9月26日-9月27日，2024（第三屆）新能源航空國際論壇在北京舉行，本次論壇旨在為航空業綠色轉型和可持續發展奠基。提到交通領域的“綠色轉型”，很多人第一印象是陸上交通，如耳熟能詳的汽車尾氣排放與污染問題。實際上，仰望天空，看似毫無波瀾的空中交通，也面臨著不小的問題。

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一、年10億噸！碳排放也在“上方”發生

傳統上飛機所用燃料主要是航空煤油，其成分包括不同餾分的烷烴、芳香烴和烯烴等碳氫化合物，航空煤油燃燒后會向大氣中排放二氧化碳、氮氧化物、一氧化碳等有害氣體。

近年來，隨著全球民航、通航產業的快速發展，由航空飛行活動帶來的碳排放問題也日益嚴重。據測算，一架民航客機一年可排放二氧化碳3600噸，碳排放量與800輛轎車相當，足足需要90萬棵樹吸收一年。國際能源協會的統計結果顯示，僅2019年全球航空業就產生了約10億噸的碳排放，占世界碳排放總量的2.8%。

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在青海果洛瑪沁機場，工作人員在為國產商用飛機ARJ21加油（圖片來源：新華社）

為實現航空業的碳減排目標，開發包括氫燃料在內的清潔能源，發展可持續的航空技術，已成為當下航空領域最炙手可熱的研究方向之一。各航空強國均已出臺氫能航空發展規劃，主流飛機制造商和發動機制造商也都在積極開展氫能航空相關技術研究。

二、空中大角逐：氫動力VS傳統動力

與傳統航空煤油相比，氫燃料給航空業帶來的最大好處就是可以大大降低二氧化碳及其他溫室氣體的排放，甚至可能實現“零碳飛行”。此外，氫的能量密度是航空煤油的3倍，具有更好的燃燒特性，在消耗相同空氣時，所需要的氫燃料也更少。在使用氫燃料后，還可以降低燃燒溫度，提高熱效率，減少能量損失。

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我國自主研制的第一架以氫內燃機為動力的通航飛機（圖片來源：新華社）

然而，氫作為飛機燃料，在使用時還存在一些缺點。眾所周知，氫氣是自然界中分子量最小、密度也最低的氣體，極易壓縮和膨脹。這種體積密度小和易燃易爆的特性導致氫的儲存和運輸十分困難。相比于傳統的航空煤油，需要4倍體積的液氫燃料或6倍體積的壓縮氫氣才能產生相同的能量。

氫還會給飛機帶來氫脆的問題。所謂氫脆，有一種觀點認為，是由于氫原子在高溫高壓環境下容易滲入金屬材料內部，氫的滲入與聚集會使金屬變脆，導致金屬結構的力學性能嚴重惡化。金屬的氫脆現象一旦形成，便無法消除，這無疑給氫動力飛機的安全帶來威脅。

三、揚長避短，混合電推進

當前實現氫動力飛行主要有兩種方式，其一，燃氣渦輪發動機直接燃燒氫氣，即氫燃料飛機；其二，采用氫燃料電池電推進，即氫電池飛機。

氫燃料飛機，主要采用氫燃料替換傳統航空煤油，對飛機和推進系統的整體改動量較小，可充分利用燃氣渦輪發動機的成熟技術。但飛機上“寸土寸金”，如何在不改變總體布局的前提下，在有限的空間里研制出質量輕、隔熱好、強度高的氫儲存箱成了關鍵問題。

由于氫極易壓縮和膨脹，在航空發動機管路中的流動還時刻伴隨著物相、壓力和溫度的振蕩變化，因此，如何對易于變化的氫進行動態高精度計量和調控也是非常棘手的難題。實際上，對于氫燃料在燃氣渦輪發動機中究竟應當是以液態還是以氣態的方式進行管理和使用，目前仍存在很大爭議。

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氫氣極易壓縮和膨脹，儲存和運輸十分困難（圖庫版權圖片，轉載使用可能引發版權糾紛）

與氫燃料飛機相比，氫電池飛機在飛行過程中會非常安靜，不再有發動機轟鳴的侵擾。但氫電池飛機由于采用了電池、電動機及電力電子設備組成的電動系統，因而在飛機總體結構設計上與傳統飛機存在根本性的差異，需要結合電動系統的特點重新進行整體布局設計。

氫電池飛機主要依靠螺旋槳的旋轉來產生推力，這就難免限制了其在高空高速飛行上的應用。除此之外，盡管通過氫燃料電池與電動機相結合，可以提高氫的能量使用效率，但與同樣清潔高效的鋰離子電池相比，氫燃料電池在功率密度、動態響應特性和綜合成本上仍存在很大進步空間。

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鋰電池（圖庫版權圖片，轉載使用可能引發版權糾紛）

總體來說，氫燃料飛機與氫電池飛機各有優缺點，也都有暫時難以突破的技術瓶頸。不少研究者認為，將氫燃料燃氣渦輪發動機與氫燃料電池組合形成混合電推進系統，讓氫燃料發動機只在額定功率下運行并發電，由電驅系統進行功率調節，可以有效地揚長避短，充分發揮氫燃料燃氣渦輪發動機與氫燃料電池的優勢。因此，氫燃料混合電推進方式被認為是未來氫能發動機的主要發展方向。

四、氫能飛機出行展望

氫能飛機是一條嶄新的賽道，涉及能源、基礎設施、交通等諸多領域。事實上，目前還沒有成熟的氫燃料發動機投入商業應用，談論其對航空出行成本的影響有些為時尚早。不過，就當前氫能產業的發展情況而言，氫能飛機的制造和使用成本并不低廉。

首先，作為燃料使用的氫尚未形成大規模商業化應用，并且仍然依賴于從天然氣、煤炭等化石能源中制備氫氣，從可再生能源中得到的氫氣不但產量較少，而且成本更高。其二，氫的存儲條件極為苛刻，這勢必導致飛機上須布置異常復雜且體積龐大的儲氫罐及配套冷卻系統，無疑會助推飛行成本的上漲。其三，由于此前氫能未在航空業中廣泛使用，氫能航空動力的相關設施十分匱乏，短期內也很難實現氫燃料的低成本運輸與儲存。

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氫氣儲存（圖庫版權圖片，轉載使用可能引發版權糾紛）

不過，道路是曲折的，前途是光明的。持續對氫能飛機開展研究，不僅能逐步顛覆當前航空業的發展格局，促進我國“雙碳”戰略的實施，還能同時帶動氫能源相關產業的原始科技創新。隨著技術的發展進步，低碳低成本的氫能航空時代必將到來。

作者：朱磊 中國航發湖南動力機械研究所高級主任設計師

審核：鄧曉濤 中國航發湖南動力機械研究所高級工程師

出品：科普中國

參考文獻：

[1] Tiwari S, Pekris M J, Doherty J J. A review of liquid hydrogen aircraft and propulsion technologies[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2024, 57: 1174-1196.

[2] 向巧,胡曉煜,王曼,等. 關于氫能航空動力發展的認識與思考[J]. 航空發動機,2024,50(1):1-9.

[3] 李維,曹俊,肖為. 氫燃料發動機技術及發展趨勢[J]. 航空動力,2022,(2):39-42.

[4] 宋薇薇,楊鳳田,項松,等. 氫能飛機研制進展及產業化前景分析[J]. 中國工程科學,2023,25(5):192-201.

來源: 科普中國

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