根據(jù)麥肯錫咨詢公司開展的一項研究顯示：燃?xì)鉁u輪發(fā)動機直接燃?xì)?，可以將飛機排放氣體等對氣候的影響降低50%～75%；如果使用氫燃料電池來驅(qū)動電機，其對氣候影響的正向效益將提高到75%～90%。當(dāng)前，世界各國都紛紛開展了大量氫能飛機及動力系統(tǒng)的研究，動力方案主要有氫燃料發(fā)動機、氫燃料電池和氫燃料電池混合電推進(jìn)系統(tǒng)等，推動了氫能飛機的發(fā)展。但不可否認(rèn)的是，這些技術(shù)的發(fā)展程度離氫能飛機的商業(yè)應(yīng)用尚有一定的差距，除了燃?xì)浒l(fā)動機的改造問題需要解決以外，還需要攻克氫的制備和儲存等一系列難題。

空客多方案并進(jìn)推進(jìn)氫能飛行技術(shù)發(fā)展

空客公司目前正在研究利用氫能制造合成燃料、氫燃料電池、可以直接使用氫燃料的改進(jìn)型渦扇發(fā)動機和使用氫燃料和燃料電池的混合動力系統(tǒng)的氫能飛機方案。

空客發(fā)布帶吊艙的氫能飛機概念

2020年9月，空客公司發(fā)布了3個名為ZEROe的氫能飛機概念：渦扇氫混合動力、渦槳氫混合動力和翼身融合混合動力。其中，翼身融合飛機由兩臺氫燃料渦扇發(fā)動機提供動力，液氫儲存和分配系統(tǒng)位于后增壓艙，預(yù)計能搭載120～200名乘客，航程為3700km左右；渦槳氫混合動力飛機的液氫儲存和分配系統(tǒng)設(shè)計與第一種類似，只是換成了兩臺氫燃料渦槳發(fā)動機驅(qū)動六葉螺旋槳提供推力，搭載乘客100名左右，瞄準(zhǔn)短程飛行市場；渦扇氫混合動力液氫儲罐位于機翼下方，內(nèi)部空間較為寬敞，主動力仍為兩臺氫燃料渦扇發(fā)動機。

2020年12月，空客公司又公布了一種以6個推進(jìn)吊艙為主要特征的全新氫動力飛機構(gòu)型，每個吊艙有各自獨立的液氫儲罐、冷卻系統(tǒng)、燃料電池、電力電子裝置、電動機、八葉螺旋槳和其他必要的輔助設(shè)備組成。2021年3月，空客公司透露其從2016年開始建設(shè)電動飛機系統(tǒng)試驗中心，該中心可開展混合電推進(jìn)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計集成、電推進(jìn)子系統(tǒng)集成、替代能源發(fā)電系統(tǒng)（可持續(xù)航空燃料、氫）等技術(shù)的試驗，該設(shè)施目前的核心任務(wù)是ZEROe氫動力飛行器項目。目前，ZEROe項目還停留在概念演示階段，根據(jù)空客公司公布的氫動力飛機發(fā)展時間表，將在2024—2025年完成氫動力相關(guān)技術(shù)的選擇，主要是氫燃料電池推進(jìn)、氫燃料燃?xì)廨啓C、氫燃料電池+氫燃料燃?xì)廨啓C混合動力，在之后5年內(nèi)完成小尺寸技術(shù)驗證機研制，并啟動全尺寸原型機研制工作，以確保在2030—2035年間，實現(xiàn)100座級以上氫動力客機的商業(yè)化。

德國大力推動氫動力技術(shù)發(fā)展，開展兆瓦級氫動力系統(tǒng)研究

德國聯(lián)邦運輸和數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施部于2021年1月宣布，向氫燃料電池航空電驅(qū)總成項目（BALIS）撥款2600萬歐元，由德國航空航天中心（DLR）牽頭，研制以氫燃料電池為動力的大功率航空電驅(qū)總成（單臺功率不低于1.5MW），用于40～60座、1000km航程的支線客機。DLR已經(jīng)在氫能航空技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行了15年的深入研究，HY4氫燃料電池驗證機項目是其中的代表性成果。該項目于2011年開始研究，2016年9月首飛，后續(xù)不斷升級，2020年11月首次試飛了該機第六代氫燃料電池電驅(qū)總成，該驗證機為4座，最大速度200km/h，電機功率120kW，燃料電池單個電堆功率55kW。目前，DLR正在建設(shè)專用試驗設(shè)施，包括儲氫罐、電機系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等，可滿足航空平臺的要求。

英國資助零排放航空氫電替代動力技術(shù)開發(fā)

2021年3月，英國商業(yè)、能源和工業(yè)戰(zhàn)略部（BEIS）宣布投入8460萬英鎊支持開發(fā)開創(chuàng)性的綠色航空技術(shù)，共支持氫電混動系統(tǒng)（H2GEAR）、HyFlyer二期和電動飛機飛行控制、儲能和推進(jìn)綜合系統(tǒng)（InCEPTion）3個研發(fā)項目，重點關(guān)注利用氫或電力作為替代動力開發(fā)零排放航空技術(shù)。H2GEAR項目將開發(fā)創(chuàng)新的液氫電動混合推進(jìn)系統(tǒng)，用于區(qū)域航線飛行，并確保可擴至更大型飛機用于更長航線。HyFlyer二期計劃研制50座氫燃料電池支線飛機，目標(biāo)是2026年投入商業(yè)運營，2024年將有19座以下的名為HyFlyer II的氫燃料電池電動飛機首先投入運營，設(shè)計航程560km。InCEPTion項目將開發(fā)全電動零排放推進(jìn)系統(tǒng)，可用于短途飛行的小型飛機，具備靜音、高效等優(yōu)點。

目前氫能飛機的動力主要包括氫燃料電池、燃?xì)浒l(fā)動機等，相較于氫燃料電池，燃?xì)浒l(fā)動機的發(fā)展較為緩慢，這跟氫燃料與航空煤油的許多特性的不同有密切關(guān)系，航空發(fā)動機從燃油到燃?xì)?，對結(jié)構(gòu)設(shè)計尤其是燃燒室的設(shè)計帶來了挑戰(zhàn)。20世紀(jì)80年代，蘇聯(lián)便在航空發(fā)動機上使用氫燃料開展了試驗研究，在圖-155飛機上成功測試了NK88雙燃料（煤油和氫）發(fā)動機。20世紀(jì)90年代后，氫能飛機的研究從軍用擴展至民用。2000年，歐盟資助了一項為期兩年的低溫民用飛機項目（CRYPLANE），系統(tǒng)研究了液氫在民用航空亞聲速飛行領(lǐng)域使用液氫的可能性，研究內(nèi)容包括傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)燃?xì)浒l(fā)動機和非傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)燃?xì)浒l(fā)動機。自2000年低溫民用飛機項目后，盡管空客公司在2020年提出了氫能飛機方案，但至今燃?xì)浜娇瞻l(fā)動機的研究未見有重大進(jìn)展。

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)燃?xì)浒l(fā)動機

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)燃?xì)浜娇瞻l(fā)動機即在不對發(fā)動機結(jié)構(gòu)進(jìn)行大改的前提下，實現(xiàn)發(fā)動機燃?xì)?。為了提升氫的溫度，突破燃油控制系統(tǒng)極限，同時實現(xiàn)效益最大化，需要采用換熱器。換熱器位置不同，則發(fā)動機結(jié)構(gòu)不同，而在加入換熱器后，發(fā)動機熱力循環(huán)必然發(fā)生變化，需要對一些部件做一些小更改。例如，西班牙學(xué)者科切洛（Corchero）和蒙塔涅斯（Montanes）等人提出了3種方案：在發(fā)動機主流中插入換熱器；從主流中引一部分空氣流經(jīng)換熱器，再從發(fā)動機下游氣動截面返回主流；把換熱器放到外部氣流中，即置于發(fā)動機外部?？魄新宓入S后在BR710-48渦扇發(fā)動機上對上述方案進(jìn)行了試驗，結(jié)果表明，外部換熱器方案具備諸多優(yōu)點，耗油率也低，但是會帶來發(fā)動機結(jié)構(gòu)問題；低壓渦輪出口換熱器方案雖然也具備耗油率優(yōu)勢，但推力損失較大。從發(fā)動機部件匹配工作角度而言，需縮短渦輪半徑，所幸縮短的尺寸在渦輪半徑公差范圍內(nèi)。

非傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)燃?xì)浒l(fā)動機

研究非傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)燃?xì)浒l(fā)動機的機構(gòu)較多，但方案差別不大。例如，英國克蘭菲爾德大學(xué)的博賈 （Boggia）等人在V2527-A5發(fā)動機上研究了3種非傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)燃?xì)浒l(fā)動機方案。

方案一是前冷發(fā)動機。該方案用液氫的吸熱能力冷卻壓氣機空氣，為壓氣機節(jié)省一部分功；另外，材料耐高溫性能基于壓縮空氣的最高溫度，采用中間冷卻可以匹配更高的總壓比，也能提升發(fā)動機性能。以V2527-A5作為基準(zhǔn)發(fā)動機，液氫通過增壓級進(jìn)口前的換熱器后，可被蒸發(fā)加熱至280K（起飛條件下），核心氣流冷卻近25K。

前冷發(fā)動機方案

方案二是頂端循環(huán)發(fā)動機。該方案包括主渦扇發(fā)動機和頂端回路。來自主發(fā)動機的一部分壓縮空氣從高壓壓氣機引出，進(jìn)入頂端回路。這部分壓縮空氣先經(jīng)氫—空氣換熱器完成預(yù)冷，然后和所有燃料一起在頂端回路燃燒室內(nèi)富油燃燒，燃?xì)饬鹘?jīng)頂端循環(huán)內(nèi)的渦輪進(jìn)入主燃燒室，燃?xì)鈨?nèi)的氫與主流空氣摻混，充分燃燒，然后在主發(fā)動機渦輪內(nèi)膨脹。該循環(huán)的主要目的是增大發(fā)動機輸出的凈推力。此外，在給定頂端回路工作介質(zhì)高焓值條件下，增加的渦輪機械的質(zhì)量相對于提取的功率而言并不多。

頂端循環(huán)發(fā)動機方案

方案三是高渦輪進(jìn)口溫度發(fā)動機。就基準(zhǔn)發(fā)動機V2527-A5而言，其冷卻空氣有15%來自壓氣機出口，用于冷卻渦輪導(dǎo)向葉片和高壓渦輪第一級轉(zhuǎn)子，冷卻空氣的溫度越低，則葉片冷卻效果更好，渦輪材料極限溫度相同條件下，渦輪進(jìn)口溫度就可以越高。在該方案中，在低壓渦輪前額外增加了一個氫—空氣換熱器，液氫首先通過基準(zhǔn)發(fā)動機內(nèi)的主換熱器蒸發(fā)和預(yù)熱，然后流經(jīng)第二個換熱器。讓燃油得到進(jìn)一步加熱，冷卻空氣的溫度進(jìn)一步降低。為了進(jìn)一步開發(fā)渦輪功率，將發(fā)動機的涵道比從4.8 : 1增至6.5 : 1。為了驅(qū)動更大的風(fēng)扇，額外增加了兩級低壓渦輪。

高渦輪進(jìn)口溫度發(fā)動機方案

試驗結(jié)果表明，運用液氫燃料的吸熱能力可有效提升發(fā)動機性能，降低發(fā)動機運行成本。其中，方案一、方案三可節(jié)省約3%的運行成本，而且不需要額外增加渦輪機械，在技術(shù)上可行，從安全的角度也是可以實施的。

燃機燃?xì)浼夹g(shù)

燃機的技術(shù)與航空發(fā)動機相似，部分燃機由航空發(fā)動機衍生發(fā)展而來，其燃?xì)浼夹g(shù)對航空發(fā)動機燃燒室等部件的設(shè)計有一定的借鑒意義。目前，西門子和GE等公司都在進(jìn)行燃機燃?xì)浼夹g(shù)研究，其中西門子公司采用干低排放燃燒室（DLE）技術(shù)和濕低排放燃燒室（WLE）技術(shù)，目標(biāo)是實現(xiàn)百分之百燃?xì)?。DLE燃燒系統(tǒng)一般采用渦流穩(wěn)定火焰結(jié)合貧油預(yù)混在不稀釋燃料的前提下實現(xiàn)低NO_x排放，非DLE燃燒技術(shù)則采用擴散火焰或部分預(yù)混火焰。

西門子大型燃機SGT5/6-2000E和SGT5/6-4000F采用HR3火焰筒設(shè)計?；诨旌匣鹧嫱哺拍睿琀R3采用中央導(dǎo)向旋流器和同心對角旋流器，通過旋流器葉片（SFI）注入燃?xì)?。SGT5/6-5000F和SGT5/6-8000F燃機則采用超低NO_x平臺燃燒系統(tǒng)（ULN/PCS），該系統(tǒng)將SFI技術(shù)與預(yù)混導(dǎo)向和同心布局主旋流器集成在一起，可以適應(yīng)從純天然氣到氫含量達(dá)到30%體積的混合燃?xì)?，目?biāo)是2030年實現(xiàn)百分之百燃?xì)?。中型燃機SGT-750燃機配備結(jié)合中央導(dǎo)流預(yù)混和徑向主旋流器的第4代DLE火焰筒，試驗表明SGT-750燃機最高可使用氫體積含量為40%的混合燃料。航空發(fā)動機衍生燃機SGT-A35和SGT-A65采用軸向分級DLE火焰筒（第一級采用徑向旋流器，第二級采用位于軸向下游的非旋流預(yù)混管道），目前這兩型燃機的燃料氫體積含量最高達(dá)到了15%。

西門子航空發(fā)動機衍生燃機的非DLE系統(tǒng)改良自航空發(fā)動機應(yīng)用，可以在氣態(tài)和液態(tài)燃料之間切換，通過注水降低火焰溫度的方式降低NO_x排放。SGT-A65和SGT-A45采用第五代燃燒系統(tǒng)，而SGT-A35采用第二代燃燒系統(tǒng)。以上3種非DLE燃機都具備燃燒純氫燃料的能力。

氫的能量密度接近40kW·h/kg，是傳統(tǒng)汽油的近3倍，而且其燃燒產(chǎn)物為水，對環(huán)境無污染。但是氫作為飛機燃料，也存在一些缺點，如體積密度小和易燃易爆導(dǎo)致的儲運困難。相較于傳統(tǒng)航空燃油，液氫燃料需要額外占據(jù)3倍體積，壓縮氫氣則需要額外占據(jù)5倍體積。目前氫能儲存技術(shù)主要有以下幾種：高壓儲氫、液化儲氫、固態(tài)儲氫和有機氫化物儲氫。

高壓儲存室是應(yīng)用最廣的一種儲存方式，通常采用氣瓶作為容器。由于氫密度小、儲氫效率低，故需加大壓力來提高攜氫量，但加壓有可能導(dǎo)致氫分子從容器壁溢出或產(chǎn)生氫脆現(xiàn)象。

將溫度降至-253℃以下，可以實現(xiàn)液態(tài)儲氫，這種儲存方式體積儲氫密度高，適合于航空應(yīng)用。但長時間存放會出現(xiàn)氫氣排盡現(xiàn)象，且因為液氫儲存溫度低，需要復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)和高度絕緣的球形或緊湊圓柱體儲罐，導(dǎo)致整個燃料系統(tǒng)的質(zhì)量能量密度下降。另外，傳統(tǒng)機翼油箱無法采用，需要引入革命性機體設(shè)計思路，如翼身融合結(jié)構(gòu)或分布式氫燃料電池推進(jìn)系統(tǒng)。

通過氫氣與材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或者物理吸附將氫儲存于固體材料中可實現(xiàn)固體儲氫，具有體積儲氫密度高、儲氫壓力低、結(jié)構(gòu)緊湊、安全性高和氫氣純度高等優(yōu)點，缺點是質(zhì)量儲氫密度低和成本高。目前常用的儲氫材料主要為不飽和芳烴與對應(yīng)氧化物（環(huán)烷烴），可以在不破壞碳環(huán)的主體結(jié)構(gòu)下加氫和脫氫，反應(yīng)可逆，具有儲存密度高、安全和儲運方便的優(yōu)點，在規(guī)?；瘍\氫方面有廣闊的發(fā)展前景，但同時也存在工藝復(fù)雜、釋氫效率低等不足。

在減排壓力下，世界各國都在尋求以氫作為綠色航空的出路，計劃在2035年左右實現(xiàn)氫能飛機的商業(yè)化。目前，對氫燃料電池方案的探索比較多，功率水平大概在100kW級左右，載客量為10座以下，應(yīng)用對象為通用飛機，更大載客量（如幾十座）的支線飛機，則需要幾百千瓦至兆瓦級的燃料電池。只有空客公司計劃研究氫能渦扇和渦槳混合動力方案，但也并未完全確定其氫能飛機到底是采用氫燃料電池還是燃?xì)浒l(fā)動機作為動力。另外，不管是氫燃料電池還是燃?xì)浒l(fā)動機，都繞不開氫儲存的難題，目前，空客公司提出的翼身融合方案和以推進(jìn)吊艙為特征的分布式氫推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或許能在一定程度上解決氫在飛機上儲存難的問題。