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一、氫能飛機研究進展概述

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系統(tǒng)，用于區(qū)域航線飛行，并確?？蓴U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。


二、航空發(fā)動機燃氫技術(shù)

目前氫能飛機的動力主要包括氫燃料電池、燃氫發(fā)動機等，相較于氫燃料電池，燃氫發(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)動機從燃油到燃氫，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，在飛機上成功測試了NK88雙燃料（煤油和氫）發(fā)動機。20世紀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)燃氫發(fā)動機和非傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)燃氫發(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，但至今燃氫航空發(fā)動機的研究未見有重大進展。

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)燃氫航空發(fā)動機即在不對發(fā)動機結(jié)構(gòu)進行大改的前提下，實現(xiàn)發(fā)動機燃氫。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。


方案一是在發(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。科切洛等隨后在BR710-48渦扇發(fā)動機上對上述方案進行了試驗，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)。

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，燃氣流經(jīng)頂端循環(huán)內(nèi)的渦輪進入主燃燒室，燃氣內(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。

方案三是高渦輪進口溫度發(fā)動機。就基準發(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。讓燃油得到進一步加熱，冷卻空氣的溫度進一步降低。為了進一步開發(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。


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。 

原標題：一文淺析下氫能飛機的發(fā)展前景