氢能飞机如何从图纸变为现实

董帼雄

近两年，绿色环保已经成為了航空业的热门话题。一方面，飞机制造商从原材料、生产工艺的角度不断推行绿色制造，另一方面如何使用更环保、更低碳排放的航空燃料也成为了制造商、航空公司等多方共同关心的话题。其中，氢能源凭借独一无二的优势被认为是航空业未来实现零碳排放和可持续发展的战略能源。在欧洲，氢能源更是不仅被视为未来绿色飞机的重要技术选项，同时也被视为欧洲后疫情时代实现低碳经济的重要手段。

脱颖而出的氢能

近年来，由于人们对于环境保护的意识不断提升，脱碳已经成为了航空业面临的一大挑战。据统计，目前全球航空运输业每年的二氧化碳排放量超过9亿吨，约占全部人类活动碳排放的2%。因此，全球范围内的监管机构近年来都在逐步推动行业减排。

2009年，国际航空运输协会（IATA）为行业设定了一个艰巨的减排目标，即2020年前燃油效率年均提高1.5%，2020年达到碳中和，2050年航空运输业碳排放量减少50%。此外，欧盟也通过绿色航空相关政策设定了航空减排的目标。

从可实现的角度来看，航空脱碳主要依靠两种方式。一是技术的进步。为此，过去20年，航空发动机制造商通过技术的不断改进，来提高发动机的燃油效率。据统计，目前航空发动机的燃油效率平均每年可提高2%，但客观来说，要想在现有的技术、材料基础上，实现发动机燃油效率质的飞跃已不太现实。因此，新燃料成为了行业脱碳的另一个重要手段，通俗地讲，就是使用新能源飞机。

与新能源汽车采用电动化的路线有所不同，航空领域更关注液体燃料的清洁化。此外，由于远程航线对能量供给需求大，目前的电池能量密度和电池重量还远不能达到要求。在综合考虑这两个因素后，氢燃料被寄予厚望。这主要是因为氢气所产生的推力是航空煤油的3倍，但所释放的二氧化碳量为零，氮氧化物也为超低排放。

此外，氢燃料飞机还可以帮助飞机制造商解决机载存储与飞机减重的问题。氢燃料电池通过在经过特殊处理的板上混合氢和氧来产生电能，为电池和马达提供动力，这些板结合起来形成燃料电池堆。而燃料电池堆和电池使得工程师们可以大幅减少机载部件，从而减轻飞机重量。从理论上来看，在技术成熟之后，氢燃料飞机未来还可以借助液态氢储存技术实现长途飞行。

早在2008年，波音就成功试飞了一架以氢燃料电池为动力的小型飞机。但之后，由于种种原因，行业对于氢燃料的应用热情并不高。近两年，国际上对于氢能在航空领域的应用逐渐积极起来，包括美国、欧盟和俄罗斯、中国在内的国家和地区都启动了对氢燃料电池飞机的研究，以加快推动航空业脱碳的步伐。

氢能，未来的战略资源

根据国际民航组织（ICAO）的预测，基于现有传统航空技术的进步，航空业可持续发展以及2050年碳排放减少至2005年50%的目标将无法实现。因此，发展可持续航空技术，开发包括太阳能、生物燃料和氢燃料等石化燃料以外的替代能源，将成为航空业实现碳减排目标的重要任务之一。

相比传统能源，氢燃料的能量密度是标准航空燃料的3倍，航空业未来如果使用氢能代替传统石油将不但可以实现二氧化碳零排放，同时还能有效减少其他污染物的排放量。因此，对于航空业来说，发展氢能航空技术将成为航空运输业实现碳中和的主要途径，将成为航空技术发展的重要发展趋势。

在欧洲，氢能源技术的研发更被视为一项战略任务。法国国际关系研究所发布的《欧盟氢能战略展望》中明确指出：“一项稳健、成本效益高的欧洲氢能战略将成为欧盟经济复苏计划的支柱，并加速欧洲经济体的脱碳进程。”在此背景下，法国出台了高达150亿欧元的航空业支持计划。计划明确提到，政府在未来5年内将每年投入15亿欧元资助企业进行技术研发，而最具优先权的项目就是2035年实现零碳排放的绿色飞机计划。法国政府希望这一计划不仅能够帮助法国航空业领先其美国竞争对手，更能够带动该领域所涉及的1300多家企业的发展。这一“绿色飞机”发展计划希望空客能够在2030年左右推出A320系列飞机的继任者，技术目标是实现燃油消耗降低30%，2035年左右推出零排放的氢能飞机。

此外，德国政府也将为其“国家氢气战略”投入70亿欧元，该战略将支持在飞机推进和混合动力飞行中使用氢气。同时，德国政府还考虑在航空燃料中强制规定氢能的使用比例，不过该计划目前尚未有明确的时间表。

与此同时，欧盟也在区域内领导全面建设氢能经济，包括地面交通、工业制造等。2019年，西门子和阿尔斯通已经开始试运行氢燃料电池火车，奔驰公司也在今年9月公布了新的车型计划，计划在2023年与合作伙伴开始试运行氢燃料电池重卡，2025年实现量产。可见，欧洲各国对在航空业使用氢能已经达成了一致。

而氢能源的利用之所以如此受到重视，除了节能环保方面的考虑之外，能源结构的转型或许是更深层次的考虑。当今，国际形势变幻莫测，提高能源自给保障能力、提升能源战略安全，对于欧盟来说重要性不言而喻。如果仔细分析欧洲现有的能源结构，不难发现，氢能源似乎是提高欧洲能源自给保证能力的唯一选择。欧洲缺乏燃煤储量和大量使用的社会舆论环境、北海地区的油气储量有限、缺乏锂电池原材料和供应链、耕种面积和气候难以满足生物燃料作物的大规模种植，综合考虑上述因素后，欧盟选择氢能进行能源结构转型也就不难理解了。此外，对于欧洲各国来说，如果此次能源结构转型能够获得成功的话，将带动区域内相关科技研发、经济发展和GDP的增长，开拓新的增量市场和就业机会。

氢能使用的挑战

根据新思界产业研究中心发布的《2021年全球及中国氢能飞机产业深度研究报告》显示，未来随着飞机推进系统、低温存储技术、氢燃料提取以及专门用于氢动力飞机的结构设计等领域技术的不断突破，未来全球氢能飞机市场规模将在2030年左右达到70.9亿美元的规模，复合年增长率达到47%。

基于动力源划分，氢燃料电池氢能飞机将在2030年前成为最大的细分市场。根据航程划分，在预测期内20公里至100公里的航段将引领氢能飞机市场。根据客运量划分，预测期内可乘坐10名以上旅客的细分市场规模最大。这份预测报告显示，在预测期内欧洲有望成为氢能飞机市场增长最快的地区，该地区的空客、GKN航空航天等都有望成为这一细分市场的领导企业。

以空客为例，公司发布了代号为“ZEROe”的3款零排放氢能源飞机概念设计方案。尽管这3款飞机采用了不同的空气动力学构型和动力系统配置形式，但都采用氢能源作为主要能源。根据计划，空客新型氢能源飞机将于2035年投入运营，如果这一目标实现，将成为全球首款零排放商用飞机。为了实现这一既定目标，空客计划按照“三步走”的方式进行推进：2021年进行地面演示;2023年氢燃料飞机交付;将氢燃料推广应用到空客全系产品，包括直升机产品和其他商用飞机产品。今年8月，汉莎航空表示，公司对空客这一项目十分感兴趣，如果空客能够成功研制氢能飞机，汉莎将有意成为其启动用户。

然而，尽管氢能有许多显而易见的优势，但真正要用氢能替代传统燃油，不仅需要飞机制造商做大量的工作，更需要行业配套企业推进相关的工作，以配合新能源在航空业的推广应用。

首当其冲的是监管机构的监管將从飞行器扩展到航空器以外。从航空器本身来说，氢能飞机由于机体结构、动力系统以及燃料存储方式与现有燃料相比有着显著差异，未来氢能飞机只有在达到同等甚至更高的适航安全标准后，才能真正投入商业运营。除了飞行器本身之外，正如欧洲航空安全局（EASA）在一次媒体发布会上所说的那样，“利用氢能实现绿色转型还需要更多基础设施保障，甚至对于监管机构来说，其监管范围可能还需扩大到航空器以外。”为此，EASA已经成为了专门的科学委员会，致力于加强各企业、高校之间的科研合作，以解决相关技术难题。

其次，是氢能源的生产和存储问题。由于氢燃料与传统石油燃料有很大的不同，对于机场来说，如何低成本实现氢燃料的运输和存储，将直接影响到航空公司未来的运营。

目前已有的研究表明，液氢存储罐应采用球形或柱形，而传统机翼油箱不适宜储存液氢燃料。因此，对于中短程客机而言，需要对现有机体结构进行调整或重新设计。因此，对于飞机制造商来说，如果要采用氢能就需要引入全新的、革命性的机体设计思路，如翼身融合设计、箱式机翼结构等，以达到提高飞机内部空间结构利用率的目的。

当然，上述这项工作并不是飞机制造商一家能够解决的。几十年来，航空行业已经对当前涡轮发动机所需的传统燃料有了全面认识，并在生产、使用、存储等各个环节积累了丰富的经验。但由于氢燃料与传统燃油有着本质区别，因此如何安全、高效地使用需要监管机构、机场、航空公司等多方共同协作，从而实现管理措施、关键技术等方面的创新突破，就目前来看，氢能源相关的理论、应用等仍有很多未知的领域有待突破。