2023年航空氫動力進展

■ 韓玉琪 / 中國航空發動機研究院

氫能具有清潔低碳、應用場景豐富、來源廣泛、高效儲能的優點，在碳中和發展的大趨勢下，將成為能源體系的重要組成部分，但也存在易燃易爆、易泄漏、極難存儲、計量控制難度大等現實技術難題有待解決。

氫能航空研發活動在2023年持續增強，多國開展相關的大型預研計劃以支撐碳中和戰略落地實施，尤其以歐洲國家最為積極，業界在前期論證的基礎上開展多個細分領域的技術攻關，并實現多架氫動力飛機試飛，同時也注重開展政產學研用合作，以加速技術成熟并早日投入使用。

大型預研計劃加速氫能航空實現

在戰略落地方面，歐盟、英國、日本等地區和國家在前幾年針對可持續航空開展的論證工作基礎上，均將氫能航空視為“換道超車”的新機遇，通過國家級的預研計劃加速相關技術成熟。據不完全統計，目前上述各國氫能航空相關研發項目中，政府總投入超過60億人民幣，研發活動包括氫渦輪動力、氫燃料電池動力（簡稱氫電動力）、機載儲氫、氫能飛機架構、機場氫能基礎設施，以及運營、安全與認證等6個方面，而且主要集中在前三個方面。

CAJU將氫動力飛機作為重點研發領域

2023年1月，歐盟清潔航空聯合行動（CAJU）第一批項目撥款協議已簽署并正式啟動實施，設置了5個研發領域，包括氫動力飛機、混合電推進支線飛機、超高效中短程飛機、交叉領域和支撐行動，前三個領域為該計劃的重點研發領域。氫能航空相關項目的詳細信息如表1所示，氫動力飛機領域包含6個項目（表中前6個），主要開展氫渦輪動力、兆瓦級氫電動力、大型輕質液氫集成儲存方案的研發，以及液氫儲罐飛行驗證、氫電動力地面驗證等工作。此外，在超高效中短程飛機領域，HEAVEN項目包含氫渦輪動力研發內容，FASTER-H2項目開展氫動力飛機機身的架構集成研究；交叉領域下的CONCERTO項目包含氫能技術的認證研究。

表1 CAJU第一批項目中氫能航空相關項目

2023年9月，CAJU確定在第二批項目中，將歐盟資助資金中的8600萬歐元專門用于氫動力飛機領域，具體包含3個項目：賽峰集團牽頭的氫推進技術研究（Trophy）項目；空客公司牽頭的兆瓦級氫燃料電池動力系統（Fame）項目；以及由MTU公司牽頭的氫電零排放推進系統（Herops）項目。

CHJU持續研發航空氫燃料電池及機載儲氫技術

歐盟清潔氫能聯合行動（CHJU）于2021年11月啟動，該計劃及其前序計劃（燃料電池與氫能計劃、燃料電池與氫能2計劃）持續研發航空氫燃料電池技術，2023年在研項目的詳細信息如表2所示，主要研究內容包括：機載輕質液氫儲罐、航空用氫燃料電池、應急動力裝置及輔助動力裝置等技術。

ATI研發氫渦輪動力和氫電動力

2023年2月，英國航空航天技術研究院（ATI）資助羅羅公司總計8280萬英鎊的3個項目，以研發氫渦輪動力相關的關鍵技術，主要包括：氫燃燒室技術、集成的氫渦輪動力系統和儲氫技術、氫輸送和控制技術。2023年4月，有報道稱，ATI啟動了氫能力網絡第0階段（HCNP0）項目，這項為期12個月的研究將評審氫能網絡如何支持英國航空航天工業。此外，ATI資助的航空氫動力在研項目還包括H2GEAR項目、HyFlyer II項目和Fresson項目，如表3所示。

表3 2023年ATI資助的氫能航空在研項目

日本“下一代飛機發展”計劃將重點研發氫動力飛機

2023年5月，日本推出了“下一代飛機發展”計劃，該計劃總預算210億日元（1.4億美元），通過利用日本在氫和材料核心技術方面的優勢，在全球碳中和行動中加強日本飛機工業競爭力。該計劃包括兩大研究主題：氫動力飛機核心技術；復雜形狀和顯著輕量化的初級飛機結構的開發。

西班牙“航空技術”計劃將研發氫能航空動力

2023年3月，由ITP Aero公司領導的西班牙國家團隊成立，目的是開發該國第一臺氫能航空動力裝置，并計劃于2025年進行首次測試。該項目名為“航空運輸中的低溫學、燃料電池和氫燃燒”，是西班牙工業技術發展中心（CDTI）管理的航空技術計劃的一部分。該項目投資1200萬歐元，包括4個研究領域：開發將液態氫轉化為氣態氫的調節技術及其在渦輪發動機中的使用規范；開發燃料電池推進系統；氫燃燒基礎研究；修改現有發動機以適配天然氣和氫氣的混合物，為過渡到純氫氣運行奠定基礎。

氫渦輪動力實現燃燒技術突破

在技術創新方面，羅羅公司和賽峰集團等企業積極布局氫渦輪動力并實現燃燒技術突破。

羅羅公司完成“珍珠”700發動機100%燃氫測試

2023年9月，羅羅公司宣布其與英國拉夫堡大學和德國航空航天中心（DLR）合作，使用100%氫燃料在DLR位于科隆的設備上對“珍珠”700渦扇發動機的全環燃燒室進行了試驗，通過干預空氣和氫燃料的反應速率來控制火焰位置，驗證了新設計的燃料噴嘴，并證明了氫燃料可在最大起飛推力狀態下燃燒。

賽峰集團、空客公司和阿麗亞娜集團共同完成航空氫燃料燃燒系統組件測試

2023年5月，賽峰集團、空客公司及阿麗亞娜集團共同開展的對環境負責的航空氫推進（HyPERION）項目，完成了氫渦輪動力中氫氣調節系統的概念驗證測試，此次試驗是通過使用航天器中的電動泵、燃氣發生器和換熱器等設備實現的。HyPERION項目研究周期為2020年12月—2023年6月，由法國政府未來投資（PIA）計劃資助，項目研究覆蓋了氫燃料從離開儲罐到噴射燃燒的全過程，并評估了氫氣與燃燒系統所用金屬的兼容性。

空客公司完成小型氫渦輪動力試飛

2023年11月，空客子公司UpNext的氫氣尾跡研究實驗中心使用改裝后的“藍色禿鷹”滑翔機開展了氫渦輪動力的飛行測試，該動力由德國Aero Design Works公司基于捷克PBS公司生產、推力110kgf的TJ-100小型渦噴發動機改裝而成，此次飛行為其首次使用氫氣作為唯一燃料，由70MPa的高壓氫罐提供，目的是提高氫渦輪動力在2100m高空的推力，同時在不同速度下保持飛機穩定，并開展了3000m高空發動機起動等測試。公司計劃于2024年年初開展飛行尾跡研究，研究活動將為配裝大型氫渦輪動力的ZEROe A380飛行臺的飛行試驗指明方向。

氫電動力或將率先進入市場

大量初創公司聚焦氫電動力并實現最大配裝50座級飛機的試飛，氫電動力有望在2025—2030年配裝通勤飛機進入市場。

ZeroAvia公司完成19座氫電動力飛機首飛

2023年1月，美國ZeroAvia公司成功試飛19座的多尼爾（Dornier） 228飛行平臺，這架雙發飛機經過改裝，左翼上安裝了ZeroAvia公司的氫電動力ZA600，右翼是一臺霍尼韋爾公司的TPE-331渦槳發動機。氫電動力總成包括兩個燃料電池堆，以及在起飛期間提供峰值功率支持并為安全測試增加額外冗余的鋰電池組。氫罐和燃料電池發電系統安裝在機艙內，在商業配置中，將使用外部儲存并恢復座位。

“大篷車” 飛機ZA600動力系統

2023年4月，ZeroAvia公司首次發布了其初始飛機平臺和動力產品路線圖的詳細信息。ZeroAvia公司的600kW的ZA600動力系統的首個應用平臺是賽斯納“大篷車”飛機，ZA600將改裝替換普惠PT6A渦槳發動機，并將其大部分系統封裝在“大篷車”的機頭中，目標是2025年進入市場；目前已在開發中的ZA2000的初始2MW版本，將從2027年開始用于改裝的大型渦槳支線飛機；還將針對不同飛機開發相適用的動力系統，最高功率將達10MW以上。

環球氫能公司完成50座級氫電動力飛機首飛

2023年3月， 美國環球氫能（UH2）公司完成“沖”（Dash）8-300飛機首飛，飛機一側的PW123渦槳發動機被替換為氫電動力，成為了迄今為止最大的燃料電池動力驗證飛機。改裝后的“沖”8飛機機艙內部有兩排測試電子和傳感器組件，以及兩個容量30kg的大型氫燃料罐。位于飛機右翼下方的640kW的電動機由新型氫燃料電池驅動，整個飛行過程中，氫燃料電池能產生高達800kW的功率。

空客公司進行1.2MW氫電系統的全功率運行測試

2023年6月，空客公司宣布，經過6個月的地面測試，其在電動飛機系統測試室（EAS）開展了1.2MW燃料電池系統全功率運行測試，該測試通過多個功率通道耦合驅動單個螺旋槳實現，空客公司是航空業中唯一實現這樣完整動力“鏈”的公司，該動力“鏈”連接12個燃料電池以達到商業用途所需的輸出功率。

H2Fly公司完成全球首次液氫燃料電池動力飛機試飛

2023年9月，德國H2Fly公司成功完成全球首次完全由液氫驅動的載人電動飛機HY4試飛，試驗結果表明，采用液氫能使HY4飛機的最大航程增加一倍，達到1500km。HY4左側機身的駕駛艙區域安裝有雙層壁真空隔熱圓柱形液氫儲罐，通過內部加熱器對儲罐中的液氫加壓，并使用換熱器利用燃料電池的廢熱將液氫蒸發為氫氣，后輸送至使用質子交換膜技術的燃料電池，可在較高的溫度下運行以提高性能。HY4飛機配備了80kW的電動機和21kW·h的鋰電池（連續輸出功率45kW），可在起飛和爬升階段提供額外的電力供給。

NASA完成低溫氫電概念客機第一階段研發

2023年7月， 美國國家航空航天局（NASA）與伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校（UIUC）簽署協議，將NASA在大學領導力倡議（ULI）下的高效飛機電氣技術中心（CHEETA）項目延長了2年（開始第二階段）。CHEETA項目于2019年啟動，第二階段將推進零排放概念客機開發，概念機使用液氫作為燃料和冷卻劑，以實現超導性能，提高效率并減輕質量。為了有效集成液氫儲罐、機身和風扇等眾多子系統，計劃先使用氣態氫燃料開展縮比模型試飛。第二階段將開展300 kW低溫冷卻電機、300 kW零損耗超導電纜、300L液氫儲罐等子部件測試。其中，液氫儲罐的重量指數（GI）計劃達到60%（現有液氫儲罐小于30%）。

氫能航空相關研發聯盟不斷涌現壯大

在管理創新方面，歐盟、英國、中國等地區和國家成立研發聯盟來加速多學科專業交叉群集、多領域技術融合集成，加強政產學研用深度融合，共同推動氫能航空的創新研發。

歐盟零排放航空聯盟持續壯大

截至2023年11月22日，零排放航空聯盟（AZEA）成員已增長至161個，包含了飛機制造商、發動機制造商、航空公司、機場、能源公司、燃料供應商、認證機構、乘客團體和監管機構在內的行業利益相關者。AZEA于2022年6月由歐盟委員會正式設立，以呼吁航空界通過引進氫動力和電推進飛機來實現歐洲2050年的碳中和目標，AZEA關注機場氫動力和電推進飛機的燃料和基礎設施要求、可再生燃料和電力的獲取、標準化和認證、運營商（航空公司）的行動和空中交通管理等領域的解決方案。

CHEETA概念客機

CAJU加強與其他組織的戰略合作

2023 年3 月，CAJU 和CHJU 簽署諒解備忘錄，開展氫動力航空技術研究和創新戰略合作，主要包括：航空氫技術領域資助資金、工作方案規劃和協同以及項目征集。2023年6月，CAJU與法國奧克西塔尼大區、意大利坎帕尼亞大區均簽署了合作備忘錄，以加快低排放飛機技術的成熟與演示驗證，并于2035年前進入航線服務。

此外，2022年10月， 歐洲航空安全局（EASA）與CAJU在布魯塞爾簽署合作備忘錄，合作范圍包括：針對CAJU研究的新概念和新技術，消除風險并驗證其可行性；行業標準的發展演變；飛機和系統設計的新認證方法和符合性認證方式；與其他監管機構和國際民航組織（ICAO）協調制定監管規章。

英國成立航空氫能聯盟

2023年9月，英國成立航空氫能聯盟（HIA），成員為英國航空和可再生能源領域的一批領先企業，包括易捷航空公司、羅羅公司、空客公司、GKN公司和布里斯托爾機場等。HIA將致力于確保英國充分利用氫能為航空業和整個國家帶來的巨大機遇，加快實現零碳航空。該聯盟指出，政府需要關注3個關鍵領域：支撐英國成為全球領導者所需的基礎設施；確保航空監管制度為氫能做好準備；以及將氫能航空研發支持資金轉變為一項為期10年的計劃，只有這樣英國才能獲得經濟效益并實現脫碳目標。

中國發布國際綠色航空協會倡議

2023年10月，中國航空學會正式向全球發布了國際綠色航空協會（IAGA）倡議，旨在以“通過技術進步與全球合作促進航空可持續發展”為愿景，促進新技術在綠色航空領域得到廣泛應用，加快全球航空產業鏈全體參與者達成雙碳目標的進程。IAGA業務范圍覆蓋：產業研究與合作，包括產業報告與路線圖制定、國際合作項目以及展覽；學術交流與咨詢，包括會議、出版與咨詢；評獎與評定，包括國際獎項、院士評選以及標準制定；人才培養與舉薦，包括設置獎學金、開展培訓與認證以及科學普及等方面。

“機場氫能樞紐”網絡持續擴張

2023年12月，德國漢堡機場加入“機場氫能樞紐”網絡，成為其第12個成員，以促進航空氫能基礎設施的進一步擴張，該網絡的成員已經包括來自法國、美國、英國、新加坡、日本、韓國和新西蘭等11個國家的機場管理部門、航空公司和能源部門等。該國際網絡由空客公司于2020年推出，以幫助機場確定未來氫能飛機的基礎設施需求，研究、開發和擴大氫的使用基礎設施，以及整個價值鏈的低碳機場運營，為2035年ZEROe氫動力飛機投入運營做好準備。

結束語

2023年，世界范圍內的氫能航空研發活動持續加強，各國政府、飛機商、發動機商等多個層級的氫能航空戰略布局正在緊鑼密鼓的落地實施，并實現多個細分領域的技術突破，基于航空氫動力的零排放飛機正在逐步走進現實。