今年以來，全球氫能航空領(lǐng)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(xiàn)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(nèi)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(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，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(xiàn)2050年凈零排放這一行業(yè)目標，航空業(yè)多條低碳技術(shù)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(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(zhuǎn)化為液態(tài)。從系統(tǒng)復(fù)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(xiàn)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(fù)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(xiàn)問題，否則升溫氣化后體積膨脹的氫有可能導(dǎo)致燃料箱內(nèi)壓強驟增而直接爆炸。航天領(lǐng)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(jié)構(gòu)強度極限——火箭起飛前噴出的白霧便是由此產(chǎn)生。相對于數(shù)分鐘的火箭發(fā)射而言，飛機飛行時間長達數(shù)小時，必須尋求更為可靠的儲存方式。
現(xiàn)在，新型復(fù)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(fù)合材料結(jié)構(gòu)所需付出的重量代價更小。就液氫儲存罐而言，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)有最先進的航天低溫罐減少了75%的重量。
當前主流的動力技術(shù)路線通常有3種。其一是氫燃料電池，通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，驅(qū)動電動機產(chǎn)生推力。其二是氫燃料內(nèi)燃機，類似于傳統(tǒng)汽油內(nèi)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(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。對于更大重量的民航客機，未來的選擇應(yīng)與現(xiàn)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(qū)動渦輪、產(chǎn)生動力，從而使發(fā)動機獲得更大的功率密度。
隨著制氫產(chǎn)業(yè)日趨成熟，氫能源飛機也有望實現(xiàn)快步發(fā)展。可以預(yù)見，類似乘用車從燃油向電動的技術(shù)更新，民用航空器的低碳轉(zhuǎn)型也將推動行業(yè)升級換代，促進民航業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施改進創(chuàng)新，并對拉動上下游產(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)
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