氢燃料飞机的性能优势

 

NACA 研究表明，亚声速（巡航 Ma=0.85）轰炸机发动机采用氢燃料后，航程可达1.5×104 km、飞行高度可超过30km，如图11所示。

 

 

 

美国洛克希德·马丁公司研究表明，氢燃烧时产 生的热量较高，燃料消耗率（SFC）显著降低，可大大 减少飞机燃料重量，从而减轻飞机总质量，在相同的有效载荷下，更轻的液氢飞机虽然需要更大的机身放置液氢储罐，但其所需的机翼面积和翼展却会更小，液氢飞机升阻比损失和燃料消耗率收益之间的权衡是飞机设计的重点。洛克希德·马丁公司的研究结果显示，采用传统燃料Jet A的亚声速飞机质量比液氢飞机高 34%，所需燃料质量是液氢飞机的3倍以上，所需发动机推力是液氢飞机的1.14倍，见表 1；

 

 

 

采用传统燃料Jet A的超声速飞机质量比液氢飞机重93%，所需燃料的质量接近液氢飞机的4倍，所需发动机推力是液氢飞机的1.64倍，见表2。

 

 

氢能飞机及动力发展难点

尽管氢能在航空领域应用的可行性已得到证明， 但实现应用仍面临诸多难点和技术挑战，氢能航空产 业涉及氢燃料生产、存储、输运、加注，涉及安全可靠 的氢能航空动力研发，还涉及机场基础设施建设等， 产业链长、复杂度高、技术难度大，需要进行众多持续 性、颠覆性技术革新和产业链重构，着力解决低成本 制氢、机载安全储氢、氢燃料输运、氢燃料计量控制、氢燃料稳定燃烧、适氢材料与工艺、氢能飞机与发动 机一体化、氢能航空动力运行维护等一系列技术难 点。氢能航空发展的主要难点集中在以下两个方面。

 

1 难在全产业链重构

氢能航空产业链上游涉及制氢产业。目前主要制氢方式包括化石燃料制氢、工业副产品制氢和电解水制氢等3类。其中，化石燃料制氢是主流方式，存在碳排放量高以及气体杂质多等问题。工业副产品制氢目前较为常见，但仍存在碳捕集与封存的技术问题。电解水制氢是最有潜力的绿色氢能生产方式，但受电力价格影响，成本较高。为解决上述问题，需加快布局利用可再生能源电解水制氢产业。

 

氢能航空产业链中游主要涉及氢储运产业，包括 氢燃料的输运、储存和加注等基础硬件。氢燃料储运主要包括高压气态储运、低温液态储运、有机液态储运和固态储运等方式。目前，无论航空公司还是机场配套设施，都不适合氢能飞机的商业化运行，需要基础及配套设施的重新搭建。例如，利用现有天然气管网向机场输送氢气，需要发展氢气的调压装置和掺混装置，实现氢气与天然气的稳定掺混；还需发展高效的氢气液化装置，用于输运到机场氢气的液化。针对氢的低温液态储运，需加快发展液氢储罐等储氢装置及相关产业。同时，氢燃料的加注需利用低温管道将液氢从储存位置输送到飞机上，需在输氢管道和加注终端间加装中继罐等设备，以保证加注系统的压差。针对航空领域氢燃料固态储运和有机液态储运需求，需积极推动低成本固态/液态储氢材料和配套加氢、脱氢产业发展。

 

氢能航空产业链下游涉及氢能应用领域。在氢能航空动力基础零部件领域，将向氢防护涂层及材料、各类氢能泵管阀件与传感器、各种氢换热器等零部件生产制造业拓展；国外航空动力企业除加快燃氢涡轮发动机研究外，也在积极研究氢燃料电池技术。在分系统和整机生产制造与维护领域，以燃氢涡轮发动机为主，向氢燃料电池、电机及电堆集成等行业延伸；氢能航空动力维修，尤其是在线维修，与常规涡轮发动机差异较大，需要更严格的检测标准和维修管理流程；在维修布局上，为避免燃氢涡轮发动机和燃料电池分散维修带来的成本高问题，集中式维修中心是未来产业发展趋势。

 

2  难在全链条颠覆性创新

2.1 低成本制氢技术

 

目前，可再生能源电解水制氢成本仍较高，制备1 kg 氢大约耗电 35～55 kW·h。为有效降低制氢成 本，需大幅降低电价，加快突破电解槽等技术，实现规 模化生产。

 

2.2 机载安全制氢技术

 

储氢技术是氢能航空发展的关键，也是目前限制 氢能大规模应用的技术瓶颈。液氢存储温度极低（低 于-253 ℃），液氢储罐结构和配套冷却系统异常复 杂，需发展新型结构并探索轻质高效绝热材料。固态 储氢安全性较高，也是未来机载储氢的重要发展方 向，需探索高效物理储氢材料，发展具备能够在较低 温度快速释氢的化学储氢材料。

 

2.3 氢燃料输运技术

 

氢燃料输运是实现氢能航空的关键。在发展初 期，探索利用已建设的天然气输运管网与基础设施， 开发天然气和氢气混合输送技术，实现低成本、规模 化、连续性氢能供应。研究表明，在不做重大技术调 整情况下，掺混10%～20%氢至天然气中可以进行管 道输运。天然气掺氢管道输运技术需解决管材、调压 站、流量计、探测器等配套装备的掺氢相容性与适应 性技术，并完善管网安全运行保障技术。同时，研究 天然气管网输运纯氢技术，并发展有机液态输运技 术。液氢输运是未来氢储运发展方向，针对液氢输 运、储存容器，需发展特殊合金和碳纤维增强树脂等 材料，突破液氢用浸液泵和高隔热容器等特殊设备 技术。

 

2.4 高精度氢燃料流量控制技术

 

对于液氢燃料涡轮发动机，当燃料系统中的液态 氢转化为气态时，系统内的压力将出现持续脉动变 化，将表现出特殊的动力学特征和其他故障模式，需 发展高精度的氢燃料流量控制技术。

 

2.5 氢燃料稳定燃烧技术

 

针对氢燃料燃烧温度高、燃烧稳定性差、氮氧化 物排放高、火焰传播速度快且易发生回火，以及液氢 燃料存储温度低、压力高、极易泄漏、易自燃、易扩散、 易爆炸等特点，对于燃氢涡轮发动机，需在氢燃 烧室、燃料管路、燃料控制和热管理系统等方面进行 创新设计，突破燃烧稳定性、回火控制、氮氧化物排放 控制、燃料密封、换热过程精密控制和能量管理等关键技术。

 

2.6 适氢材料与工艺技术

 

燃氢涡轮发动机氢燃料管路长时间在氢环境下 工作，会发生鼓包、裂纹和氢致塑性损失等失效问题；氢燃烧室、涡轮等热端部件长期服役，氢会快速渗透 进入高温合金中，导致高温氢腐蚀开裂失效和氢致表 面脱碳；需研究涉氢热端部件和系统的处理控制工 艺，发展耐高温、高强度、抗氢性好的材料；研究压力 容器和管材热处理及加工工艺；针对发动机管路普遍 存在焊接的情况，研究新型焊接工艺技术，减弱焊接 热影响区的氢致开裂敏感性。

 

2.7 氢能飞机与发动机一体化设计

 

液氢储罐的体积要求及存储条件使氢燃料难以在现有飞机上大量且安全储存。因此，采用氢能航空动力需改变机舱布局、增加机体尺寸以加大氢燃料储存能力，因此，将带来飞机气动外形的变化，需对飞机气动布局开展多目标综合优化，以及氢能航空动力内外流一体化设计等飞发一体化技术研究。

 

2.8 氢能航空动力运行维护技术

 

为保证氢能航空动力运行和维护过程的安全性， 需及时对氢气的压力、温度、泄漏量以及氢气中的含 氧量等参数进行监测并连接到安防设备，必要时采取 控制措施；为及时掌握发动机工作状态，需发展基于 脉动压力和声学的燃烧稳定性测试及辨识技术；为实 现测试参数全域、精细化测量和多参数同步融合测量 及关联分析，提升测量极限，发展多相态、多物理场信 号智能感知与测量技术。

 

 

中国氢能航空发展存在不足

根据全球氢能航空发展动态，结合目前我国航空 业实际情况，分析研判出我国在氢能航空领域的发展 主要存在以下不足之处。

 

1 氢能航空发展缺乏统筹

氢能在航空领域的应用必将带来航空领域一场颠覆性的技术变革，世界各国正在加快布局，这一领域的激烈较量已经拉开序幕。然而，氢能航空产业专业面宽、产业链长、技术难度和挑战巨大，需加强顶层设计、统筹规划，集中全产业链上下游优势力量，共同 打通技术产业结构障碍。目前，中国氢能航空发展尚 缺乏顶层统筹规划，存在多头支持、各自为战现象。

 

2 技术水平多处于低端

目前，中国氢能航空及动力发展多处在应用可行 性验证阶段，而国外早在20世纪50年代就已验证了氢能在航空领域应用的可行性。由于缺少统筹规划、研究基础薄弱、研发力量分散、试验测试条件不足，中国氢能航空发展尚难以形成合力，存在低水平重复、高端燃氢涡轮发动机研究缺少支持的现象。

 

3  氢能产业链有待完善

完整健康的产业链是氢能航空产业发展的前提和基础，目前，中国氢能航空产业链尚不完整、技术体 系尚未建立。需加快打通制约氢能航空全产业发展的关键环节，集中优势力量突破氢能航空特有关键技术（如机载储氢技术），加强机场基础配套设施建设，同时开展适氢的设计技术、材料技术、制造技术和维修技术等研究。

 

中国氢能航空发展对策建议

 

1  创新氢能航空发展机制

 

成立国家级专家组，组织评估氢能航空市场需 求，制定氢能航空产业发展战略与规划，明确氢能航 空发展目标、重点任务和技术发展路线图，建立氢能 航空创新发展机制，为建立氢能航空良性产业生态系 统和产业发展奠定基础。

 

2  加快发展燃氢涡轮发动机

据国际清洁运输委员会（ICCT）统计，干线飞机碳排放量占全球客运航空碳排放量93%，燃氢涡轮发动机被公认为未来绿色中远程客机的首选动力装置。建议以燃氢涡轮发动机为重点，加快推动氢能航空动 力关键技术研究与产品研发。

 

3  健全氢能航空产业链条

联合国内外高校、工业部门、科研机构，搭建跨领域、跨专业、跨学科的协同创新平台，健全氢能航空产业链，组建由民航企业、民航机场、中国商飞、中国航发和国家能源局等单位组成的氢能航空产业联盟，共 同推动氢能航空技术产业化。

 

4  实现全链条颠覆性创新

依托国家级科技创新平台，聚合国内优势力量， 系统开展机载储氢技术、氢能飞机技术、氢能动力技 术、能量综合利用技术、氢防护材料技术和热量综合 管理等氢能航空全链条颠覆性技术创新，为氢能飞机 及动力发展提供技术储备。

 

5  加强氢能航空基础建设

围绕氢能航空动力技术研究与验证需要，加快部 件和整机研究试验设施、试飞平台等科研条件和基础 设施建设，构建安全、稳定、高效的氢能航空动力科研 保障体系。加快论证设置氢能航空学科的可行性，加 快跨专业、跨学科、跨领域的复合型人才培养，为氢能 航空发展提供人才储备。