根據(jù)麥肯錫咨詢公司開展的一項(xiàng)研究顯示：燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)直接燃?xì)?，可以將飛機(jī)排放氣體等對(duì)氣候的影響降低50%～75%；如果使用氫燃料電池來驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其對(duì)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(jī)及動(dòng)力系統(tǒng)的研究，動(dòng)力方案主要有氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)、氫燃料電池和氫燃料電池混合電推進(jìn)系統(tǒng)等，推動(dòng)了氫能飛機(jī)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(jī)的商業(yè)應(yīng)用尚有一定的差距，除了燃?xì)浒l(fā)動(dòng)機(jī)的改造問題需要解決以外，還需要攻克氫的制備和儲(chǔ)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(dòng)機(jī)和使用氫燃料和燃料電池的混合動(dòng)力系統(tǒng)的氫能飛機(jī)方案。

空客發(fā)布帶吊艙的氫能飛機(jī)概念

2020年9月，空客公司發(fā)布了3個(gè)名為ZEROe的氫能飛機(jī)概念：渦扇氫混合動(dòng)力、渦槳?dú)浠旌蟿?dòng)力和翼身融合混合動(dòng)力。其中，翼身融合飛機(jī)由兩臺(tái)氫燃料渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，液氫儲(chǔ)存和分配系統(tǒng)位于后增壓艙，預(yù)計(jì)能搭載120～200名乘客，航程為3700km左右；渦槳?dú)浠旌蟿?dòng)力飛機(jī)的液氫儲(chǔ)存和分配系統(tǒng)設(shè)計(jì)與第一種類似，只是換成了兩臺(tái)氫燃料渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)力液氫儲(chǔ)罐位于機(jī)翼下方，內(nèi)部空間較為寬敞，主動(dòng)力仍為兩臺(tái)氫燃料渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。

2020年12月，空客公司又公布了一種以6個(gè)推進(jìn)吊艙為主要特征的全新氫動(dòng)力飛機(jī)構(gòu)型，每個(gè)吊艙有各自獨(dú)立的液氫儲(chǔ)罐、冷卻系統(tǒng)、燃料電池、電力電子裝置、電動(dòng)機(jī)、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(dòng)飛機(jī)系統(tǒng)試驗(yàn)中心，該中心可開展混合電推進(jìn)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)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(yàn)，該設(shè)施目前的核心任務(wù)是ZEROe氫動(dòng)力飛行器項(xiàng)目。目前，ZEROe項(xiàng)目還停留在概念演示階段，根據(jù)空客公司公布的氫動(dòng)力飛機(jī)發(fā)展時(shí)間表，將在2024—2025年完成氫動(dòng)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(jī)、氫燃料電池+氫燃料燃?xì)廨啓C(jī)混合動(dòng)力，在之后5年內(nèi)完成小尺寸技術(shù)驗(yàn)證機(jī)研制，并啟動(dòng)全尺寸原型機(jī)研制工作，以確保在2030—2035年間，實(shí)現(xiàn)100座級(jí)以上氫動(dòng)力客機(jī)的商業(yè)化。

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

德國聯(lián)邦運(yùn)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(xiàng)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(dòng)力的大功率航空電驅(qū)總成（單臺(tái)功率不低于1.5MW），用于40～60座、1000km航程的支線客機(jī)。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(yàn)證機(jī)項(xiàng)目是其中的代表性成果。該項(xiàng)目于2011年開始研究，2016年9月首飛，后續(xù)不斷升級(jí)，2020年11月首次試飛了該機(jī)第六代氫燃料電池電驅(qū)總成，該驗(yàn)證機(jī)為4座，最大速度200km/h，電機(jī)功率120kW，燃料電池單個(gè)電堆功率55kW。目前，DLR正在建設(shè)專用試驗(yàn)設(shè)施，包括儲(chǔ)氫罐、電機(jī)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等，可滿足航空平臺(tái)的要求。

英國資助零排放航空氫電替代動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)（H2GEAR）、HyFlyer二期和電動(dòng)飛機(jī)飛行控制、儲(chǔ)能和推進(jìn)綜合系統(tǒng)（InCEPTion）3個(gè)研發(fā)項(xiàng)目，重點(diǎn)關(guān)注利用氫或電力作為替代動(dòng)力開發(fā)零排放航空技術(shù)。H2GEAR項(xiàng)目將開發(fā)創(chuàng)新的液氫電動(dòng)混合推進(jìn)系統(tǒng)，用于區(qū)域航線飛行，并確保可擴(kuò)至更大型飛機(jī)用于更長航線。HyFlyer二期計(jì)劃研制50座氫燃料電池支線飛機(jī)，目標(biāo)是2026年投入商業(yè)運(yùn)營，2024年將有19座以下的名為HyFlyer II的氫燃料電池電動(dòng)飛機(jī)首先投入運(yùn)營，設(shè)計(jì)航程560km。InCEPTion項(xiàng)目將開發(fā)全電動(dòng)零排放推進(jìn)系統(tǒng)，可用于短途飛行的小型飛機(jī)，具備靜音、高效等優(yōu)點(diǎn)。

目前氫能飛機(jī)的動(dòng)力主要包括氫燃料電池、燃?xì)浒l(fā)動(dòng)機(jī)等，相較于氫燃料電池，燃?xì)浒l(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)從燃油到燃?xì)?，?duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤其是燃燒室的設(shè)計(jì)帶來了挑戰(zhàn)。20世紀(jì)80年代，蘇聯(lián)便在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上使用氫燃料開展了試驗(yàn)研究，在圖-155飛機(jī)上成功測試了NK88雙燃料（煤油和氫）發(fā)動(dòng)機(jī)。20世紀(jì)90年代后，氫能飛機(jī)的研究從軍用擴(kuò)展至民用。2000年，歐盟資助了一項(xiàng)為期兩年的低溫民用飛機(jī)項(xiàng)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(dòng)機(jī)和非傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)燃?xì)浒l(fā)動(dòng)機(jī)。自2000年低溫民用飛機(jī)項(xiàng)目后，盡管空客公司在2020年提出了氫能飛機(jī)方案，但至今燃?xì)浜娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)的研究未見有重大進(jìn)展。

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)燃?xì)浒l(fā)動(dòng)機(jī)

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)燃?xì)浜娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)即在不對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行大改的前提下，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)?。為了提升氫的溫度，突破燃油控制系統(tǒng)極限，同時(shí)實(shí)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(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)不同，而在加入換熱器后，發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)必然發(fā)生變化，需要對(duì)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)下游氣動(dòng)截面返回主流；把換熱器放到外部氣流中，即置于發(fā)動(dòng)機(jī)外部?？魄新宓入S后在BR710-48渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上對(duì)上述方案進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明，外部換熱器方案具備諸多優(yōu)點(diǎn)，耗油率也低，但是會(huì)帶來發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)

研究非傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)燃?xì)浒l(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)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(dòng)機(jī)上研究了3種非傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)燃?xì)浒l(fā)動(dòng)機(jī)方案。

方案一是前冷發(fā)動(dòng)機(jī)。該方案用液氫的吸熱能力冷卻壓氣機(jī)空氣，為壓氣機(jī)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(dòng)機(jī)性能。以V2527-A5作為基準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)，液氫通過增壓級(jí)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(dòng)機(jī)方案

方案二是頂端循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。該方案包括主渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)和頂端回路。來自主發(fā)動(dòng)機(jī)的一部分壓縮空氣從高壓壓氣機(jī)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(dòng)機(jī)渦輪內(nèi)膨脹。該循環(huán)的主要目的是增大發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)械的質(zhì)量相對(duì)于提取的功率而言并不多。

頂端循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)方案

方案三是高渦輪進(jìn)口溫度發(fā)動(dòng)機(jī)。就基準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)V2527-A5而言，其冷卻空氣有15%來自壓氣機(jī)出口，用于冷卻渦輪導(dǎo)向葉片和高壓渦輪第一級(jí)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(gè)氫—空氣換熱器，液氫首先通過基準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的主換熱器蒸發(fā)和預(yù)熱，然后流經(jīng)第二個(gè)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(dòng)機(jī)的涵道比從4.8 : 1增至6.5 : 1。為了驅(qū)動(dòng)更大的風(fēng)扇，額外增加了兩級(jí)低壓渦輪。

高渦輪進(jìn)口溫度發(fā)動(dòng)機(jī)方案

試驗(yàn)結(jié)果表明，運(yùn)用液氫燃料的吸熱能力可有效提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能，降低發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行成本。其中，方案一、方案三可節(jié)省約3%的運(yùn)行成本，而且不需要額外增加渦輪機(jī)械，在技術(shù)上可行，從安全的角度也是可以實(shí)施的。

燃機(jī)燃?xì)浼夹g(shù)

燃機(jī)的技術(shù)與航空發(fā)動(dòng)機(jī)相似，部分燃機(jī)由航空發(fā)動(dòng)機(jī)衍生發(fā)展而來，其燃?xì)浼夹g(shù)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室等部件的設(shè)計(jì)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(jī)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(shí)現(xiàn)百分之百燃?xì)洹LE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(shí)現(xiàn)低NO_x排放，非DLE燃燒技術(shù)則采用擴(kuò)散火焰或部分預(yù)混火焰。

西門子大型燃機(jī)SGT5/6-2000E和SGT5/6-4000F采用HR3火焰筒設(shè)計(jì)?；诨旌匣鹧嫱哺拍?，HR3采用中央導(dǎo)向旋流器和同心對(duì)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(jī)則采用超低NO_x平臺(tái)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(shí)現(xiàn)百分之百燃?xì)?。中型燃機(jī)SGT-750燃機(jī)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(yàn)表明SGT-750燃機(jī)最高可使用氫體積含量為40%的混合燃料。航空發(fā)動(dòng)機(jī)衍生燃機(jī)SGT-A35和SGT-A65采用軸向分級(jí)DLE火焰筒（第一級(jí)采用徑向旋流器，第二級(jí)采用位于軸向下游的非旋流預(yù)混管道），目前這兩型燃機(jī)的燃料氫體積含量最高達(dá)到了15%。

西門子航空發(fā)動(dòng)機(jī)衍生燃機(jī)的非DLE系統(tǒng)改良自航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)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(duì)環(huán)境無污染。但是氫作為飛機(jī)燃料，也存在一些缺點(diǎn)，如體積密度小和易燃易爆導(dǎo)致的儲(chǔ)運(yùn)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(chǔ)存技術(shù)主要有以下幾種：高壓儲(chǔ)氫、液化儲(chǔ)氫、固態(tài)儲(chǔ)氫和有機(jī)氫化物儲(chǔ)氫。

高壓儲(chǔ)存室是應(yīng)用最廣的一種儲(chǔ)存方式，通常采用氣瓶作為容器。由于氫密度小、儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)液態(tài)儲(chǔ)氫，這種儲(chǔ)存方式體積儲(chǔ)氫密度高，適合于航空應(yīng)用。但長時(shí)間存放會(huì)出現(xiàn)氫氣排盡現(xiàn)象，且因?yàn)橐簹鋬?chǔ)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(chǔ)罐，導(dǎo)致整個(gè)燃料系統(tǒng)的質(zhì)量能量密度下降。另外，傳統(tǒng)機(jī)翼油箱無法采用，需要引入革命性機(jī)體設(shè)計(jì)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(chǔ)存于固體材料中可實(shí)現(xiàn)固體儲(chǔ)氫，具有體積儲(chǔ)氫密度高、儲(chǔ)氫壓力低、結(jié)構(gòu)緊湊、安全性高和氫氣純度高等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是質(zhì)量儲(chǔ)氫密度低和成本高。目前常用的儲(chǔ)氫材料主要為不飽和芳烴與對(duì)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(chǔ)存密度高、安全和儲(chǔ)運(yùn)方便的優(yōu)點(diǎn)，在規(guī)?；瘍?chǔ)運(yùn)氫方面有廣闊的發(fā)展前景，但同時(shí)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(jì)劃在2035年左右實(shí)現(xiàn)氫能飛機(jī)的商業(yè)化。目前，對(duì)氫燃料電池方案的探索比較多，功率水平大概在100kW級(jí)左右，載客量為10座以下，應(yīng)用對(duì)象為通用飛機(jī)，更大載客量（如幾十座）的支線飛機(jī)，則需要幾百千瓦至兆瓦級(jí)的燃料電池。只有空客公司計(jì)劃研究氫能渦扇和渦槳混合動(dòng)力方案，但也并未完全確定其氫能飛機(jī)到底是采用氫燃料電池還是燃?xì)浒l(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力。另外，不管是氫燃料電池還是燃?xì)浒l(fā)動(dòng)機(jī)，都繞不開氫儲(chǔ)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(jī)上儲(chǔ)存難的問題。