氫動力飛機會對航空業造成哪些改變

雲層上方的環保

國際航運每年排放二氧化碳9億噸。假設年工業增長率為3-4%，到2050年，這個數字將翻一番以上。顯然，世界環保已迫在眉睫。氫技術似乎是目前最有效的替代方案。讓我們來深入了解一下這種驅動方式的現狀和未來可能發生的情況。

未來幾十年，氫動力飛機將發揮關鍵作用，使航空業更加適應氣候變化。最近，由清潔天空 (Clean Sky) 委託開展的一項研究表明，航空系統創新和氫技術相結合，有助於將航空業所佔全球變暖中份額減少90%。

但是，德國航空航天中心（DLR）執行委員會成員、航空研究領域專家Rolf Henke教授表示，實現這一目標絕非一帆風順：“我們仍需對飛機開展廣泛研發，進一步改進燃料電池技術和液氫罐，並在地面和空中基礎設施方面進行重大投資。制定法規和認證標準也很重要，如此才有可能保證保證氫動力飛機安全可靠運行。”這意味著，必須在氫動力飛機可靠運行之前，澄清一些因素。儘管如此，各項倡議已經在積極地致力於具體落實前景廣闊的飛機發動機。

是否會很快實現水蒸氣廢氣？

行業專家估計，10到15年內，氫氣可以大規模用於航空。根據研究結果，首個短程氫動力原型可於2028年前設計並投入使用。這一步驟意義深遠，是朝著“綠色航空”邁進的一項重要標誌。航空業現狀則恰恰相反：除了二氧化碳以外，還排放氮氧化物（NOx）、煙塵和水蒸氣，形成軌跡和卷雲，也對氣候造成了不利影響。當然，這與“化學痕跡”無關，但這些痕跡轉化為水蒸氣的改進也是喜聞樂見的。

但是，以氫動力飛機為例，未來我們還需要考慮其它環保方面的技術變化。例如，必須通過輕型油箱和燃料電池系統，提高整體效率，包括飛機內部冷卻和創新液氫配送系統。我們還需要能夠燃燒氫氣的低NOx排渦輪機，及流速類似煤油的高效加油技術。

首個起飛的原型

自21世紀00年代初，各式原型便已升空。首架“純氫氣飛機”早在2016年便已經起飛。首架“純氫氣飛機”是HY4小型飛機，由德國航空航天中心和斯洛文尼亞製造商蝙蝠（Pipistrel）公司合作設計，設有4個座位，飛行里程可達1500公里。

2020年10月，專門生產環保飛機發動機的飛機製造商ZeroAvia公司也緊隨其後，將一架名為“HyFlyer”的氫動力飛機送入空中。 “HyFlyer”是一架6座燃料電池飛機，預計在今年年底前進行另一次試飛，飛行里程將超過400公里。作為英國政府支持項目，計劃最早於2023年首次投入商業運營。隨後會快速推進：預計到本世紀末，推出可以容納50到100名乘客的機型。此公司認為會於2040年推出擁有200多個座位、航程超過5000公里的航班。

從中期來看，ZeroAvia公司旨在開發出10到20座飛機的技術，飛機航程將達到800公里。飛機預計客貨兩用。 ZeroAvia公司甚至預計，由於燃料和維護成本較低，氫能動力總成的運營成本將低於同類煤油飛機。客用機的實現近在咫尺！

2020年9月，第一架氫燃料電池動力商用飛機完成首次航行

空客公司的大計劃

空客公司雄心勃勃，計劃於2035年前推出世界上第一架零排放商用飛機。為此，這家歐洲製造公司醞釀了三個不同的概念並會實施其中的一個。這種所謂的渦輪扇設計旨在搭載120至200名乘客，完成約3700公里的中程運輸。這個概念低於目前多家航空公司使用的基線A320neo，但是如果很好地將速度控制在800公里/小時，使用氫推進也會達到同樣巡航速度。

第二種設計是渦輪螺旋槳飛機，採用螺旋槳驅動，可搭載100名乘客短途飛行，時速600公里/小時，比現有的渦輪螺旋槳飛機快100公里/小時。特殊之處在於哪裡呢？這兩種設計均採用經改進的燃氣輪機驅動，輔以由燃料電池驅動的混合動力電動機。因此，空客公司並不是重新發明動力，而是有意識地借助於“傳統”配置。

也許最吸引人的是氫動力“混合翼身（Blended Wing Body）”。機翼和機身形成了連續的空氣動力機身，以最佳的空氣動力學性能裝載氫氣罐。據空客公司預測，目前，渦輪螺旋槳模型是未來最有可能實施的機型。 15年的具體期限雄心勃勃，但據眾多專家稱，這家歐洲旗艦公司絕對有實力做到。

有利必有弊

我們可能想要仔細了解氫本身的優勢和劣勢。即使氫氣動力飛機不會產生任何危害環境的排放物，但仍有許多因素需要考慮。用氫代替煤油作為飛機發動機的能源的想法並不新鮮，但仍然存在著挑戰。例如，氫的能量密度是普通航空燃料煤油的三倍，而煤油的重量只有電池的三分之一。另一方面，氫的體積是煤油的四倍。此外，液氫需要復雜的冷卻系統，這首先意味著增加了重量 - 這是飛機製造的決定性因素。

同時，地面也需要採取適當措施，例如更大的儲罐和氫氣庫。更不用說（眾所周知的）事實，氫氣生產本身仍然非常複雜、十分昂貴，對於生產要達到環保標準的情況尤其如此。

簡而言之，在環保氫動力飛機投入市場並正常運行之前，還有許多工作要做。好在政客們已經把它提上了議事日程。

優勢：氫氣和飛機

對於傳統內燃機，煤油燃燒會產生包括二氧化碳在內的許多廢氣，從而破壞氣候。另外，氫也適用於內燃機。在這種情況下，不會釋放二氧化碳，因為氫氣不含碳。但是，這樣燃燒確實會產生廢氣。
相反，在燃料電池中使用氫氣不會產生廢氣，只會產生水蒸氣。燃料電池產生的電能可以用來驅動飛機的電動機。
氫氣是一種所謂的低溫燃料，處理起來相當複雜。氫氣是一種氣體，只在零下253攝氏度時液化，需要高壓壓縮後才能用於推進。要做到這一點，飛機必須設有雙壁、圓柱形或球形儲槽。
早在20世紀80年代，前蘇聯的工程師們就推出了三引擎Tupolev TU-154的改裝版，此機型採用氫動力，測試機名為TU-155。於1988年4月15日試飛成功（只有右側發動機使用氫氣）。