氫燃料是減少航空碳排放最有發(fā)展前景的方向之一。目前，氫動(dòng)力技術(shù)方案有燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)直接燃燒氫氣（氫燃料飛機(jī)）、氫燃料電池電推進(jìn)（氫電池飛機(jī)）以及氫電混合動(dòng)力三種，各大研究機(jī)構(gòu)和商業(yè)公司都在開(kāi)展相關(guān)技術(shù)研究。
氫動(dòng)力技術(shù)已經(jīng)成為一種重要發(fā)展趨勢(shì)。而且除了將液氫作為航空燃料外，科研人員還在研究利用低溫液氫來(lái)冷卻推進(jìn)系統(tǒng)，以提高推進(jìn)效率和減輕飛機(jī)重量。

英國(guó)FlyZero（零碳飛行）

2021年12月6日，英國(guó)航天技術(shù)研究所（ATI）公布了FlyZero液氫動(dòng)力遠(yuǎn)程中型飛機(jī)概念。FlyZero飛機(jī)翼展54m，可載客279名，航程達(dá)5250海里（約9700km），可在倫敦和舊金山之間連續(xù)飛行，航程比A330neo少一點(diǎn)，但是將比目前的任何窄體客機(jī)都要遠(yuǎn)。

FlyZero中型氫動(dòng)力飛機(jī)概念
該飛機(jī)以液氫為燃料，存儲(chǔ)在后機(jī)身及沿前機(jī)身兩側(cè)的低溫燃料罐中，存儲(chǔ)溫度為-250℃（-418℉），外形與普通寬體客機(jī)不同，但速度和舒適度與普通的客機(jī)無(wú)異。在飛行中，通過(guò)液氫消耗的重量調(diào)整來(lái)保持飛機(jī)的重心平衡，并減少對(duì)整機(jī)氣動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需求。

FlyZero項(xiàng)目由英國(guó)ATI牽頭，于2020年7月宣布啟動(dòng)，旨在2030年前研制出零碳排放飛機(jī)。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)計(jì)劃于2022年初發(fā)布三種（支線、窄體和中型）飛機(jī)的詳細(xì)概念。同時(shí)還將公布技術(shù)路線圖、財(cái)務(wù)和市場(chǎng)報(bào)告以及可持續(xù)性評(píng)估。在FlyZero概念飛機(jī)的研制過(guò)程中，已經(jīng)確定了需要研究開(kāi)發(fā)的技術(shù)領(lǐng)域，包括：無(wú)內(nèi)置油箱的機(jī)翼（干式機(jī)翼）、氫氣罐、低溫燃料系統(tǒng)、燃料電池、電力系統(tǒng)以及可直接使用氫氣為燃料的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)。
英國(guó)希望能借FlyZero項(xiàng)目支持在民航領(lǐng)域的世界領(lǐng)先地位，以此創(chuàng)造新的就業(yè)機(jī)會(huì)，實(shí)現(xiàn)零碳目標(biāo)，并引領(lǐng)全球向凈零航空過(guò)渡。

GKN公司H2GEAR

英國(guó)GKN航空航天公司正在牽頭英國(guó)的氫能航空合作應(yīng)用研究項(xiàng)目，該項(xiàng)目稱為H2GEAR（氫電混動(dòng)系統(tǒng)）。該項(xiàng)目于2020年 12 月啟動(dòng)，為期 5 年。
H2GEAR的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)首個(gè)可以應(yīng)用于支線飛機(jī)的氫能電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用液氫（LH2）和燃料電池，并可擴(kuò)展應(yīng)用到較大的飛機(jī)。該項(xiàng)目計(jì)劃在2026年應(yīng)用于氫能支線飛機(jī)，在之后10年內(nèi)通過(guò)發(fā)展氫能航空技術(shù),在英國(guó)創(chuàng)造3000多個(gè)高技術(shù)工作崗位，有望帶動(dòng)168億英鎊的經(jīng)濟(jì)效益。
H2GEAR 項(xiàng)目的前身是GKN公司在2015—2018年進(jìn)行的E-volution可行性研究。該項(xiàng)研究的結(jié)構(gòu)是在一架混電客機(jī)中配置兩臺(tái)傳統(tǒng)燃料渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和一個(gè)中心線電動(dòng)推進(jìn)器以提供減阻附面層攝入。研究發(fā)現(xiàn)，電機(jī)與低溫系統(tǒng)、超導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)一起工作的效率最高，此時(shí)不能采用常規(guī)的能量載體（航空煤油）。不僅需要超導(dǎo)系統(tǒng)，而且還需要一種散裝的致冷劑，這樣就可以將冷凍器從系統(tǒng)中去除，進(jìn)一步減輕重量。研究得出的結(jié)論是，飛機(jī)的環(huán)境性能受到燃料的限制，這意味著研究應(yīng)該轉(zhuǎn)向類似液氫這樣的產(chǎn)品，而為了獲得整體的效益，應(yīng)該轉(zhuǎn)向超導(dǎo)系統(tǒng)，該系統(tǒng)將使用大量的燃料來(lái)產(chǎn)生能量和熱沉。
將電力系統(tǒng)冷卻到低溫，可以減少損耗，提高效率，增加功率密度。冷卻到高溫超導(dǎo)（HTS）材料可以使用的程度，就可以進(jìn)一步減少損耗和重量。但這意味著重量和高維護(hù)成本，因此 H2GEAR項(xiàng)目正在考慮混合電力系統(tǒng)，使用液氫作為燃料推進(jìn)和散熱器冷卻劑。
2021年6月10日，GKN公司的新飛行器概念主管表示，在飛機(jī)上使用液氫作為零排放能量載體，就有可能產(chǎn)生低溫電力系統(tǒng)。在常規(guī)的混電推進(jìn)系統(tǒng)中，航空燃料中儲(chǔ)存的能量由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能，整個(gè)系統(tǒng)的損失會(huì)導(dǎo)致從電源到發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)換效率僅為83%。低溫冷卻將減少這些損失，如果使用超導(dǎo)系統(tǒng)，則可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)95%的轉(zhuǎn)換效率，從而減輕系統(tǒng)重量。
H2GEAR計(jì)劃開(kāi)發(fā)的氫燃料電池推進(jìn)系統(tǒng)，其峰值功率為 1.25～2 兆瓦，并配裝有一臺(tái)低溫電機(jī)。液氫冷卻電機(jī)至低溫，加熱并變成氣態(tài)氫，在燃料電池中被消耗，由此產(chǎn)生電力以驅(qū)動(dòng)電機(jī)。為了與飛機(jī)集成，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)綜合飛機(jī)概念，包括兩個(gè)獨(dú)立、分離的推進(jìn)系統(tǒng)，從燃料箱到發(fā)動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)后機(jī)身的推進(jìn)器。這是一架航程為500 海里的小型支線客機(jī)。

H2GEAR項(xiàng)目研究的混合氫/電客機(jī)GKN公司認(rèn)為，這是一種逐步從低溫冷卻的傳統(tǒng)電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)到部分超導(dǎo)、最終實(shí)現(xiàn)完全超導(dǎo)系統(tǒng)的方法。目前，有些技術(shù)在地面上是成熟的，比如電纜和低溫系統(tǒng)的電流引線，但超導(dǎo)電機(jī)的技術(shù)還不是那么成熟。

空客ASCEND

液氫在飛機(jī)上的應(yīng)用主要有兩種途徑：第一種是利用低溫冷卻來(lái)提高傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的性能。第二種是利用低溫超導(dǎo)技術(shù)推動(dòng)推進(jìn)技術(shù)的突破，以顯著減少損失，減輕重量，提高飛機(jī)的效率。
2021年4月，空客啟動(dòng)了“先進(jìn)超導(dǎo)和低溫電驅(qū)驗(yàn)證”（Ascend）項(xiàng)目，計(jì)劃研制一套500千瓦低溫超導(dǎo)航空電驅(qū)動(dòng)通用總成驗(yàn)證系統(tǒng)，展示低溫冷卻超導(dǎo)材料在減重、提高電力轉(zhuǎn)換效率方面的潛力，在2028年進(jìn)行飛行演示。
空客認(rèn)為，電驅(qū)動(dòng)技術(shù)目前的研究和短期應(yīng)用集中在輕型飛機(jī)和支線飛機(jī)上，而大型飛機(jī)動(dòng)力需求的安裝重量很大，并會(huì)產(chǎn)生大量熱量。因此，使用低溫超導(dǎo)材料有望增加功率密度，從而減輕電流傳輸系統(tǒng)的重量。空客前期的研究表明，超導(dǎo)材料在航空推進(jìn)系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)有3點(diǎn)：
1.大幅降低電驅(qū)動(dòng)力總成的重量。
2.電氣損耗可能減半，所需的電壓可以降至500V以下，而降低電壓對(duì)于電動(dòng)飛機(jī)來(lái)說(shuō)非常有意義，因?yàn)楦唠妷簳?huì)帶來(lái)諸如電弧和電路保護(hù)等系列問(wèn)題。
3.提高動(dòng)力總成系統(tǒng)的效率，有望達(dá)到96%～98％。

Ascend計(jì)劃將使用地面技術(shù)開(kāi)發(fā)幾個(gè)“模塊”：直流配電網(wǎng)絡(luò)，具有低溫冷卻電流引線、10 m長(zhǎng)的超導(dǎo)電纜和故障保護(hù)器；配備應(yīng)用低溫電力電子技術(shù)的冷電機(jī)控制單元；超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)。

ASCEND的結(jié)構(gòu)圖
該項(xiàng)目將研究500千瓦以內(nèi)的超導(dǎo)電驅(qū)動(dòng)通用總成，其中液態(tài)氫只用于冷卻，而不作為燃料。該項(xiàng)目的目標(biāo)不是服務(wù)于某個(gè)特定機(jī)型，而是旨在證明超導(dǎo)電驅(qū)技術(shù)應(yīng)用的可行性和潛力。eVTOL機(jī)型可能需要幾百千瓦的功率，而大型干線飛機(jī)則需要數(shù)兆瓦的電驅(qū)動(dòng)功率。
ASCEND動(dòng)力總成將包括一個(gè)變速箱，通過(guò)超導(dǎo)電纜和連接器將功率傳遞到電機(jī)控制單元，然后將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，最終通過(guò)超導(dǎo)電機(jī)產(chǎn)生推力。這個(gè)傳輸系統(tǒng)中，一個(gè)低溫系統(tǒng)將為超導(dǎo)組件提供冷卻，低溫介質(zhì)可能是液氫，也可能探索采用液氮或液氦。此前，空客已經(jīng)探索使用零下253℃的液氫作為零排放燃料的可行性。由于液氫必須從該溫度升溫后才能注入燃料電池，因此將其用作熱交換器以冷卻低溫動(dòng)力總成將是雙贏的局面。盡管整個(gè)超導(dǎo)系統(tǒng)需要保持冷態(tài)，但是動(dòng)力總成的不同組件可能需要不同的溫度，例如電纜可能需要-193.15℃，常規(guī)半導(dǎo)體需要-173.15～-123.15℃，因此該項(xiàng)目將著眼于改變液態(tài)氫的溫度或?yàn)槟承┙M件開(kāi)發(fā)特定的冷卻系統(tǒng)。
空客公司將通過(guò)其子公司UpNext在慕尼黑的電動(dòng)飛機(jī)系統(tǒng)研究所建造該超導(dǎo)動(dòng)力總成，將測(cè)試可適用于多種發(fā)動(dòng)機(jī)的解決方案（如渦槳、渦扇和混合動(dòng)力）。測(cè)試計(jì)劃在2023年底完成，這些結(jié)果將用于驗(yàn)證系統(tǒng)模塊的模型，這些模塊可以從100千瓦放大到兆瓦級(jí)的功率水平，供空客在不同的飛機(jī)研究中使用。
如果基于地面技術(shù)的Ascend計(jì)劃第 1 階段測(cè)試取得成功，那么在2024—2025年中期的第2階段將開(kāi)發(fā)針對(duì)飛機(jī)的技術(shù)和目標(biāo)飛機(jī)的動(dòng)力總成。2026—2028年的第三階段將進(jìn)行動(dòng)力總成的飛行測(cè)試。

結(jié)束語(yǔ)

要實(shí)現(xiàn)綠色航空，液氫是最適合的燃料，可是它需要極大的冷卻系統(tǒng)和存儲(chǔ)系統(tǒng)。要產(chǎn)生同樣的能量，氫需要的體積是航空燃油的4倍，所以需要對(duì)飛行器進(jìn)行重大革新。從機(jī)體布局到發(fā)動(dòng)機(jī)，再到燃料儲(chǔ)存系統(tǒng)，幾乎所有的部件都需要重新設(shè)計(jì)。
與此同時(shí)，氫能源的利用并不簡(jiǎn)單，需要供應(yīng)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)共同發(fā)力。首先是氫的生產(chǎn)制造。工業(yè)用氫目前只有4%是通過(guò)電解制備的，其余如甲烷蒸氣轉(zhuǎn)化法和煤炭氣化法等都會(huì)產(chǎn)生副產(chǎn)物二氧化碳，這與利用氫能源實(shí)現(xiàn)航空業(yè)低碳發(fā)展的初衷是背道而馳。即便是電解法，如果不利用可再生能源發(fā)電的話，也無(wú)法成為“綠色”氫能源。其次，即使不計(jì)算儲(chǔ)存費(fèi)用，“綠色”氫氣的生產(chǎn)成本接近航空煤油的3倍。
另外，氫能源基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)應(yīng)與技術(shù)攻關(guān)同步進(jìn)行，其中的關(guān)鍵就是如何由工廠向機(jī)場(chǎng)輸送液氫以及如何在機(jī)場(chǎng)給飛機(jī)加氫。目前，有研究表明利用現(xiàn)有天然氣網(wǎng)絡(luò)改造實(shí)現(xiàn)氫氣運(yùn)輸是可能的，只是需要大量的資金支持。如何安全、有效地使用氫能，還需要政府監(jiān)管機(jī)構(gòu)、研制廠商等共同協(xié)作，實(shí)現(xiàn)管理措施、關(guān)鍵技術(shù)等方面的創(chuàng)新突破。