关于氢能航空动力发展的认识与思考 （上）
随着航空市场的迅速发展，全球航空业二氧化碳排放量增长迅猛。目前，1架典型的民航客机1年的碳排放量可达3600t，相当于90万棵树1年吸收的二氧化碳量，或800辆轿车1年的碳排放量。据国际能源协会（International Energy Agency, IEA）统计，2019年世界航空业碳排放总量达到近109t，占碳排放总量的2.8%。气候行动追踪组织将航空业碳中和发展目标进展评为“严重不足”。如不抓紧控制，到2050年，全球航空业碳排放将达到2019年的 2~3 倍，中国民航业的快速发展带来碳排放量增长迅速，2019年，中国航空客运碳排放总量已达1.03×108 t，占据全球航 空客运碳排放总量的13%，航空业减碳形势非常严峻。为大幅降低航空业碳排放，国际航空运输协会（International Air Transport Association，IATA）已设定了到2050年航空运输业碳排放量较2005年减少50%的目标。多国航空业也共同做出承诺，到2050 年航空业碳排放从 2005年的水平削减一半甚至实现碳中和。为实现航空业碳减排目标，需要尽快解决一系列问题与挑战。
氢能具有绿色无污染、能量密度高等特点，被公认为是航空运输业实现“脱碳”的关键。目前，全球范围正在掀起一场氢能航空发展热潮，各国纷纷出台氢能航空发展规划，飞机制造商和发动机制造商正在积极开展氢能飞机和氢能航空动力研究。本文通过对氢能航空动力的发展研究，分析了氢燃料用于飞机动力的性能优势，结合中国目前航空业情况，研判了氢能航空发展的主要难点，提出了发展氢能航空的建议措施。
氢能从发现、发展到应用，距今已有近500年，人类对氢的认识始于其燃烧特性。早在16世纪，人类 就发现，铁屑和硫酸接触会产生一种可燃烧的气体。18世纪，这种气体被正式命名为 Hydrogen（中文名 “氢”）。人们发现，氢不仅可燃，且可燃范围广、热值 高，燃烧同等质量的氢气放出的热量是天然气的2.56倍、普通汽油的3倍、航空煤油的2.8倍、酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。理论上，使用氢燃料的飞机，在其 他条件相同的情况下，完成特定任务所需燃料质量仅 为传统飞机所需燃料质量的 1/2.8。当飞机其它条件 相同时，氢燃料的使用可显著减轻飞机总质量，因而 可配装更小推力的发动机。但是，氢燃料的使用需要 飞机对机载燃料系统进行改进，轻质高效安全的机载 氢燃料存储输送系统将是氢能飞机的关键。此外，氢 具有高比热和低温特性，可有效冷却发动机和热部 件。液氢具有优越的冷却换热能力，燃烧热值高且无 碳结焦问题，可用于高速飞行器。
1937 年，德国机械工程师奥海因利用氢燃料良 好的燃烧特性，发明了以氢气为燃料的世界首台涡喷发动机HeS-1。1955年，美国国家航空咨询委员会 （National Advisory Committee for Aeronautics，NACA） 启动了Bee计划，旨在利用氢燃料的高能量密度，通过燃氢拓宽发动机的工作边界，使飞机升限提升至27 km，以躲避地空导弹的袭击；刘易斯研究中心对PW公司的J65涡喷发动机进行改造，使其既能使用传统燃油，也能使用液氢燃料。配装J65涡喷发动机的B-57轰炸机最终成功实现了在高空飞行中切换液氢燃料运行。1956年，美国空军实施了Suntan计划，洛克希德·马丁公司负责研发2架可在高度30km、Ma=2.5 巡航的高空高速战略侦察机 CL-400。PW公司仅用5个月就完成了J57涡喷发动机改用液氢燃料的试验研究，证明了传统燃气涡轮发动机对液氢燃料的适用性，并于1957年9月首次进行了全新研制的燃氢涡轮膨胀循环Model304发动机演示试验，试验累计时数25 h，所有性能预测均得到了验证。随着CL-400项目终止，该发动机的研制未能继续。1965～1968年，美国空军又进行了综合论证，探索使用液氢燃料的高超声速巡航飞行器的潜力。这一时期，人们对氢应用于航空飞行的研究均源自于其良好的燃烧特性。
氢燃料此时已经展现出其应用于航空领域的巨大潜在优势，燃氢涡轮发动机的可行性得到了证明，但是氢燃料的使用对飞机机载燃料系统也带来变革性影响，轻质高效安全的机载氢燃料存储输送系统尚未开展充分研究。由于当时全球航空业对环保性要求不高，同时氢燃料的制备、储运、使用等上下游配套产业链面临诸多问题和挑战，因此氢能航空在这一时期仅处于探索研究阶段。
进入 21世纪，随着全球碳排放量的逐年增加，世界各国开始高度重视氢能产业发展，氢能产业发展成为加快能源转型升级、培育经济新增长点的重要战略选择。2020年以来，为实现航空碳减排目标，世界多国纷纷出台涉及氢能航空发展的战略规划。欧盟于2021年2月推出了一项可持续发展计划“2050年目标——欧洲航空零排放之路”，即到 2030年欧盟境内和离境所有航班二氧化碳排放量减少45%，到 2050年实现航空业二氧化碳净零排放。2020、2023 年德国先后发布了2版“国家氢能战略”，支持在飞机推进系 统中使用氢能。2023年9月，英国成立氢能航空（Hydrogen in Aviation，HIA）联盟，致力于确保英国充分利用氢能为航空业和整个国家带来的巨大机遇，加快实现零碳航空。
飞机制造商纷纷布局氢能飞机发展。在氢燃料飞机发展上 ，2020年9月 ，空客公司发布了名 为ZEROe的计划，提出了3种氢能飞机概念，分别采用上单翼布局翼吊液氢燃料涡桨发动机、常规布局翼吊液氢燃料涡扇发动机以及翼身融合布局液氢燃料分布式动力。2021年12月，在英国航空航天技术研究院（Aerospace Technology Institute，ATI）的领导下，FlyZero 公布了采用 2 台氢燃料涡扇发动机为动力的 液氢燃料远程中型飞机概念。2022年5月，日本宇宙航空研究开发机构（Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA）宣布，将在“绿色创新投资计划”下与川崎重工合作，开发以液氢为燃料的下一代氢能飞机核心技术。2023年4月，瑞士初创公司Destinus宣布，正在开发能够在高度超过50 km、Ma>5飞行的氢动力 超声速客机。2023 年 6月，法国航空航天实验室（le centre français de recherche aérospatiale，ONERA）展示了一款200座级、航程约 7408 km 的氢燃料客机概念模型。
航空发动机制造商也积极开展氢能航空动力研发，其中燃氢涡轮发动机是重点研究领域。2021年6月 ，CFMI 公司启动 了 可 持 续 发 动 机 革 新 技 术（Revolutionary Innovation for Sustainable Engines，RISE）验证计划，将直接燃烧氢作为重要研究内容，计划 2025年完成氢燃料发动机地面和飞行试验。2022年2 月 ，PW 公司获得美国能源部（Department Of Energy，DOE）支持，在氢-蒸汽喷射、间冷涡轮发动机 （Hydrogen Steam Injected, Inter-Cooled Turbine Engine,HySIITE）计划下研发高效氢燃料推进技术， 使用该技术有望使下一代单通道飞机发动机氮氧化物排放减少 80%，燃料消耗减少35%，计划到 2035年 后配装飞机投入使用。2022 年 11 月，RR 公司完成AE2100-A涡桨发动机氢燃烧地面试验，计划2030年前后为中小型飞机提供动力。2023年9月，又完成了 “珍珠”700涡扇发动机全环形燃烧室纯氢燃烧试验， 验证了氢燃料在最大起飞推力状态下燃烧的技术可行性。2023年7月，GE公司完成了纯氢燃烧室部件试验。俄罗斯计划开展VK2500涡轴发动机改烧氢燃料研究，并计划5年内在雅克-40LL飞行试验平台上开展飞行试验。预计到2035年，采用燃氢涡轮发动机的中型飞机将投入使用；到2050年，全球50%的商用飞机有望使用氢动力。
中国氢能产业发展迅速，已成为世界最大制氢国，初步形成了较完整的制氢—储运—应用产业链， 为氢能航空发展奠定了较好基础。2023 年10月，工信部、科技部、财政部和民用航空局联合发布了“绿色航空制造业发展纲要（2023-2035 年）”，确定了氢能 航空发展目标：到2025年氢能源飞机关键技术完成可行性验证。在国家政策的支持下，多家高校、企业和科研院所结合自身的研究基础和优势，开展了氢内燃机、氢燃料电池、燃氢涡轮和氢混电等多种氢能动力飞机概念方案论证和关键技术研究，开展了氢能航空动力部件级试验验证，验证了氢能在航空领域应用的可行性。2024年1月，中国第一架4座氢内燃机飞机完成了原型机首飞。
据统计，航空业近98%的碳排放来自飞机使用阶 段，2% 的碳排放来自生产制造环节[15]。在飞机使用 中，燃料燃烧产生的碳排放占 79% 以上。同时，国际 航空业碳排放大部分来自大型客机，如图1所示。因 此，减少大型客机的碳排放是航空业减碳的关键。
航空业减碳的主要路径是采用清洁能源，包括可 持续航空燃料（Sustainable Aviation Fuel，SAF）、电池和氢能等。使用SAF对现有飞机的改动最小，被认为是目前行业触手可及的、能实现较大程度减排的主要手段，颇受航空公司青睐。但使用SAF仍面临 原料供应不足、成本高等制约。另外，SAF对环境的影响最多可减少80%，难以实现全生命期的近零碳排放。采用电池的全电飞机有可能消除短程航线的直接污染，但目前电池能量密度太低（仅为煤油的1/50），还无法用于大多数民航飞机。研究表明，1架A320 客机即使装满目前市场上能买到的最好电池，即使不搭乘旅客或燃油，也只能飞行10 min。
国外研究显示，氢能飞机不仅在技术上可行，且 与常规航空煤油及SAF相比，运营经济性更高，具备 全部短程航线和93% 远程航线的使用能力。据中国科学院《中国碳达峰碳中和路径与政策建议》报告， 到 2050 年，中国民航运输量将达到2019年的 4.5 倍， 碳排放量将达到2019年的 2.5 倍。如采用氢能航空 动力替代传统动力，可使碳排放量降低50%以上。
目前，各国氢能航空动力研究主要有3条技术路 线：发展燃氢涡轮发动机和氢内燃机，直接燃烧氢产 生动力；发展氢燃料电池，连接电动机和推进装置为 飞机提供动力；采用燃氢涡轮和氢燃料电池混合的推 进系统。研究表明，氢内燃机适用于低速小型飞机， 技术难度相对较低，对降低航空业碳排放贡献有限；燃氢涡轮发动机可使飞机碳排放降低 50%～75%；氢 燃料电池对气候的影响可降低 75%～90%，但受限于 电池能量密度低、比功率小等问题，仅适用于100座级 以下飞机。燃氢涡轮发动机是中远程飞机的首选推进 系统，是未来氢能航空动力发展的重点，如图2所示。
氢燃料可燃范围宽，火焰传播速度快（最高为航 空煤油的 20 倍），极易着火和燃烧。因此，燃氢涡轮发动机工作包线更宽。理论上燃氢涡轮发动机的空 中起动包线可达到8km 以上，采用氢燃料和传统燃料的涡轮发动机起动包线对比如图3所示。
试验表明，中国1000kW级涡桨发动机采用氢燃料后，贫油熄火边界可拓宽40%，慢车转速可由原来的60%降低到50%以下，且更容易在空气稀薄的高原高寒环境下起动。
氢具有良好的低温特性，定压比热容大、做功能 力更强。基于氢的深冷特性，可设计更先进的间冷热 力循环，使涡轮发动机的单位推力增大和燃料消耗率 降低。研究表明，在涡轮进口温度不变情况下，采用 氢燃料的V2500常规循环涡扇发动机推力可增大2.9%；如采用氢燃料预冷循环，推力可增大9.8%；如利用氢燃料调制冷却循环，推力可增大31.8%；如采用氢燃料预热循环，推力可增大2.1%，如图4所示。
采用氢燃料的 V2500 常规循环涡扇发动机燃料 消耗率可降低 63.6%；如采用氢燃料预冷循环，燃料 消耗率可降低 65.7%；如利用氢燃料调制冷却循环， 燃料消耗率可降低 64.4%；如采用氢燃料预热循环， 燃料消耗率可降低65.1%，如图5所示。
在涡轮进口温度不变的情况下，对中国现有军民 用涡轮发动机采用氢燃料后的性能分析表明，大涵道 比涡扇发动机采用氢燃料后，推力可增大 5%～7%， 如图 6 所示；
加力式涡扇发动机采用氢燃料后，加力推力最多可增大16%，如图7所示；
1000 kW涡桨发动机采用氢燃料后 ，功率最 大 可提高 16%，如图 8所示。
此外，综合利用氢燃料的低温特性有助于发动机 性能提升，基于推力13t级大涵道比涡扇发动机，对采 用传统燃料和采用氢燃料的不同循环构型方案进行了性能分析，发动机单位推力最多可提高15%，燃料消耗率最多可降低72%，如图9所示。
基于推力35 t级大涵道比涡扇发动机，对采用传 统燃料和采用氢燃料的不同循环构型方案进行了性能分析，发动机单位推力最多可增大 32%，单位燃料消耗率最多可降低72%，如图10所示。
