[技术前沿]液态氢将成为喷气飞机未来的燃料

氢动力航空班机得到起飞许可。

2023年3月，在华盛顿州摩西湖附近，一架40座冲锋8（Dash 8）涡轮螺旋桨飞机飞向清澈蔚蓝的天空。这次起飞乍看没什么特别，但驱动它左侧螺旋桨的是一台由氢燃料电池提供动力的1兆瓦电动机，驱动右侧螺旋桨的则是一台普通的普惠涡轮螺旋桨发动机，这是迄今为止使用氢燃料飞行的最大的飞机。

继1月加州初创公司ZeroAvia试飞一架19座多尼尔228螺旋桨飞机后，加州霍桑的环球氢能公司（Universal Hydrogen）也进行了15分钟的试飞。这两家公司的首席执行官都称，这些都是可持续航空“历史性的”里程碑事件。这两家公司均表示，到2025年，将实现改装涡轮螺旋桨飞机的商业飞行。法国航空巨头空客公司则有着更宏伟的计划，该公司计划于2026年对A380客机进行示范飞行，该飞机届时将同时使用氢燃料电池和氢气燃料的发动机。此外，罗尔斯•罗伊斯公司也在氢气燃料飞机发动机方面取得了进展。

美国加州初创公司环球氢能公司正在测试一架涡轮螺旋桨飞机原型机，该飞机由两个氢燃料电池提供一部分动力。

在全球碳排放量中，航空业约占2.5%，该行业已承诺到2050年实现净零排放。实现这一目标需要采取多条路线，包括可持续燃料、混合电动引擎和电池-电动飞机。

氢气是另一种有潜力的路线。无论是用于燃料电池发电，还是作为发动机燃料，氢气都可与氧气结合并释放水蒸气。如果绿色氢气能扩大用于卡车和船舶，那么它可能会是一种没有电池所存在的环境问题的低成本燃料。

虽然氢气飞行会带来存储和认证方面的挑战，但航空公司目前正在做基础工作，以期到2025年实现使用氢气的飞行。“氢气正在飞向天空，我们将把它带到那里。”空客美洲公司负责研究和技术的副总裁阿曼达•辛普森（Amanda Simpson）说。

氢气不仅是最充足的元素，也是最轻的元素，这对于对抗重力的行业来说非常关键，按重量计算，其能量是航空燃料的3倍。氢气的问题在于其体积。为了运输，它必须以高压缩气体或低温液体的形式存储在重型储罐中。

ZeroAvia正在使用压缩氢气，这种方式已经被批准用于公路运输。该公司试飞的飞机在机舱内有两个氢燃料电池和储罐，但为了加快在美国和欧洲通过认证，该团队目前正在考虑一种创造性的紧凑系统，对飞机设计进行最小限度的修改。尽管燃料电池增加的重量会缩短飞行距离，“但这不是问题，因为飞机的设计飞行距离比实际用到的距离远得多。”公司战略副总裁詹姆斯•麦克米金（James McMicking）说。

该公司得到了包括比尔•盖茨和杰夫•贝索斯在内的投资者的支持，并与英国航空公司和联合航空公司建立了合作伙伴关系。该公司预购了1500个氢电动力系统，其中一半用于400公里航程的9至19座小型飞机。

到2027年，ZeroAvia计划改装更大的70座涡轮螺旋桨飞机，使航程增加1倍，可广泛用于欧洲。为此该公司正在开发5兆瓦电动机，并计划改用能量密度更高的液态氢，以节省空间并减轻重量。麦克米金说，这种燃料对于航空业来说很新颖，可能需要更长的监管审批程序。

接下来，将是用于100座至150座飞机的10兆瓦动力系统，“这是行业的主力。”他说。这些飞机（例如波音737）造成了60%的航空排放。采用氢气减少排放需要更高效的燃料电池。他说，ZeroAvia正在研究专利高温燃料电池，这种电池能够重复利用所产生的大量废热。“我们的设计和技术线路图将带领我们进入喷气引擎的动力领域。”麦克米金说。

以化石燃料为基础的传统飞机会将燃料从燃料罐输送到喷气发动机(上图)。氢动力系统(下图)则会使用液体氢或高度压缩的氢气作为燃料，可直接在内燃机中燃烧，也可通过燃料电池转化为电力以驱动电动机。

环球氢能公司将空客公司、美国航空公司和通用电气航空公司列为战略投资者，正在将赌注押在液态氢上。该公司的联合创始人兼首席执行官保罗•艾雷门科（Paul Eremenko）表示，这家初创公司是“一家以氢气供应和物流为核心的公司”，随着氢气航空业的发展，希望确保氢气航空业拥有一个无缝交付网络。该公司会采购绿色氢，将其转化为液体形态，并将其放在技术含量相对较低的隔热铝罐中，通过公路、铁路或船舶来运输。“我们希望在2025年获得美国联邦航空管理局（FAA）的认证，这意味着，它们不能是科学项目。”他说。

艾雷门科说，预计到2025年，绿色氢气的成本将与喷气燃料大致相同。不过，“没有人能提供令人难以置信的氢气飞机解决方案，这是一个先有鸡还是先有蛋的问题。”

为了解决这个问题，环球氢能公司与领先的燃料电池制造商Plug Power展开了合作，以便为区域涡轮螺旋桨飞机开发几千个转换套件。借助这些套件，操作员可以将发动机更换为燃料电池组、动力电子设备和一个2兆瓦电动机，这些都将安装在一台现有的外壳中。该公司的竞争对手在起飞时使用了电池作为缓冲，而艾雷门科表示，环球氢能公司则使用了巧妙的算法来管理燃料电池，使其加速并快速响应。“我们是氢气领域的‘胶囊咖啡’。”艾雷门科说，“我们购买别人的‘咖啡’，将其装进‘胶囊’，然后交付给客户。不过我们必须制造第一台咖啡机。我们是唯一一家同时既‘孵蛋’又‘下蛋’的公司。”

与大型中央发动机相比，燃料电池有一定的优势。制造商可以在飞机上分散部署小型推进电动机，这给了他们更多的设计自由。此外，由于没有高温活动部件，维护成本也会更低。对于长途飞机而言，大功率燃料电池的重量和复杂性会使氢燃料引擎更具吸引力。

空客公司正在考虑为其ZEROe氢气飞机系统提供燃料电池和燃烧推进装置。该公司与德国汽车燃料电池制造商Elring Klinger合作，并与CFM国际公司合作，生产直接燃烧发动机，CFM国际是通用电气航空和赛峰集团的合资企业。要在当今的发动机中燃烧液态氢，预计需稍作改动，例如实现更短的燃烧室和更好的密封。

辛普森说，空客公司也在评估混合动力推进概念，在同一传动轴上安装氢气发动机驱动的涡轮机和氢气燃料电池驱动的电动机。“然后就可以对其进行优化，这样就能在起飞和爬升时同时使用两个推进系统，从而在巡航时关闭一个推进系统。”

该公司并不局限于简单地重新设计飞机。辛普森说，氢气罐可以放在飞机顶部的穹顶舱、机翼下的吊舱或后部的大型罐中。如果不像传统飞机那样在机翼中有液体燃料，她说：“你就可以优化机翼的空气动力学性能，让它们更薄或更长。或者使机翼与机身融成一体，这可能会大有不同。这给优化飞机效率带来了机会。”这种新型飞机的认证可能需要数年，空客公司预计无法在2035年以前实现商业飞行。

麦肯锡公司的分析师罗宾•利德尔（Robin Riedel）说，考虑到目前制造的常规飞机的寿命为25年至30年，这些飞机将在2050年左右过淘汰。可持续燃料是它们唯一的绿色选择。他说，氢气能够发挥作用，方法是通过“动力转液体技术，将氢气与捕获到的二氧化碳混合，制成航空燃料”。

即便如此，利德尔认为，2050年之前，氢气也很可能只是航空业可持续解决方案的一小部分。“到2070年，氢气将发挥更大的作用。”他说，“但我们现在必须开始使用氢气。”他说，虽然空客公司和波音公司投入氢气解决方案的资金只占航空航天支出的一小部分，但是大型航空公司投资氢燃料公司或订购传动系统“表明人们有这方面的意愿”。

空客公司的辛普森表示，如果航空业要发展，就必须进行清理。生物燃料只是一块垫脚石，因为它们只能减少碳排放，而无法减少其他有害排放。“如果我们要发展清洁航空，就必须从头开始重新思考，这就是ZEROe正在做的事。”她说，“这是一个机会，我们要做出真正革命性的变革，而不是渐进式的改变。”

作者：Prachi Patel