FlyZero）項(xiàng)目，該項(xiàng)目的主要目的是探討大型民用飛機(jī)實(shí)現(xiàn)完全零碳排放的可行性，以綠色液氫能源為基礎(chǔ)的新一代民用航空產(chǎn)業(yè)零碳排放發(fā)展愿景最終形成[3]。

對未來空中運(yùn)輸系統(tǒng)的構(gòu)建演進(jìn)設(shè)想如圖1所示。超低空低速飛行（小于500m）以旋翼無人機(jī)為主，動力主要是電動機(jī)，能源主要是鋰電池。在低空低速飛行（大于500m、小于1000m）中，以小型直升機(jī)或通用直升機(jī)為主，其動力主要是活塞發(fā)動機(jī)或渦軸發(fā)動機(jī)，燃料主要是液氫、航空汽油或煤油。中空亞聲速飛行主要采用小型固定翼飛機(jī)、中大型直升機(jī)、旋翼飛機(jī)等，動力主要是活塞式發(fā)動機(jī)、渦軸發(fā)動機(jī)、渦槳發(fā)動機(jī)等，燃料主要是航空汽油或煤油。高空亞聲速飛行，主要是渦噴客機(jī)、運(yùn)輸機(jī)等，其動力主要是渦噴發(fā)動機(jī)，燃料是航空煤油。而超高空跨聲速和超聲速飛行，目前投入過商業(yè)運(yùn)營的只有“協(xié)和”號飛機(jī)和圖-144客機(jī)，采用多臺渦噴發(fā)動機(jī)，燃料主要是航空煤油[8]。

圖1 未來空中運(yùn)輸系統(tǒng)構(gòu)建演進(jìn)設(shè)想Fig.1 Evolution of future air transportation system construction

對于上述采用傳統(tǒng)航空煤油的飛機(jī)，氫能或鋰電池未來可以作為替代能源，其中在低空eVTOL、1.5t級以下輕型通用飛機(jī)方面，以鋰電池為能源動力的航空器已有諸多實(shí)踐[4]。本文重點(diǎn)分析1.5～10t級低中空螺旋槳飛機(jī)使用氫燃料電池為能源動力，并對中高空干支線、新概念、超聲速航空器的氫渦輪動力應(yīng)用可行性進(jìn)行展望。

本文首先分析氫能飛機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，然后構(gòu)建氫能飛機(jī)改型設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，針對某通航飛機(jī)，利用該方法對不同的能源方案進(jìn)行計(jì)算和優(yōu)化，證明其可行性。進(jìn)一步對不同的動力裝置進(jìn)行優(yōu)化分析，計(jì)算分析不同發(fā)動機(jī)方案帶來的重量收益，以及不同級別飛機(jī)的動力系統(tǒng)重量，以期為不同類型和用途的飛機(jī)選取能源動力方案提供參考。

1 氫能飛機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)分析

1.1 氫能推進(jìn)技術(shù)

發(fā)動機(jī)推進(jìn)效率隨速度的變化曲線如圖2所示。由圖2可知，純渦輪噴氣、高/低涵道比內(nèi)外涵渦輪噴氣的推進(jìn)效率隨速度增加都是持續(xù)變大的。而采用渦輪螺旋槳動力，其推進(jìn)效率隨速度增加呈先增大后減小趨勢，推進(jìn)效率的拐點(diǎn)大概是速度為600km/h時(shí)。在速度小于600km/h時(shí)，與渦噴動力相比，采用渦輪螺旋槳動力的推進(jìn)效率是最高的。

圖2 不同發(fā)動機(jī)類型的推進(jìn)效率變化圖Fig.2 Plot of propulsion efficiency changes by engine type

目前，氫能飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的兩個(gè)最受關(guān)注的方向是氫渦輪和氫燃料電池，氫渦輪推進(jìn)系統(tǒng)和氫燃料電池系統(tǒng)的框架分別如圖3和圖4所示。氫渦輪的兩種形式包括氫渦輪電動風(fēng)扇發(fā)動機(jī)和氫渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)。氫渦輪電動風(fēng)扇發(fā)動機(jī)是通過渦輪帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，電驅(qū)動電機(jī)通過帶動風(fēng)扇產(chǎn)生推力；氫渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)與現(xiàn)役航空渦輪發(fā)動機(jī)基本相同，在燃燒室內(nèi)燃燒，推動渦輪帶動風(fēng)扇產(chǎn)生推力。氫燃料代替石化燃料作為能源，其燃燒過程不會生成二氧化碳、一氧化碳和硫化物等污染物，僅產(chǎn)生些水蒸氣和部分氮氧化物。使用氫燃料過程中雖然會因水蒸氣凝結(jié)形成部分尾跡云，但氫燃料仍可有效降低飛行過程對氣候的影響[9-10]。

圖3 氫渦輪推進(jìn)系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram of a hydrogen turbine propulsion system

圖4 氫燃料電池系統(tǒng)框圖Fig.4 Block diagram of hydrogen fuel cell system

與氫渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)相比，氫燃料電池推進(jìn)系統(tǒng)是通過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電的。內(nèi)部氫電化學(xué)反應(yīng)環(huán)境純凈，水蒸氣凝結(jié)核極少產(chǎn)生，形成的尾跡云也大大削弱[9]。雖然材料和制造領(lǐng)域的不斷進(jìn)步和發(fā)展使氫燃料電池的能量密度得到了大幅提升，但氫燃料電池仍存在諸多問題，包括單體輸出功率低、使用壽命短和能量密度低等。為進(jìn)一步延長壽命（超過25000h）、提高電池功率密度，未來需要采用一系列的材料、設(shè)計(jì)和技術(shù)，如電池一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、新型電極材料、高效水熱管理和運(yùn)行控制等方法。同時(shí)，還需要進(jìn)一步提高系統(tǒng)輸出功率，擴(kuò)大工作溫度范圍和電池模塊化設(shè)計(jì)。

1.2 氫燃料儲存技術(shù)

目前，氫能飛機(jī)機(jī)載氫燃料的存儲普遍采用高壓氣體或低溫液體儲罐技術(shù)。若以壓縮氣體形式儲氫，會給飛機(jī)質(zhì)量和體積要求帶來巨大挑戰(zhàn)。而最有前途的技術(shù)途徑之一是使用液態(tài)氫形式儲存。以極低溫度（低于-253℃）儲存液態(tài)氫燃料，同時(shí)為防止液氫沸騰，儲罐中需要維持恒定壓力，這會使液氫儲罐的結(jié)構(gòu)和配套冷卻系統(tǒng)變得很復(fù)雜，進(jìn)而導(dǎo)致整體系統(tǒng)的質(zhì)量能量密度和安全性大大降低。與傳統(tǒng)機(jī)翼油箱不同，應(yīng)采用球形或柱狀儲罐儲存液氫燃料。因此，需要調(diào)整或重新設(shè)計(jì)現(xiàn)有的中遠(yuǎn)程客機(jī)的機(jī)體結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)液氫儲罐的存放。機(jī)身尺寸、形狀以及航程長短和飛行任務(wù)決定了儲罐的大小。液氫儲罐會增加機(jī)體尺寸，進(jìn)而導(dǎo)致客艙空間減小，帶來飛行阻力和飛行成本的增加。對于飛行距離超過10000km、載客量超過250人的中大型遠(yuǎn)程客機(jī)，因液態(tài)氫儲罐增加的重量，傳統(tǒng)客機(jī)結(jié)構(gòu)無法滿足設(shè)計(jì)要求，需要對機(jī)體進(jìn)行全新、革命性的設(shè)計(jì)，提高飛機(jī)內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)利用率[9]，如箱式機(jī)翼結(jié)構(gòu)等，如圖5和圖6所示。

圖5 氫罐與機(jī)身融合的常規(guī)布局Fig.5 The conventional layout of the hydrogen tank fused with the fuselage

圖6 氫罐獨(dú)立式外置常規(guī)布局Fig.6 Hydrogen tank freestanding external conventional layout

2 新能源改型設(shè)計(jì)分析方法

為實(shí)現(xiàn)零排放的目標(biāo)，需要進(jìn)行航空能源轉(zhuǎn)型，目前有多種航空零排放方案，包括氫燃料電池、電池電能、生物/合成燃料。這幾種方案各自都有優(yōu)缺點(diǎn)，而采用哪一種方案進(jìn)行航空能源轉(zhuǎn)型，應(yīng)根據(jù)不同應(yīng)用特點(diǎn)來選擇，商用飛機(jī)、軍用飛機(jī)、大飛機(jī)、小飛機(jī)因目標(biāo)各不同，其選取的方案也不同，需要合理設(shè)計(jì)和計(jì)算適合不同飛機(jī)的方案。因此，需要使用氫能改型優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，計(jì)算和分析不同級別飛機(jī)改成不同氫能動力的重量變化，以判別方案的優(yōu)劣。

2.1 新能源改型優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

氫能飛機(jī)的改型設(shè)計(jì)及優(yōu)化分析方法包括總體參數(shù)分析、飛行速度與功率需求計(jì)算、巡航起降狀態(tài)升力分析、動力電機(jī)指標(biāo)計(jì)算分析、液氫能量與重量（質(zhì)量）容積分析、重量收益權(quán)衡、飛行階段功率匹配計(jì)算，如圖7 所示。通過總體參數(shù)分析，得到起飛重量、燃油重量、最大商載、機(jī)翼面積和螺旋槳拉力；再經(jīng)過飛行速度與功率需求計(jì)算，得到不同飛行速度及其功率需求，基于原始數(shù)據(jù)巡航、起降狀態(tài)升力分析，計(jì)算出飛機(jī)在巡航和起降時(shí)所需的升力和升阻比；根據(jù)動力電機(jī)指標(biāo)，分析得出不同的動力系統(tǒng)的額定當(dāng)量軸功率、限制使用軸功率和重量體積；由液氫能量與重量容積分析得出需要液氫重量、當(dāng)量體積以及容器體積；然后計(jì)算飛行階段匹配功率，通過重量收益權(quán)衡得到減少的重量值。

圖7 氫能飛機(jī)的改型設(shè)計(jì)及優(yōu)化分析流程Fig.7 Modification design and optimization analysis process of hydrogen aircraft

2.2 新能源改型設(shè)計(jì)可行性分析

某型燃油飛機(jī)的參數(shù)和數(shù)值見表1，采用2.1 節(jié)的改型設(shè)計(jì)及優(yōu)化分析方法得到改型后的飛機(jī)總體參數(shù)。

表1 某型燃油飛機(jī)總體參數(shù)Table 1 Overall parameters of a certain type of fuel aircraft

采用與燃油飛機(jī)相同的氣動外形，設(shè)計(jì)航時(shí)為1.75h（滿座最大航時(shí)的50%），采用兩臺推進(jìn)功率為735kW的動力電機(jī)，能源分別采用鋰電池、氫氣燃料和液氫燃料。計(jì)算結(jié)果見表2和表3。由表2可以看出，因?yàn)殇囯姵氐哪芰棵芏缺容^低，導(dǎo)致需要的電池重量過大，電池重量比飛機(jī)的起飛重量更大，動力電機(jī)功重比太小，所以目前階段使用鋰電池進(jìn)行改型優(yōu)化并不可行。由表3可以看出，采用氫氣燃料的改型設(shè)計(jì)因?yàn)闅錃怏w積過大，相應(yīng)的儲罐體積也過大，導(dǎo)致儲罐重量過重，采用氫氣燃料的電力裝置重量過大，是飛機(jī)起飛重量的53.93%，所以使用氫氣燃料進(jìn)行改型也不可行。

表2 鋰電池組能源改型設(shè)計(jì)及優(yōu)化參數(shù)Table 2 Lithium battery pack energy modification design and optimization parameters

表3 氫氣和液氫燃料能源改型設(shè)計(jì)及優(yōu)化參數(shù)Table 3 Modification design and optimization parameters of hydrogen and liquid hydrogen fuel energy

采用液氫燃料進(jìn)行改型設(shè)計(jì)，液氫燃料動力電機(jī)系統(tǒng)的比氫耗FH如式（1）所示

式中，ηF為動力電機(jī)轉(zhuǎn)化效率，取0.9；ηH為氫燃料電池效率，取0.5；EH為液氫能量密度，取40kW·h/kg，所以使用液氫燃料動力電機(jī)系統(tǒng)的比氫耗FH為0.0556kg/kW·h，而使用式（1）計(jì)算出的燃油發(fā)動機(jī)的比油耗為0.2625kg/kW·h（燃油發(fā)動機(jī)效率為0.3，燃油能量密度為12.7kW·h/kg）。可以看出，液氫動力系統(tǒng)的效率更高，其比氫耗是燃油發(fā)動機(jī)比油耗的0.21。所以，設(shè)計(jì)航時(shí)1.75h的液氫及動力電機(jī)裝置總重為2.18t，是起飛重量的25.97%，對于10t量級的通用飛機(jī)，基本可以保持有效商載，且液氫的重量較小，對飛機(jī)重心影響很小，對飛行控制沒有影響，所以采用液氫燃料改型設(shè)計(jì)是可行的。

3 動力系統(tǒng)改型方案設(shè)計(jì)及分析

3.1 液氫動力系統(tǒng)及螺旋槳改型設(shè)計(jì)優(yōu)化

根據(jù)第2 節(jié)可行性分析，應(yīng)采用液氫燃料和動力電機(jī)進(jìn)行改型設(shè)計(jì)，后行李艙改為液氫儲罐，取消燃油系統(tǒng)，改為液氫系統(tǒng)，渦槳發(fā)動機(jī)改為動力電機(jī)。因某型通用飛機(jī)動力系統(tǒng)采用的是螺旋槳，針對采用不同的動力裝置和螺旋槳組合進(jìn)一步進(jìn)行改型設(shè)計(jì)優(yōu)化。

其中，主要設(shè)計(jì)參數(shù)包括：最大起飛重量為8400kg，設(shè)計(jì)航程為1500km，設(shè)計(jì)航時(shí)為4.33h，巡航速度為395km/h，保持氣動外形不變，采取分布式動力。方案設(shè)置為：方案1：采用兩臺735kW的動力電機(jī)，螺旋槳是5葉，直徑為2.82m；方案2：采用6 臺250kW 動力電機(jī)，螺旋槳是3 葉，直徑為1.74m；方案3：采用6臺200kW動力電機(jī)，螺旋槳是3葉，直徑為1.74m；方案4：采用10臺120kW動力電機(jī)，螺旋槳是3葉，直徑為1.34m。

針對上述4 種方案，使用2.1 節(jié)的改型優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，計(jì)算的總體參數(shù)結(jié)果見表4。由表4可看出，方案3和方案4 的液氫電堆重量最小，方案2 的液氫電堆重量最大，相應(yīng)地，方案3 和方案4 重量收益最大，方案2 重量收益最小。方案3和方案4中的液氫燃料及動力重量為2.113t，航程為1500km，所以改型設(shè)計(jì)優(yōu)化可以減小動力系統(tǒng)和燃料重量，從而可以提高有效商載。

表4 不同螺旋槳和動力電機(jī)方案計(jì)算結(jié)果Table 4 Calculation results of different propeller and power motor schemes

3.2 不同航空能源及動力系統(tǒng)的起飛重量對比

針對不同類型的航空能源，利用2.1節(jié)的飛機(jī)總體參數(shù)估算方法，計(jì)算得出飛機(jī)不同級別起飛重量對應(yīng)的動力系統(tǒng)重量（電池+動力電機(jī)及槳+電控等，或氫電池+液氫+儲罐+動力電機(jī)及槳+電控等，或液氫+儲罐+供氣+燃?xì)獍l(fā)動機(jī)），計(jì)算結(jié)果和曲線如圖8所示。由圖8可以看出，鋰電池組重量在起飛重量大于2t級時(shí)，其重量增加過大，占起飛重量的比重也越來越大，因此在飛機(jī)起飛重量小于2t級時(shí)，飛機(jī)適合采用鋰電池動力；起飛重量為2～10t 級時(shí)，液氫動力重量增長不明顯，占起飛重量的比重不大，可以保證有效商載，而起飛重量大于10t 級時(shí)，液氫動力重量的占比逐漸增大，進(jìn)而影響有效商載，所以飛機(jī)起飛重量為2～10t級時(shí)適合采用液氫能源動力；飛機(jī)起飛重量大于10t 級時(shí)，發(fā)動機(jī)燃油重量的占比不大，可以有效保證商載，飛機(jī)起飛重量大于10t 級時(shí)適合采用可持續(xù)燃料/液氫燃料（SAF/LH）燃?xì)鉁u輪動力。

圖8 不同類型航空能源的動力系統(tǒng)和起飛重量Fig.8 Power systems and take-off weights for different types of aviation energy

4 結(jié)束語

本文分析了新能源飛機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)氫能推進(jìn)技術(shù)和氫燃料儲存技術(shù)，構(gòu)建了新能源飛機(jī)改型設(shè)計(jì)方法，通過該方法可以快速得到不同設(shè)計(jì)方案的總體參數(shù)以及重量收益等數(shù)據(jù)信息。利用該方法分析了鋰電池、氫氣和液氫能源的動力系統(tǒng)改型方案的可行性。進(jìn)一步對不同的動力裝置包括螺旋槳的葉數(shù)和發(fā)動機(jī)數(shù)量組合進(jìn)行了對比優(yōu)化分析，證明了多發(fā)動機(jī)方案更優(yōu)，并給出了不同起飛重量的飛機(jī)采用不同能源動力系統(tǒng)的重量關(guān)系，證明了小型飛機(jī)適合采用鋰電池動力，中小型飛機(jī)可采用液氫動力，而大于10t級的飛機(jī)適合采用燃?xì)鉁u輪動力。計(jì)算的量化結(jié)果為不同類型和用途飛機(jī)選取能源動力方案提供了參考。