今年以來，全球氫能航空領域的探索活動愈加活躍。在英國，一架19座的氫電動力飛機實現試飛，時長約10分鐘；美國一架40座的氫動力飛機完成試飛，時長約15分鐘；前不久，中國首款四座氫燃料內燃機飛機驗證機也成功首飛。法國《回聲報》一篇題為《2023，氫動力飛機元年》的文章認為，全球低碳航空已處于起步階段。
當前，全球航空業(yè)產生的二氧化碳排放量約占全球碳排放總量的2.5%。據相關預測，未來20年全球旅客年增長率約為3.7%，到本世紀中葉航空業(yè)體量將至少翻一番。為了實現2050年凈零排放這一行業(yè)目標，航空業(yè)多條低碳技術路線正同時推進，氫動力飛機便是其中之一。
航空業(yè)碳排放主要來自化石能源燃燒，氫能被認為是化石能源的最佳替代。氫燃料不僅綠色低碳，還比現在最主要的航空燃料——航空煤油具有更高的單位重量能量密度。在提供相同能量的條件下，氫燃料重量僅相當于航空煤油的24%。對于“為減少每一克重量而奮斗”的飛機而言，這部分減重的重要性不言而喻。
不過，氫本身雖輕，但儲存氫絕非易事。
首先是存儲體積大。常溫標準大氣壓下，氫分子以密度很小的氣態(tài)形式存在，同等能量下體積約是航空煤油的2750倍。為節(jié)省空間，通常采用272倍大氣壓對氫氣進行增壓儲存，還可以選擇在大氣壓下降溫至零下253.87攝氏度使氫分子轉化為液態(tài)。從系統(tǒng)復雜度而言，壓縮氫氣方案實施起來相對簡單，但需要付出更高的空間和重量代價。低溫儲存的液氫相對密度更大，對于未來的商用航班，液氫的方案更加現實可行。
其次是安全儲存難。無論采取哪種儲氫方式，對密封性的要求都比傳統(tǒng)燃油系統(tǒng)更復雜。這是由于氫分子遠小于航空煤油，更容易從管路縫隙中逃逸；對于液氫儲存，還必須考慮恒溫條件的實現問題，否則升溫氣化后體積膨脹的氫有可能導致燃料箱內壓強驟增而直接爆炸。航天領域的液氫儲存系統(tǒng)相對比較簡單，氫氧發(fā)動機火箭都是在起飛前才加注低溫液氫，且邊加注邊向大氣中排放氫氣，以避免液氫升溫氣化造成的燃料箱壓力超過結構強度極限——火箭起飛前噴出的白霧便是由此產生。相對于數分鐘的火箭發(fā)射而言，飛機飛行時間長達數小時，必須尋求更為可靠的儲存方式。
現在，新型復合材料的發(fā)展為儲氫環(huán)節(jié)提供了支持。相對于傳統(tǒng)金屬材料來說，相同強度的復合材料結構所需付出的重量代價更小。就液氫儲存罐而言，新型復合材料可以極大地減少其重量并增加有效容積。例如，一些國家研制的碳纖維復合材料燃料罐，同等容積下比現有最先進的航天低溫罐減少了75%的重量。
當前主流的動力技術路線通常有3種。其一是氫燃料電池，通過化學反應產生電能，驅動電動機產生推力。其二是氫燃料內燃機，類似于傳統(tǒng)汽油內燃機，但燃料改為了液氫。由于相同工作容積下發(fā)生氧化還原反應的氫氣流量較小，使得這兩種方案功率密度較小而更適用于小型飛機。對于更大重量的民航客機，未來的選擇應與現有渦扇發(fā)動機的推進方式相仿——通過點燃更大流量的氫氣以驅動渦輪、產生動力，從而使發(fā)動機獲得更大的功率密度。
隨著制氫產業(yè)日趨成熟，氫能源飛機也有望實現快步發(fā)展?？梢灶A見，類似乘用車從燃油向電動的技術更新，民用航空器的低碳轉型也將推動行業(yè)升級換代，促進民航業(yè)基礎設施改進創(chuàng)新，并對拉動上下游產業(yè)發(fā)展等產生重大影響。
（作者單位：北京航空航天大學航空科學與工程學院）
《 人民日報 》（ 2023年06月06日 15 版）
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