今年以來(lái)，全球氫能航空領(lǐng)域的探索活動(dòng)愈加活躍。在英國(guó)，一架19座的氫電動(dòng)力飛機(jī)實(shí)現(xiàn)試飛，時(shí)長(zhǎng)約10分鐘;美國(guó)一架40座的氫動(dòng)力飛機(jī)完成試飛，時(shí)長(zhǎng)約15分鐘;前不久，中國(guó)首款四座氫燃料內(nèi)燃機(jī)飛機(jī)驗(yàn)證機(jī)也成功首飛。法國(guó)《回聲報(bào)》一篇題為《2023，氫動(dòng)力飛機(jī)元年》的文章認(rèn)為，全球低碳航空已處于起步階段。

當(dāng)前，全球航空業(yè)產(chǎn)生的二氧化碳排放量約占全球碳排放總量的2.5%。據(jù)相關(guān)預(yù)測(cè)，未來(lái)20年全球旅客年增長(zhǎng)率約為3.7%，到本世紀(jì)中葉航空業(yè)體量將至少翻一番。為了實(shí)現(xiàn)2050年凈零排放這一行業(yè)目標(biāo)，航空業(yè)多條低碳技術(shù)路線正同時(shí)推進(jìn)，氫動(dòng)力飛機(jī)便是其中之一。

航空業(yè)碳排放主要來(lái)自化石能源燃燒，氫能被認(rèn)為是化石能源的最佳替代。氫燃料不僅綠色低碳，還比現(xiàn)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?jī)H相當(dāng)于航空煤油的24%。對(duì)于“為減少每一克重量而奮斗”的飛機(jī)而言，這部分減重的重要性不言而喻。

不過(guò)，氫本身雖輕，但儲(chǔ)存氫絕非易事。

首先是存儲(chǔ)體積大。常溫標(biāo)準(zhǔn)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(duì)氫氣進(jìn)行增壓儲(chǔ)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(zhuǎn)化為液態(tài)。從系統(tǒng)復(fù)雜度而言，壓縮氫氣方案實(shí)施起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單，但需要付出更高的空間和重量代價(jià)。低溫儲(chǔ)存的液氫相對(duì)密度更大，對(duì)于未來(lái)的商用航班，液氫的方案更加現(xiàn)實(shí)可行。

其次是安全儲(chǔ)存難。無(wú)論采取哪種儲(chǔ)氫方式，對(duì)密封性的要求都比傳統(tǒng)燃油系統(tǒng)更復(fù)雜。這是由于氫分子遠(yuǎn)小于航空煤油，更容易從管路縫隙中逃逸;對(duì)于液氫儲(chǔ)存，還必須考慮恒溫條件的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，否則升溫氣化后體積膨脹的氫有可能導(dǎo)致燃料箱內(nèi)壓強(qiáng)驟增而直接爆炸。航天領(lǐng)域的液氫儲(chǔ)存系統(tǒng)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)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(guò)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度極限——火箭起飛前噴出的白霧便是由此產(chǎn)生。相對(duì)于數(shù)分鐘的火箭發(fā)射而言，飛機(jī)飛行時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)，必須尋求更為可靠的儲(chǔ)存方式。

現(xiàn)在，新型復(fù)合材料的發(fā)展為儲(chǔ)氫環(huán)節(jié)提供了支持。相對(duì)于傳統(tǒng)金屬材料來(lái)說(shuō)，相同強(qiáng)度的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)所需付出的重量代價(jià)更小。就液氫儲(chǔ)存罐而言，新型復(fù)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(guó)家研制的碳纖維復(fù)合材料燃料罐，同等容積下比現(xiàn)有最先進(jìn)的航天低溫罐減少了75%的重量。

當(dāng)前主流的動(dòng)力技術(shù)路線通常有3種。其一是氫燃料電池，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生推力。其二是氫燃料內(nèi)燃機(jī)，類似于傳統(tǒng)汽油內(nèi)燃機(jī)，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(yīng)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(jī)。對(duì)于更大重量的民航客機(jī)，未來(lái)的選擇應(yīng)與現(xiàn)有渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)方式相仿——通過(guò)點(diǎn)燃更大流量的氫氣以驅(qū)動(dòng)渦輪、產(chǎn)生動(dòng)力，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)獲得更大的功率密度。

隨著制氫產(chǎn)業(yè)日趨成熟，氫能源飛機(jī)也有望實(shí)現(xiàn)快步發(fā)展?？梢灶A(yù)見(jiàn)，類似乘用車從燃油向電動(dòng)的技術(shù)更新，民用航空器的低碳轉(zhuǎn)型也將推動(dòng)行業(yè)升級(jí)換代，促進(jìn)民航業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施改進(jìn)創(chuàng)新，并對(duì)拉動(dòng)上下游產(chǎn)業(yè)發(fā)展等產(chǎn)生重大影響。

(作者單位：北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院)