随着全球气候变化问题的日益严峻,世界各国纷纷寻求更加环保和可持续的能源解决方案。航空运输作为全球温室气体排放的重要来源之一,其碳排放问题尤为突出
[1-2],受制于空中飞行场景、安全性、可靠性和能量密度需求,航空运输成为全球最难脱碳的行业之一。替代传统化石能源的航空低碳或零碳能源主要包括可持续航空燃料(sustainable aviation fuel,SAF)和氢燃料。虽然SAF可以直接使用且无需改造现有飞机,但其产能不足且成本高昂,难以满足长远的实际需求
[3]。氢燃料凭借其易制备、零碳排放和高能量密度的优势,成为航空动力领域的研究热点。发展氢能航空不仅可以有效降低航空业的碳排放,还可以减少对化石能源的依赖,提高能源安全。近年来,多国政府和航空企业纷纷投入资源进行氢能航空的研发,从动力系统设计到氢燃料生产、储存和运输技术,各个环节都有显著进展
[4]。氢燃料电池和氢涡轮发动机等动力技术取得阶段性成果,但氢燃料的安全性和成本效益是研究焦点
[5-7]。
美国能源部(Department of Energy,DOE)在2020年发布了《氢能计划发展规划》,提出了未来10年及更长时间的氢能研究、开发和示范战略,推动氢能在能源和交通等领域的应用。2021年DOE颁布了《氢能攻关计划》,涵盖31个项目,包括氢能飞机的研发,旨在革新清洁氢能技术、降低成本并加速技术突破。2022年,DOE新增6个氢能项目,专注于优化氢燃料燃气轮机及其组件
[8-9]。联邦航空管理局(Federal Aviation Administration,FAA)的NEXTGEN计划旨在通过技术创新提高美国航空系统的效率、安全性和环保性,关注包括氢能在内的替代燃料应用,以减少航空业的碳排放。美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)也开展了氢能航空相关的基础研究和技术验证。同时,美国政府鼓励能源部、交通运输部、NASA等部门加强合作,共同推动氢能航空的发展
[10]。
中国在氢能航空领域的公开发文量位居全球第二,这与政策支持密切相关,包括国家发展改革委、国家能源局发布的《氢能产业发展中长期规划(2021—2035年)》,以及中国民用航空局、国家发展改革委和交通运输部发布的《“十四五”民用航空发展规划》和《智慧民航建设路线图》等。此外,工信部、科技部、财政部和民航局联合发布的《绿色航空制造业发展纲要(2023—2035年)》也强调了氢涡轮、氢燃料电池和电驱动飞行器等新型航空产品的研发及适航验证,为氢能航空的发展提供了方向。在国家鼓励政策的基础上,上海、广东等地区也结合当地情况出台了氢能鼓励政策
[11]。
欧盟在2019年12月颁发的《欧洲绿色协议》中提出2050年实现气候中和的目标,2021年6月《欧洲气候法》将此目标确立为法律义务。在此背景下,欧洲航空业提出了清洁航空计划,作为“清洁天空2”项目的延续,该计划于2021年启动,持续至2031年,聚焦混合电推进技术、超高效能飞行器和氢能航空的研发
[12-13]。具体包括:LEAFINNOX项目开发航空用纯氢燃烧室,Overleaf项目开发新型低压低温液氢储罐,由西班牙Aciturri工程公司牵头,涉及6个欧洲国家的10家企业。2023年1月,欧盟清洁航空联合行动(Clean Aviation Joint Undertaking,CAJU)将氢动力飞机作为重点研发领域。
总体而言,氢能航空领域的研究进展得益于全球低碳转型背景下各国政策的强力驱动。对比美国、中国和欧洲的相关政策体系可见:美国侧重于顶层战略规划、核心技术攻关及跨部门协同;中国以规划引导与产业政策双轮驱动,导向明确、市场潜力巨大且地方政府响应积极;欧洲则确立了激进的环保目标,通过立法约束与大型科研计划并举,展现出高强度的研发投入与广泛的国际合作。这三大主体均将氢能航空视为战略高地,随着技术迭代加速与政策生态的日益完善,氢能航空必将在推动全球航空业绿色可持续发展中发挥关键作用。本文研究旨在探讨氢能航空的现状,分析其面临的挑战与机遇,为未来氢能航空动力技术发展提供依据和参考。
1 氢能航空动力技术研发进展
氢能航空所采用的动力系统主要包含氢燃料电池与燃氢发动机两大类,其中燃氢发动机包括氢内燃机(特指活塞发动机)和氢涡轮发动机。这些动力系统具有各自的优势区间,适合于不同载重与航程的飞行器,其发展途径和现状不尽相同。例如,对于中大型飞机而言,氢涡轮发动机凭借其更高的功率密度和潜在的性能优势,成为更具吸引力的选择。
氢内燃机是在传统的汽车或航空内燃机基础上进行燃料转变及相应结构变化,其继承了传统内燃机的四冲程循环(吸气-压缩-做功-排气)及活塞-气缸机械能转化原理,适用于小型通用航空器。其优点在于对氢气的纯度要求低,具有结构简单、成本低的优势。但是氢的火焰传播速度是汽油的9倍左右,使得氢燃烧面临更高的早燃、回火和爆震等风险
[14],同时由于氢燃烧产生的温度更高,因此在高温掺混下燃烧产生的NO
x排放较高。氢内燃机工作原理如
图1[15]所示。
氢燃料电池是通过氢和氧的电化学反应产生电能,通过将电能转化为机械能,为飞机提供动力,适用于支线及以下的小型飞行器。氢燃料电池系统大致可分为氢气供应系统、空气供应系统、电堆、水热管理系统及电动驱动系统等。氢燃料电池内部的反应环境较为纯净,对氢的纯度要求高,排气温度低,削减尾迹云的形成,具有较高的电化学反应热效率(45%~50%)
[16],提高飞行器续航能力,同时燃料电池振动和噪声小,舒适性较高。但氢燃料电池仍面临功率密度低、使用寿命短和单体输出功率低等问题,与航油型发动机相比飞行器的载重低。氢燃料电池工作原理如
图2[17]所示。
氢涡轮发动机可以分为氢涡轮螺旋桨、氢涡轮风扇以及氢涡轮混合动力等
[1,18],工作原理如
图3、
图4所示。氢涡轮螺旋桨和氢涡轮风扇等是由氢涡轮发动机直接驱动螺旋桨和风扇产生拉力或推力,使用氢燃料代替传统航空燃料,动力形式与现有航空涡轮发动机基本相似。氢涡轮混合动力则是通过涡轮发动机驱动发电机发电,再由电驱动电机带动螺旋桨和风扇产生拉力或推力,同时可以通过动力电池来储存多余电力并调节飞行器在不同状态下的电力供给需求,形成混合动力形式,能够更加高效地利用能量并减少对环境的影响。
为了与传统航空煤油飞机竞争,未来氢能飞机的氢燃料质量与燃料供储系统总质量之比需要达到20%以上。氢燃料供储技术很大程度上决定了氢能飞机的航程范围。当氢燃料供储系统质量占比较低时,氢能动力只适合于短程和中程飞机;随着质量占比提高到大概55%以上,氢能飞机的能量消耗将比传统航空煤油飞机更具优势,此时也更适合于远程飞机。为了提高氢在燃料供储系统中的质量占比,航空器上需采用高压气氢或液氢的形式,而且只有液氢储存能满足20%质量占比的要求,但液氢储存需要维持-253 ℃的超低温环境。
当采用液氢时,氢涡轮发动机和现役航空涡轮发动机的区别在于低温液氢会经过间冷换热器或回热器转变为氢气进入燃烧室中燃烧,利用液氢的热沉提高涡轮发动机循环热效率。由于氢气燃烧后的产物只有水和少量的NO
x排放,不再有CO
2产生,而水的比热容比CO
2更高,因此氢涡轮发动机做功介质的比热容比传统航空燃料发动机的更高,使得氢涡轮发动机涡轮膨胀前后的温差和压差更小。在同等条件下,氢涡轮发动机的涡轮出口燃气温度、速度和压力都高于传统燃料发动机,因此氢涡轮发动机具有更大的做功能力,效率可达40%左右
[19],可以满足高速、长途的飞行需求。但氢涡轮发动机需要更高的转速才能补偿因为燃气流量减少造成的功率损失,而且所使用的材料应具备耐高温、耐高压、抗腐蚀、抗氢脆的能力,氢涡轮发动机设计和制造的难度较大、成本较高。
1.1 氢内燃机
氢内燃机的研究可以追溯到1972年美国洛斯阿拉莫斯实验室将一辆别克牌轿车改成液氢汽车。福特汽车在2000年启动氢内燃机的开发工作,马自达、宝马、丰田等公司都有氢动力汽车项目。氢内燃机的发展可以分为两个阶段
[20-21]:第一阶段,在早期氢内燃机研发中采用进气道喷氢技术,但是面临爆燃、早燃以及燃烧控制方面的问题,最终导致该技术路线未能持续发展;第二个阶段,氢内燃机将喷氢方式改为缸内直喷,避免了回火问题。
氢内燃机既可通过压燃式(compression ignition,CI)实现燃烧,也可适配火花点燃(spark ignition,SI)。然而,氢气的高辛烷值与高自燃温度
[22]导致在压燃式发动机中需极端压缩条件才能实现可靠自点火,大幅增加爆震风险及机械负荷。相较而言,点燃式发动机通过主动点火机制可有效规避上述限制,其高抗爆性允许采用更高压缩比以提升热效率,因此当前技术路径更倾向于点燃式方案
[23]。点燃式发动机广泛应用于交通运输行业,从地面交通车辆到活塞螺旋桨飞机。然而,氢燃料点燃式发动机仍需克服一些技术难题,例如进气道回火、发动机功率下降以及高氮氧化物排放等。针对点燃式发动机在性能、优化及燃烧方面的技术挑战,现有研究提出了多维度解决方案。
在性能提升方面,通过控制参数优化可显著改善动力输出与热效率。例如,Dhyani等
[24]的研究表明,延迟氢气喷射正时至进气冲程中后期,能缩短燃料滞留时间,降低回火概率,同时维持高充气效率,从而提升功率密度;Gürbüz
[25]和Söhret等
[26]进一步证明,点火正时动态调整可匹配氢燃料的快速火焰传播特性,缩短燃烧持续期并提高热效率;而动态调整点火角可适应不同工况下的稀薄燃烧需求,在抑制爆震的同时降低NO
x排放
[27]。
在燃烧系统优化方面,直喷技术的应用可从根本上规避回火风险,氢气通过缸内直喷系统直接注入燃烧室,避免了进气道预混阶段的早燃问题,同时结合分层燃烧策略拓宽稀燃极限,显著提升燃烧稳定性
[28-30]。此外,燃烧室几何设计优化,增强旋流强度与优化喷孔布局可促进湍流混合,抑制局部高温区形成,进一步改善燃烧均匀性
[31]。研究还表明,辅助技术,如废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR),可降低燃烧温度,为高效清洁燃烧提供支持
[32-33]。
氢内燃机在航空领域的应用优势主要体现在其与传统内燃机技术的兼容性和经济性上。从性能角度看,氢内燃机适合于小型航空器对动力系统的轻量化要求。同时该技术对氢气中杂质的容忍度较高,可采用工业副产氢等低成本氢源,在燃料适应性方面优于氢燃料电池。但是在热效率方面,与氢燃料电池相比,氢内燃机的系统热效率较低,主要受限于较窄的稀薄燃烧工作区间和较低的几何压缩比。在动力输出特性上,氢内燃机的升功率表现较差,早期自然吸气式氢内燃机的升功率仅32 kW/L,远未达到现代涡轮增压发动机的水平,且扭矩曲线平缓度不足,影响加速性能和高速工况稳定性
[34]。在轻型飞行器上,内燃机是最常用的动力装置,具有体积小、重量轻及油耗低、效率高、维护简单等优点,是高空长航时无人机的主要动力装置,氢内燃机也适合于这样的飞行器,且能减少碳排放。
2024年,由沈阳航空航天大学通航研究院新能源团队研制的四座氢内燃机RX4HE原型机在沈阳法库财湖机场成功首飞,该机型搭载中国一汽集团基于“红旗”汽油机平台开发的2.0 L零排放增压直喷氢燃料内燃机,功率后续提升至120 kW。此次试飞标志着中国成为全球首个实现四座氢内燃飞机工程化验证的国家。2023年,英国罗尔斯-罗伊斯公司(Rolls-Royce)成功完成MTU S4000 L64氢燃料内燃机的100%氢能运行测试,其以12个气缸为设计基础,采用液氢与蒸汽喷射技术,并对燃料喷射、涡轮增压、活塞设计和控制装置等进行了改造,使得可以使用氢作为燃料,在效率、排放及燃烧稳定性方面表现优异
[35],但目前主要适用于固定式发电场景。
四座氢内燃机RX4HE原型机如
图5[36]所示。氢内燃机目前以点燃式为主要技术路线,以规避氢气压燃困难与爆震风险。研究聚焦于通过喷射与点火正时优化、直喷技术及燃烧室设计等手段,解决回火、功率下降及氮氧化物排放等问题。这些问题仍是未来氢内燃机迈向航空等更高功率密度应用的关键难题,如何通过燃烧模式创新与系统集成优化进一步达到回火抑制、功率恢复与近零排放,将是下一代氢内燃机研究的核心方向。
1.2 氢燃料电池
当前对于氢燃料电池的研究主要聚焦于质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)和固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)两类技术体系,其中SOFC在航空场景的应用优势更为显著。相较于PEMFC,SOFC对燃料杂质的耐受能力更强,可兼容经脱硫处理的航空煤油制氢方案,这对保障航空燃料供应链稳定性具有现实意义
[37]。
美国波音公司指出,在航空辅助动力装置(auxiliary power unit,APU)中集成SOFC系统可显著提升能效指标。数据显示,该系统在巡航阶段可实现38%~42%的燃料消耗降幅,而在地面静止状态下的节油效果更为突出,达到73%~77%的削减幅度。这种双重节能效应源于SOFC的高温电化学反应特性,其600~800 ℃工作温度与燃气涡轮余热的协同利用形成热-电联产机制
[38-39]。在环境效益方面,CRYOPLANE欧洲联合研究项目的测试结果表明,采用SOFC驱动的APU系统可使地面操作期间的NO
x排放强度从传统APU的120~150 g/(kW·h)降至22~28 g/(kW·h),减排效果达81%~83%
[40]。
但将SOFC应用于飞机主推进系统的研究,虽具有技术前瞻性,但面临多重技术壁垒
[41]。在动态响应特性方面,SOFC的功率调节延迟达45~60 s,难以满足飞机爬升阶段对功率输出的动态需求
[42]。同时SOFC-GT混合动力系统也备受关注,Kohout等
[43]开展了燃料电池推进的可行性研究,考虑了各种配置,包括带有液氢存储的PEMFC燃料电池和SOFC-GT混合系统,研究发现:SOFC-GT混合动力系统在可接受的起飞质量和距离方面潜力最大。
在早期探索阶段,主要是对于氢燃料电池基础材料的突破,质子交换膜(proton exchange membrane,PEM)厚度从100 μm降至50 μm,降低离子传输阻力,功率密度提升至0.5~0.8 kW/L
[44]。铂催化剂载量从4 mg/cm
2优化至0.4 mg/cm
2,成本降低90%
[45]。之后通过对膜电极组件进行更新,功率密度突破1.2 kW/L,微通道冷却板设计使电堆散热效率提高60%,可以持续高功率输出
[46]。当前研究聚焦于超临界氢存储与固态氧化物燃料电池(SOFC)混合系统
[47],以进一步提高氢燃料电池的功率密度。
目前,常见的车用氢燃料电池系统级功率密度为0.8~0.9 kW/kg
[48],航空用氢燃料电池的能量密度为0.5~1.0 kW/kg,虽然与传统航空涡轮发动机仍有差距(3.5~3.7 kW/kg)
[49],但已能满足支线飞机的基本动力需求。航空应用对功率和轻量化设计要求更高,以适应飞行的高负荷环境。全球功率水平最高的航空氢燃料电池系统是空客ZEROe项目的IronPot和环球氢能公司的IronBird
[50],分别达到了1.2 MW和1 MW。汽车氢燃料电池功率通常在几十到几百千瓦之间,目前已开发出300 kW系统,应用于重载干线物流
[51]。在寿命方面,汽车氢燃料电池普遍超过5 000 h,重卡和巴士可达10 000 h甚至20 000 h以上,航空应用对可靠性和寿命要求更高,由于支线飞机加减载频率低于汽车,航空氢燃料电池寿命应超过25 000 h
[52-53]。
美国波音公司于2008年验证了氢能飞机的可行性,其燃料电池验证机基于改装双座Diamond电动滑翔机进行测试,该验证机功率密度0.3 kW/kg,成功爬升至1 000 m高度,并以100 km/h的速度维持平飞20 min
[41]。Kim等
[54]于2012年成功设计并试飞了燃料电池驱动的小型无人飞行器,验证了该动力系统在航空应用的可行性。2023年,全球氢燃料电池航空技术取得重要进展。美国ZeroAvia公司试飞了搭载600 kW燃料电池的19座多尼尔228验证机,为支线航空零排放提供了示范
[55]。空客公司完成了1.2 MW氢燃料电池系统的全功率测试
[56]。德国H2Fly公司完成了全球首次液氢驱动载人电动飞机HY4试飞,验证了液氢技术可将航程从750 km提升至1 500 km
[57]。美国环球氢能(UH2)公司改造了Dash-8-300飞机,采用模块化储氢设计,兼顾短途航程与客舱空间灵活性,可容纳40名乘客
[58]。德国MTU航空发动机公司完成了飞行燃料电池液氢燃料系统测试
[59]。北京航空航天大学研制的“氢动一号”全电航空发动机通过一体化设计,使续航时间较同质量锂电池提升一倍
[60]。19座多尼尔228验证机如
图6[61]所示。
目前,国内外针对氢燃料电池在无人机及通用航空领域的应用已取得实质性进展,主要研究机构通过样机试飞验证了技术可行性。燃料电池工作时较为静音,产生的机械振动小,并且不会产生NO
x排放,特别适配对噪音和排放敏感的场景。燃料电池装置已被确认为驱动航空辅助动力装置(APU)的理想能源方案,可显著降低飞机滑行阶段的燃油消耗
[62],该技术路线已获波音787等机型验证,实际节油率达18%~22%。
氢燃料电池在航空领域主要聚焦于质子交换膜和固体氧化物两类技术,其中固体氧化物电池因燃料兼容性强,在辅助动力装置中已展现出显著的节能与减排效益。但是,在远程航空领域,当前燃料电池尚无法提供所需功率密度。为满足远程航空和中大型飞机的节能需求,研究的重心逐渐向氢涡轮动力技术倾斜。
1.3 氢涡轮发动机
近年来,随着技术进步和对长航程、大载重飞行器需求的增加,氢涡轮发动机也成为研究热点,其在零碳排放、功率密度和能量密度方面存在显著优势。氢涡轮发动机的功率密度达到3~5 kW/kg,在考虑涡轮发动机热效率和氢供储系统质量占比的情况下,氢涡轮动力系统的能量密度也高达2 000~3 000 (W·h)/kg,在氢能涡电混合动力系统中如果考虑发电机效率则1 kg氢的发电量达到6 000~8 000 W·h。而现阶段纯电动飞机的锂电池能量密度仅可达到300 (W·h)/kg,与氢涡轮动力系统相比差了1个数量级。
氢涡轮发动机的关键是燃烧氢燃料产生热能并转换为动力,因此氢燃烧技术的进展直接影响氢涡轮发动机的发展。氢涡轮发动机的优势之一是零碳排放,但氢气燃烧速度快,火焰温度高,容易产生热点和NO
x排放
[63-64],因此优化燃烧过程、控制污染排放、提高热管理效率是其研究重点。
20世纪80年代,苏联图波列夫设计局成功试飞全球首架氢燃料飞机Tu-155(采用液氢/天然气双燃料系统),验证了氢燃料在航空发动机中的可行性
[65]。但之后由于面临全氢预混燃烧与燃烧室设计、燃料系统集成、飞机全系统集成验证以及氢燃料成本过高等难题,氢涡轮发动机研究进展缓慢。直到2020年,空客公司发布了零排放(zero emission,ZEROe)计划,提出了三种氢能航空的创新概念(
图7)
[1]:上单翼布局翼吊液氢燃料涡桨发动机、常规布局翼吊液氢燃料涡扇发动机以及翼身融合布局液氢燃料分布式动力。之后新型氢能航空概念逐渐向商业化靠拢,在英国航空航天技术研究院(Aerospace Technology Institute,ATI)的领导下,FlyZero公布了采用2台氢燃料涡扇发动机为动力的液氢燃料远程中型飞机概念
[66],法国航空航天实验室(Office National d’Études et de Recherches Aérospatiales,ONERA)则展示了一款200座级、航程约7 408 km的氢燃料客机概念。这些概念的提出为之后的氢涡轮发动机的发展提供了方向。不过,2025年空客公司宣布推迟ZEROe计划,并取消了部分测试计划,这给全球氢能航空的发展蒙上阴影。
表1展示了近年来国内外多家单位对于氢涡轮动力系统的集成验证,不仅在地面条件下对多种发动机进行了氢燃料测试和燃烧技术验证
[67],还模拟高空飞行条件测试了氢燃烧产物对高空卷积云形成的影响
[68],验证了氢燃料在不同发动机架构中的可行性和性能。这些针对氢涡轮发动机的地面和飞行测试,涵盖了从气氢到液氢燃料,从涡轴、涡桨到涡喷、涡扇等发动机构型,充分展示了氢燃料在未来航空动力系统中的应用潜力。当然,为了减少氢能航空初始研发的经费需求与潜在风险,现阶段主要对中小型涡喷、涡桨发动机开展整机地面和飞行验证,先期的应用场景也以短途、支线及通用航空为主。与国际上的航空发动机技术领先国家相比,中国在氢能航空动力技术领域的差距并不大,从近年来的研发进展来看,可以说国内外是齐头并进。
氢涡轮发动机目前凭借其高功率密度与高能量密度优势,成为面向中远程航空的主要氢能动力系统方案,但其发展受限于氢燃烧所面临的高温与氮氧化物排放挑战。近年来,多国推出商业化概念机,并通过大量地面与飞行测试,在多种构型发动机上验证了氢燃料应用的可行性。当前国内外研发进度基本同步,且以中小型发动机为近期应用焦点。
2 氢涡轮发动机核心技术的发展
如
图8[69-71]所示,氢涡轮发动机的概念创新和全系统集成验证需依靠核心部件的进一步突破,其中的关键核心技术主要包括氢燃烧、氢热管理、氢计量控制以及涉氢材料结构强度等。
2.1 氢燃烧技术
氢燃烧技术对于氢涡轮动力的发展至关重要。从防回火和降排放的角度,目前氢燃烧较优的方法是微混燃烧技术,可以分为微混预混燃烧和微混扩散燃烧,其思想都是通过将传统大尺度火焰转化为微小尺度火焰,以增强混合并减少停留时间,从而降低热力型NO
x生成,提高燃烧稳定性
[71]。微混预混燃烧更易产生回火,而微混扩散燃烧可降低回火风险,但往往伴随更高的NO
x排放。
美国GE公司设计了一种射流-横流混合氢燃料多管喷射器,如
图9[72]所示,通过多管喷射器的结构化设计,氢气与空气在微通道内形成离散分布的预混单元,可有效降低NO
x的排放
[72-73]。德国亚琛应用科技大学提出了微混扩散燃烧技术,如
图10[74]所示,目前技术已更新至第六代,氢气和高速的横向空气来流混合,会在下游形成内、外回流区,回流区之间的剪切层用于驻留火焰,可以保证火焰的稳定性,提高燃烧效率
[74-75]。
然而,微混燃烧也会伴随着热声不稳定性的发生
[76-77],易损坏燃烧室,影响发动机的寿命。Lee等
[78]以及Kang等
[79]的研究表明,多喷嘴阵列中的氢微混火焰会持续激发更高阶的纵向本征模态(可达1.8 kHz),在极短距离内存在更强的纵向振荡,易导致燃烧室内出现高频的热声振荡。Æsøy等
[80-81]、Ånestad等
[82]研究了富氢CH
4和纯氢预混火焰,发现增加氢气比例会显著缩短火焰长度,热释放区域更紧凑,声波与热释放脉动的耦合效率提升,导致火焰传递函数(flame transfer function,FTF)具有更宽的带通特性,使得火焰对更宽频率范围的扰动产生响应。氢微混火焰因其紧凑结构显著增强了声热耦合,从而加剧了热声不稳定性。
2.2 氢热管理系统
未来氢燃料在飞行器上将以液氢的形式存储,由于其高热容与超低温特性,使其成为突破航空发动机传统热管理架构的关键
[83],液氢燃料的传热冷却是氢涡轮发动机热管理最具特色和潜力的核心策略。
表2展示了在氢能航空热管理架构中对液氢冷能和废热的回收利用方式。除此之外,北京航空航天大学提出在氢涡轮发动机中引入He作为中间换热介质
[84],利用遗传算法对四种新的热管理架构进行评估,发现了表现最佳的循环架构。
目前最具有代表性的液氢涡轮发动机热管理架构是欧洲ENABLEH2计划提出的多级热交换架构以及普惠公司提出的HYSIITE(氢-蒸汽喷射中冷)架构。如
图11(a)所示,ENABLEH2方案主要应用了压气机空气预冷、压气机级间冷却和涡轮前高温空气换热,利用多级热交换系统实现氢燃料的梯级温升过程
[88],充分利用发动机各部件间的热能梯度,实现从低温液态到高温燃烧状态的平稳过渡。
图11(b)则展示了普惠公司的HYSIITE架构,该方案采用压气机级间冷却和再生式能量回收,不仅包含尾喷管余热回收,还进行尾气中水蒸气回收,冷却水通过与其他需要冷却的部件进行热交换后,以蒸汽形式喷射至中冷器和燃烧室,从而降低氢燃料燃烧火焰温度并抑制NO
x排放
[89]。
2.3 氢计量控制系统
涡轮发动机的燃料从航空煤油到氢燃料的转变,无论低密度气态氢还是低温液态氢都面临不易计量和控制的问题。而且氢燃料具有高反应性,为满足氢涡轮发动机的安全点火以及各种不同的运行条件,氢燃料流量计量控制系统须具备快速响应和高精度调节的能力。
如
图12所示,德国亚琛应用科技大学开发了高动态氢计量控制系统
[92],建立了氢专用PID(proportional-integral-derivative control)控制参数整定方法,使用液压驱动V形球阀,通过调节阀门开度控制氢质量流量,利用主控制器(véhicule électronique de commande et de pilotage,VECB)管理发动机转速,并新增PID模块专用于氢阀门位置闭环控制(5 ms周期),避免超调导致燃烧室过热或熄火。之后又基于自适应PID参数策略对氢与甲烷双燃料切换的控制策略进行改造,实现了燃料切换时转速调节自动优化
[93]。
Dijk等
[87]提出了一种新的燃料流量控制架构,通过模型前馈和压力闭环的创新架构,攻克了氢气流量控制的非线性难题,但目前传感器动态性能仍是瓶颈。部分研究者提出基于拉曼散射原理的氢燃料流量计,可同步测量流量与温度,可解决传统流量计在氢能应用中存在的精度低、需要示踪粒子、安全性差等问题,但目前仍然需要进一步的试验验证
[94]。
2.4 涉氢材料结构强度
高温合金是目前航空涡轮发动机热端部件使用的主要材料,但对于氢涡轮发动机来说,氢燃料带来的氢脆问题,可能会严重影响燃烧室和涡轮等热端部件的使用寿命和可靠性,同时,氢燃料常在热管理系统中用作冷却介质,这使得冷却通道往往会面临很高的温度梯度和应变,导致材料结构疲劳
[95-97]。因此,需要对涉氢材料的结构强度开展相应研究。
氢脆的产生是因为氢原子渗透进入金属晶格,之后在应力集中区晶界、位错等重组成为氢气,在此过程中会产生局部高压,从而引发微裂纹
[98-99]。Balytskyi等
[100]测试了传统合金材料单晶镍基合金(SM-104-VI,SM-90-VI和SM-88U-VI)在30 MPa氢压、20~900 ℃下的性能,发现SM-90-VI抗氢脆性最优。除了对传统合金材料进行氢脆试验外,还有很多学者提出了从增材制造(additive manufacturing,AM)工艺方面进行优化,优化的3D打印部件通常具有高抗氢侵蚀性
[101],发现AM304L部件在150℃下抗氢脆性优于轧制板材。Silverstein等
[102]用SLM方法研究了3D打印Ti-6Al-4V材料的氢脆、陷阱和脱附行为,发现
X-Y方向打印试样因高位错密度形成氢陷阱,抗氢脆性优于
X-Z方向。
由于氢燃料燃烧产生的燃气水蒸气含量很高,且火焰温度高,因此易发生高温下的水蒸气腐蚀现象,目前解决此问题的主要方法是设置热障涂层。Sullivan等
[103]对比MCrAlY黏结层,发现高Al含量配方在富水蒸气环境中更稳定。Opila等
[104]研究了水蒸气对单晶镍基高温合金表面APS YSZ顶层和超音速火焰喷涂NiCoCrAlY黏结层的热障涂层氧化行为的影响,发现NiCoCrAlY涂层在50%水蒸气中寿命仅比10%水蒸气环境降低20%。但目前仍缺乏与新型热管理架构(如HYSIITE)的材料协同研究。
氢涡轮发动机的关键技术突破集中于燃烧、热管理、控制及材料四大核心环节。燃烧技术聚焦于微混燃烧以降低回火风险,降低NOx排放,但仍面临新的热声振荡问题。热管理系统创新性地利用液氢冷能,提出了两种代表性的热交换架构来提升能量利用效率。控制方面的研究致力于实现氢气流量的快速、高精度计量。材料方面研究则重点应对氢脆与高温水蒸气腐蚀问题,通过合金优化、增材制造及涂层技术提升部件可靠性。这些关键技术的进展为氢涡轮发动机的工程化应用奠定了基础。
3 市场分析及应用挑战
目前,应对气候变化、实现碳减排的航空领域可行措施主要是可持续航空燃料(SAF)、电能和氢能三种方式,这也是全球航空业主要的趋势性选择。通过对不同能源形式可适用的飞机产品进行分析研判,目前SAF成本为航空煤油的2.5~8倍,产量仅占全球商用航空燃料的0.1%,这成为制约SAF燃料发展的主要原因
[105-106]。而电动航空器的航程、航时、载重等受到动力电池能量密度的限制,仅适用于短途轻型飞行器。因此,在综合考虑技术成熟度、经济可行性和环境效益等因素后,氢能被部分研究者认为是更具前景的方案。对于氢能航空应用,更常用形式是液氢,因为与压缩氢气相比液氢在保持较低供储系统重量的同时提供了高储氢密度,容积效率更合理
[107]。FlyZero项目的研究也表明,液氢燃料有潜力为绝大部分飞行活动(包括100%短途航线和93%远程航线)提供动力支持
[108]。
3.1 氢能航空市场分析
随着制氢、储氢、输氢、加氢、用氢等技术成熟和成本下降,氢能航空有望成为最便宜、最可持续的无碳飞行方式
[109]。除了飞机机身和动力推进技术,氢能航空的可持续发展能力还取决于低成本的绿氢生产,这需要在能源基础设施上进行大规模投资
[110]。空客公司指出,与所有其他脱碳航空运输方式相比,氢能航空动力技术的单位重量二氧化碳减排成本是最低的。此外,根据乐观的假设,由于氢能航空充分利用了氢的高热值,可能比目前的航空煤油飞机更轻,能耗更低,运营成本也更具竞争力
[111],但所面临的技术挑战和基础投资也最大。
与传统的航空煤油相比,氢燃料的质量热值高但能量密度低,因此在使用氢能作为动力时必须以压缩气体或者低温液体的形式进行储存。
表3展示了航空煤油、压缩氢气、液氢三种燃料形式的特性,其中压缩氢气采用最常用的70 MPa存储压力。可知,氢燃料的质量热值约为航空煤油的3倍,但是当前的绿氢价格为航空煤油的4~7倍
[112-113],从等效热值来看两者的价格正在逐渐接近,但还要考虑氢气加压或液化导致航空氢燃料成本再增加10%~20%,因此不断降低氢燃料的单位成本对氢能航空的竞争力来说至关重要。同时,液氢的能量密度高于压缩氢气,但仍比航空煤油的能量密度低四倍。由于压缩氢气需要存储在高压的环境下,因此需要专门的压力容器储罐来承载压力负荷。而液氢则需要储存在低温环境下,因此需要热管理系统以及低表面积/体积比的储氢罐,飞机的机翼不再适合承载燃料,需要放在机身或者专门的燃料舱中。这里引入质量占比的概念,是指燃料质量与燃料供储系统总质量之比。氢能飞机的机身质量比传统飞机高出近6%,额外的机身空间和外部燃料舱都会增加飞机本身的空气阻力
[111,114],也增加了制造成本。
表4展示了未来氢能航空领域氢燃料电池和氢涡轮发动机技术的应用场景预测以及所产生的环境效益。氢燃料电池电化学过程对氢气纯度的要求较高,而氢涡轮发动机燃烧化学过程对氢气纯度要求相对较低,因此在燃料制备成本上氢涡轮发动机更具应用优势。然而,目前氢燃料电池技术已相对成熟,相比之下,氢涡轮动力系统面临燃烧室和发动机软硬件改造成本高的问题,导致其研发和应用的投入大。
从性能方面来看,氢涡轮发动机的功率密度是氢燃料电池的3~5倍,更适合远程高速飞行,但系统复杂度增加。与氢内燃机相比,氢涡轮发动机振动噪声更低,但面临更严苛的材料耐温要求
[117]。
预计在2045年前后,氢能动力领域将迎来一系列技术突破,其中氢涡轮发动机、大功率涡轮发电机及电推进技术将实现产业化应用,同时,氢能存储的质量占比将不低于50%,而电力电子与电机系统的功率密度则将超过20 kW/kg。此外,航空业对液氢的需求预计将在21世纪40年代初达到1 000万t,并在50年代末进一步增长至4 000万t。为了满足这一需求增长,氢燃料产能提升与相关配套设施的建设必须同步推进
[118]。伴随着绿氢产量的增加,氢燃料的生产成本会降低,尽管如此,氢动力航空器的短程飞行成本仍为传统燃油飞机的1.25倍
[105],预计到2050年绿氢使用成本将基本上与传统燃油持平,但可以创造出全新的能源交通融合形态,提升航空能源自主供给能力。
3.2 氢能应用面临的挑战
根据现有技术研究与产业实践,氢能航空的应用仍面临多维度技术挑战,其核心矛盾集中于氢燃料储存系统与飞机结构设计的适配性、燃烧过程控制以及材料可靠性三大领域
[36,60,119-121]。
(1)氢燃料的大规模安全储存面临显著挑战,主要因其体积能量密度太低。若采用高压气氢存储,会占用较大机体空间,而液氢则对存储条件要求极高,需优化液氢储罐与机体结构的一体化设计,探索翼身融合、箱式机翼结构等创新构型,以提升安全性并优化飞机质量。此外,氢燃料的泄漏问题同样不容忽视,氢气高度易燃,且氢泄漏难以通过技术手段实时监测,一旦发生泄漏将带来极大的安全隐患。
(2)氢气在燃烧过程中存在爆燃和爆震的风险,尤其是在与空气预混后可能引发回火、爆炸。传统涡轮发动机燃烧室的几何形状不利于氢燃料与空气的充分混合,容易导致燃烧过程中出现局部高温,进而产生NOx。因此,需要探索更适合氢燃料燃烧的燃烧室方案,以优化燃料与空气的混合效果,降低回火、爆燃和NOx排放的风险。
(3)氢气渗入金属材料内部,会导致材料在应力作用下发生开裂和脆化现象,即氢脆。此外,氢气与金属材料发生化学反应,可能引发氢腐蚀,进一步削弱材料的机械性能和耐久性。因此,氢脆和氢腐蚀是涉氢环境下金属材料面临的两大关键问题,需要采取有效的防护措施。
4 总结与展望
结合文献计量与定性分析的方法,对氢能航空及其动力技术的发展趋势进行了统计和详细分析,总结了市场和应用方面的挑战,得到以下结论。
(1)氢能航空在减少碳排放方面具有巨大优势,各国纷纷制定了一系列的政策和研究计划来推动氢能航空的研发。氢能航空领域具有“基础研究-技术攻关-场景应用”的立体化发展特征。目前的全球氢能航空研究以美、欧、中为主导,均在氢能航空领域发布了一系列国家政策。国内外学术界在氢能航空动力技术领域均确立了燃烧动力学优化与热力学耦合提升的核心地位,以污染排放为关键,印证了全球对航空器带来的环境影响的重视。
(2)从核心技术维度看,氢燃烧是氢涡轮动力的核心技术之一,挑战在于燃烧室回火、振荡等问题。传统的航空煤油涡轮发动机追求低排放,预混燃烧是常用方式。但对于氢涡轮发动机而言,预混燃烧方式极易造成回火,同时产生燃烧振荡的风险高,扩散燃烧可以避免这些问题但会带来NOx排放高的问题。目前的可能解决方案是采用兼具两者优点的微混燃烧方式,可实现快速、均匀但非完全的预混,从而使回火、排放和振荡问题尽可能达到最优解。但是微混燃烧使得众多小火焰相互作用也会带来新的高频振荡模态,这是该技术面临的新挑战。要解决这些问题,需要揭示氢在高温高压流热耦合条件下的火焰动力学,即火焰的传播和变形、点熄火机理以及污染物生成的路径等。
(3)氢内燃机的调控关键在于在单个冲程内的不同相位角采用动态调节,通过调节脉宽等手段解决氢燃烧特有的早燃与回火问题。氢燃料电池则主要受制于电池功率密度低、动态响应慢和耐久性等问题,为此,当前对氢燃料电池的研究重点围绕开发高性能低铂或非铂催化剂、增强膜电极耐久性、优化系统控制策略以实现快速冷启动和负载跟随等方面展开。
(4)从市场维度看,氢能航空凭借零排放和较低脱碳成本,成为航空脱碳优选路径。虽然短期内运营成本高于传统燃油发动机,且面临储氢质量占比低的问题,但随着氢供储、氢涡轮发动机和能量管理等技术走向成熟,混合电推进技术突破以及可再生能源制氢成本的持续下降,其产业化发展将得到加速。与能源结构转型和区域经济发展模式转变深度融合,氢能航空有望实现商业闭环。
未来,氢能航空的发展,最终取决于在基础研究、工程集成与产业化3个层面上一系列严峻挑战的系统性攻克。
(1)在基础研究层面,特别是氢燃烧,亟待深入揭示氢燃料高温高压燃烧条件下的火焰动力学、污染物生成及与流场、声场的耦合机制,并阐明氢脆、氢腐蚀等材料失效的微观机理以及氢蒸发多相动态传热机理,为开发下一代低排放氢燃烧技术、氢换热技术与长寿命抗氢材料奠定理论基石。
(2)在工程集成层面,核心挑战在于管理机载氢能供储系统和动力系统内部高度耦合的多物理场复杂性与构建全新的适航安全体系,这要求实现从储氢、热管理到控制的系统级优化设计,并建立不同于传统航空的、覆盖全生命周期的新型安全设计与验证方法。从系统的集成和验证看,未来氢能航空动力装置是一个流、热、声、电高度耦合的多物理场系统。高效利用液氢“冷能”进行发动机热管理并提升循环效率,需要协调燃料相变、多回路换热、发动机状态与控制逻辑,系统集成设计与动态匹配优化极具挑战。同时,由于氢的理化特性与航空煤油迥异,现有的适航规章与符合性方法大多不适用。从机载储氢、燃料输送、泄漏监测、防火防爆到应急处置,都需要建立全新的安全理论基础、设计准则和验证方法。如何在没有长期服役数据积累的情况下,通过分析、试验和仿真相结合的手段,证明其安全性达到与现行航空器同等的水平,是实现氢能航空动力产业化发展的重大工程技术挑战。
(3)在产业化层面,关键在于同步推动绿氢制储运加全链条的基础设施建设与经济性突破,并通过全生命周期协同分析与国际标准体系建设,促进技术研发、成本下降与市场需求的良性互动。因此,氢能航空的发展路径将为航空业的深度脱碳和可持续发展提供至关重要的技术支撑与决策依据。
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