孫敏

新冠肺炎疫情持續(xù)蔓延令歐洲航空業(yè)遭遇空前的挑戰(zhàn)。6月，作為歐洲航空工業(yè)領(lǐng)頭羊的法國(guó)出臺(tái)了一項(xiàng)耗資150億歐元的航空工業(yè)支持計(jì)劃。在這份計(jì)劃中，除了優(yōu)先保障就業(yè)、為企業(yè)提供援助和動(dòng)員公共訂單尤其是軍用訂單這些“常規(guī)動(dòng)作”外，法國(guó)政府還特別強(qiáng)調(diào)了將在未來(lái)5年內(nèi)每年投資15億歐元資助企業(yè)持續(xù)創(chuàng)新。而在所有的創(chuàng)新項(xiàng)目中，最具優(yōu)先權(quán)的是計(jì)劃2035年實(shí)現(xiàn)零排放的綠色飛機(jī)項(xiàng)目。對(duì)此，法國(guó)經(jīng)濟(jì)部長(zhǎng)在發(fā)布這一援助計(jì)劃時(shí)表示，政府的這一投資旨在將法國(guó)航空業(yè)打造成低碳航空運(yùn)輸和能源轉(zhuǎn)型的全球領(lǐng)導(dǎo)者。

在這個(gè)宏偉的計(jì)劃中，氫能被寄予厚望。法國(guó)能源過(guò)渡和運(yùn)輸部長(zhǎng)表示，氫能不僅是未來(lái)綠色飛機(jī)的主要技術(shù)選項(xiàng)，同時(shí)也被視為歐洲后疫情時(shí)代實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)的重要手段。

一個(gè)月后，在范堡羅航展的虛擬研討會(huì)上，歐洲航空工業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)企業(yè)空客表示，公司已經(jīng)將氫能源視為實(shí)現(xiàn)未來(lái)十年將零排放商用客機(jī)推向市場(chǎng)的主要能源，公司計(jì)劃在2030年左右推出首款零排放的商用飛機(jī)。一時(shí)間，氫能飛機(jī)成為了行業(yè)的熱門(mén)話題。

脫碳的挑戰(zhàn)

近年來(lái)，由于人們對(duì)于環(huán)境保護(hù)的意識(shí)不斷提升，脫碳已經(jīng)成為了航空業(yè)面臨的一大挑戰(zhàn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全球航空運(yùn)輸業(yè)每年的二氧化碳排放量超過(guò)9億噸，約占全部人類(lèi)活動(dòng)碳排放的2%。因此，全球范圍內(nèi)的監(jiān)管機(jī)構(gòu)近年來(lái)都在逐步推動(dòng)行業(yè)減排。

2009年，國(guó)際航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)（IATA）為行業(yè)設(shè)定了一個(gè)艱巨的減排目標(biāo)，即2020年前燃油效率年均提高1.5%，2020年達(dá)到碳中和，2050年航空運(yùn)輸業(yè)碳排放量減少50%。此外，歐盟也通過(guò)綠色航空相關(guān)政策設(shè)定了航空減排的目標(biāo)。

從可實(shí)現(xiàn)的角度來(lái)看，航空脫碳主要依靠?jī)煞N方式。一是技術(shù)的進(jìn)步。為此，過(guò)去20年，航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造商通過(guò)技術(shù)的不斷改進(jìn)，來(lái)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油效率。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油效率平均每年可提高2%，但客觀來(lái)說(shuō)，要想在現(xiàn)有的技術(shù)、材料基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油效率質(zhì)的飛躍已不太現(xiàn)實(shí)。因此，新燃料成為了行業(yè)脫碳的另一個(gè)重要手段，通俗地講，就是使用新能源飛機(jī)。

與新能源汽車(chē)采用電動(dòng)化的路線有所不同，航空領(lǐng)域更關(guān)注液體燃料的清潔化。此外，由于遠(yuǎn)程航線對(duì)能量供給需求大，目前的電池能量密度和電池重量還遠(yuǎn)不能達(dá)到要求。在綜合考慮這兩個(gè)因素后，氫燃料被寄予厚望。這主要是因?yàn)闅錃馑a(chǎn)生的推力是航空煤油的3倍，但所釋放的二氧化碳量為零，氮氧化物也為超低排放。

此外，氫燃料飛機(jī)還可以幫助飛機(jī)制造商解決機(jī)載存儲(chǔ)與飛機(jī)減重的問(wèn)題。氫燃料電池通過(guò)在經(jīng)過(guò)特殊處理的板上混合氫和氧來(lái)產(chǎn)生電能，為電池和馬達(dá)提供動(dòng)力，這些板結(jié)合起來(lái)形成燃料電池堆。而燃料電池堆和電池使得工程師們可以大幅減少機(jī)載部件，從而減輕飛機(jī)重量。從理論上來(lái)看，在技術(shù)成熟之后，氫燃料飛機(jī)未來(lái)還可以借助液態(tài)氫儲(chǔ)存技術(shù)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)途飛行。

因此，早在2008年，波音就成功試飛了一架以氫燃料電池為動(dòng)力的小型飛機(jī)。但之后，由于種種原因，行業(yè)對(duì)于氫燃料的應(yīng)用熱情并不高。近兩年，國(guó)際上對(duì)于氫能在航空領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸積極起來(lái)，包括美國(guó)、歐盟和俄羅斯、中國(guó)在內(nèi)的國(guó)家和地區(qū)都啟動(dòng)了對(duì)氫燃料電池飛機(jī)的研究，以加快推動(dòng)航空業(yè)脫碳的步伐。

初步的嘗試

作為全球航空航天業(yè)新技術(shù)研發(fā)的前沿機(jī)構(gòu)，NASA過(guò)去幾年一直在承擔(dān)一項(xiàng)開(kāi)發(fā)低溫氫燃料電池系統(tǒng)的項(xiàng)目，該項(xiàng)目計(jì)劃為一架全電動(dòng)飛機(jī)提供動(dòng)力。項(xiàng)目由伊利諾伊大學(xué)牽頭，探索液態(tài)氫燃料電池作為環(huán)保能源的潛力。這項(xiàng)研究規(guī)劃使用低溫液態(tài)氫，可以在不需要重型加壓儲(chǔ)罐的情況下產(chǎn)生清潔動(dòng)力。如果這項(xiàng)技術(shù)取得進(jìn)展，那么未來(lái)氫能源將為商用飛機(jī)的發(fā)展帶來(lái)革命性的變革。

2017年，歐洲啟動(dòng)了一個(gè)研發(fā)模塊化串聯(lián)混合電推進(jìn)系統(tǒng)的項(xiàng)目——MAHEPA。該項(xiàng)目由輕型電動(dòng)飛機(jī)制造商斯洛文尼亞的蝙蝠飛機(jī)公司主持，旨在使用輕型飛機(jī)作為測(cè)試平臺(tái)開(kāi)發(fā)和測(cè)試模塊化混合動(dòng)力推進(jìn)技術(shù)，通過(guò)真實(shí)的飛行數(shù)據(jù)來(lái)研究如何在2050年前將航空碳排放量減少70%。目前，該項(xiàng)目已先后搭建G4（電池版）和HY4（氫燃料電池版）兩個(gè)平臺(tái)。其中，HY4是2016年9月試飛的一款四座飛機(jī)，搭載德國(guó)航空航天中心（DLR）開(kāi)發(fā)的氫燃料電池動(dòng)力總成。根據(jù)計(jì)劃，最新版本的HY4混合動(dòng)力系統(tǒng)測(cè)試將在2020年進(jìn)行。

2018年，由英國(guó)幾所高校發(fā)起的一個(gè)名為“清潔氫燃料商用飛機(jī)”計(jì)劃啟動(dòng)。該計(jì)劃是由克蘭菲爾德大學(xué)的學(xué)者和行業(yè)高層領(lǐng)導(dǎo)人發(fā)起的。這一計(jì)劃旨在解決氫動(dòng)力飛行所面臨的一些主要難題，如機(jī)載存儲(chǔ)、燃料的生產(chǎn)成本以及安全問(wèn)題。

在歐美國(guó)家之外，中國(guó)、俄羅斯和新加坡也開(kāi)始了在氫能源飛機(jī)領(lǐng)域的探索。

在2019年的莫斯科航展上，俄羅斯研發(fā)的第一架環(huán)保且近乎無(wú)聲的氫能源動(dòng)力飛機(jī)——Sigma-4首次亮相。這架飛機(jī)翼展9.8米，長(zhǎng)6.2米，起飛重量600公斤，功率75千瓦，飛行距離為300公里。工程師介紹，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中所使用的氫氣并不會(huì)燃燒，而是與氧氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電力，排放出的水蒸氣則會(huì)釋放到大氣中。

新加坡的HES公司則研發(fā)出了一款名為ELEMENT ONE的零排放、遠(yuǎn)程氫電動(dòng)力飛機(jī)。這架飛機(jī)由分布式氫電推進(jìn)裝置提供動(dòng)力，可以承載4名乘客飛行500～5000公里。

在中國(guó)，中國(guó)商飛北研中心與國(guó)家電投集團(tuán)氫能科技發(fā)展有限公司發(fā)起了“靈雀H”新能源驗(yàn)證機(jī)的研制，共同探索飛機(jī)動(dòng)力匹配、氫燃料電池動(dòng)力技術(shù)、動(dòng)力系統(tǒng)集成、能量管理及安全保障等技術(shù)。

“靈雀H”驗(yàn)證機(jī)翼展6米，創(chuàng)新性地采用了氫燃料電混合動(dòng)力技術(shù)，旨在驗(yàn)證以氫燃料電池為主、鋰電池為輔的混合動(dòng)力技術(shù)在飛機(jī)上的使用?！办`雀H”驗(yàn)證機(jī)共有4個(gè)構(gòu)型，涵蓋固定式和可收放2種起落架及V尾、T尾、常規(guī)尾3種不同尾翼構(gòu)型，均采用了大展弦比支撐翼氣動(dòng)布局，有效提升了包括飛機(jī)飛行航時(shí)在內(nèi)的飛行性能。經(jīng)過(guò)迭代改進(jìn)，“靈雀H”驗(yàn)證機(jī)航時(shí)超過(guò)24小時(shí)。

2019年3月10日，“靈雀H”新能源驗(yàn)證機(jī)在鄭州上街機(jī)場(chǎng)試飛成功。飛機(jī)飛行平穩(wěn)，全系統(tǒng)狀態(tài)良好，符合仿真預(yù)期，作為動(dòng)力源的氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)得到了充分驗(yàn)證。

此外，2019年3月，由中科院大連化物所與遼寧通用航空研究院聯(lián)合研制的首架有人駕駛氫燃料電池試驗(yàn)機(jī)在沈陽(yáng)試飛成功，飛機(jī)飛行高度320米，全程零污染排放。這次試飛突破了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，電池輸出性能、安全性、可靠性等各方面全部達(dá)到技術(shù)要求，在零下20℃的環(huán)境下，氫燃料表現(xiàn)出優(yōu)良的存放、啟動(dòng)和運(yùn)行性能。

氫能飛機(jī)的未來(lái)探索

經(jīng)過(guò)過(guò)去幾年的初步探索，如今歐洲各國(guó)迫不及待地希望加快推進(jìn)氫能源在航空領(lǐng)域的應(yīng)用，尤其是在商用航空領(lǐng)域。

歐盟的“凈潔天空3”計(jì)劃明確強(qiáng)調(diào)，如果要在2050年實(shí)現(xiàn)凈零碳排放目標(biāo)的話，那么環(huán)保型的綠色飛機(jī)就必須在2035年投入使用。在此背景下，2020年5月，在歐盟“凈潔天空2”和“燃料電池與氫氣”計(jì)劃的支持下，著名咨詢(xún)公司麥肯錫發(fā)布了一份名為《2050年前氫動(dòng)力航空的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和氣候影響》的報(bào)告。該報(bào)告預(yù)測(cè)了氫氣燃燒和燃料電池動(dòng)力推進(jìn)的技術(shù)發(fā)展，評(píng)估了相關(guān)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性，并將它們與合成燃料進(jìn)行了比較，考慮了對(duì)飛機(jī)設(shè)計(jì)、機(jī)場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)施和燃料供應(yīng)鏈的影響。

報(bào)告認(rèn)為，顛覆性的飛機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)及機(jī)載系統(tǒng)創(chuàng)新與氫能源技術(shù)的結(jié)合，可使航空運(yùn)輸對(duì)全球變暖的影響降低50%～90%。報(bào)告認(rèn)為2035年前可以引入采用氫能源的短程干線飛機(jī)（81～165座級(jí)），到2050年，氫能源飛機(jī)將占所有在役機(jī)隊(duì)的40%。歐盟委員會(huì)對(duì)這樣的研究結(jié)論表示了支持。而作為“凈潔天空”計(jì)劃重要參與者的企業(yè)們，無(wú)論是初創(chuàng)型公司還是空客這樣的行業(yè)巨頭，都已經(jīng)在積極行動(dòng)。

2020年7月，飛行器設(shè)計(jì)制造公司ZeroAvia宣布完成了目前全球最大的氫動(dòng)力飛機(jī)的第一階段試飛。該試飛驗(yàn)證機(jī)是一架六座Piper M350飛機(jī)。該項(xiàng)目由英國(guó)政府出資，6月在英國(guó)克蘭菲爾德機(jī)場(chǎng)完成了首飛。根據(jù)計(jì)劃，ZeroAvia公司將在2023年前進(jìn)行10～20座級(jí)500英里航程的氫動(dòng)力飛機(jī)的取證工作。

在法國(guó)，政府已經(jīng)將氫能視為未來(lái)經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇的重要支柱。法國(guó)政府認(rèn)為，氫能不僅是未來(lái)綠色飛機(jī)的主要技術(shù)選項(xiàng)，同時(shí)也將是法國(guó)，乃至整個(gè)歐洲后疫情時(shí)代實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)的重要手段。為此，法國(guó)國(guó)際關(guān)系研究所日前發(fā)布的《歐盟氫能戰(zhàn)略展望》指出，一項(xiàng)穩(wěn)健、成本效益高的歐洲氫能戰(zhàn)略將成為“歐盟經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇計(jì)劃”的支柱，并加速歐洲經(jīng)濟(jì)體的脫碳進(jìn)程。對(duì)此，法國(guó)《回聲報(bào)》評(píng)論說(shuō)，“如果每一次危機(jī)都蘊(yùn)含著機(jī)會(huì)，那么航空業(yè)史上最嚴(yán)重的危機(jī)也可能是實(shí)現(xiàn)重大技術(shù)變革的機(jī)會(huì)?！?/p>

今年7月6日，法國(guó)政府正式發(fā)布了“綠色飛機(jī)計(jì)劃”。按照這一計(jì)劃，包括空客在內(nèi)的法國(guó)國(guó)內(nèi)航空企業(yè)將在2035年左右推出零排放的綠色飛機(jī)，這一計(jì)劃將有1300多家企業(yè)參與。

2020年4月，宣布取消與羅羅公司聯(lián)合的E-Fan X混合動(dòng)力驗(yàn)證項(xiàng)目后，空客首席技術(shù)官格拉齊亞·維塔蒂尼就暗示未來(lái)公司會(huì)將研發(fā)重點(diǎn)轉(zhuǎn)向氫動(dòng)力飛機(jī)?？湛土闩欧偶夹g(shù)副總裁格倫·利韋林在6月中旬向媒體解釋了這一轉(zhuǎn)變的原因，他表示：“我們?cè)冢‥-Fan X）項(xiàng)目中發(fā)現(xiàn)了個(gè)別有價(jià)值的技術(shù)，但是就串行混合電推進(jìn)構(gòu)型整體而言，并未帶來(lái)支撐未來(lái)航空發(fā)展的顛覆性（碳排放）降低?！?/p>

在7月的范堡羅航展虛擬研討會(huì)上，空客終于揭開(kāi)了其氫能飛機(jī)研發(fā)的面紗。公司披露了其氫能飛機(jī)研發(fā)的時(shí)間表，即在2024～2025年完成氫動(dòng)力相關(guān)技術(shù)的選擇（主要是燃料電池推進(jìn)、氫氣燃料燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池+燃?xì)廨啓C(jī)混合動(dòng)力），在2020年代后期完成小尺寸技術(shù)驗(yàn)證機(jī)研制，并啟動(dòng)全尺寸原型機(jī)研制工作，以確保在2030～2035年間，實(shí)現(xiàn)百座級(jí)以上氫動(dòng)力客機(jī)的商業(yè)化運(yùn)營(yíng)。

目前，空客尚未在渦輪雙引擎中燃燒氫氣或在機(jī)身中安裝燃料電池之間做出選擇，盡管后者通常被視為最有效的氫能源使用方式。使用液態(tài)氫還是氣態(tài)氫仍然在考慮之中，相應(yīng)地，選擇燃料電池還是渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，最終的技術(shù)方案將對(duì)氫能源飛機(jī)及整個(gè)配套生態(tài)系統(tǒng)（從機(jī)場(chǎng)設(shè)施到空中交通管理）產(chǎn)生重大影響。

氣態(tài)氫和液態(tài)氫各自的優(yōu)點(diǎn)正在被徹底評(píng)估，法國(guó)政府資助的Hyperion研究計(jì)劃將評(píng)估氫氣飛機(jī)推進(jìn)的風(fēng)險(xiǎn)，包括低溫系統(tǒng)。這表明空客正在考慮液態(tài)氫，而不是壓縮氫——前者的儲(chǔ)存方式看起來(lái)更適合航空業(yè)對(duì)能量密度的需求，但在技術(shù)和效率上都更具挑戰(zhàn)性。

空客在進(jìn)行氫動(dòng)力飛機(jī)驗(yàn)證機(jī)的相關(guān)技術(shù)開(kāi)發(fā)的同時(shí)，也進(jìn)行了氫動(dòng)力飛機(jī)生態(tài)建設(shè)的初步探索?？湛鸵雅c易捷航空和Scandinavian Airlines等航空公司簽署了諒解備忘錄，共同探討將氫能源飛機(jī)引入民航生態(tài)系統(tǒng)的問(wèn)題與途徑，包括運(yùn)營(yíng)現(xiàn)實(shí)的變化、航空公司愿意做出的妥協(xié)與改變，以及潛在的不同商業(yè)模式等?？湛歪槍?duì)氫能源客機(jī)創(chuàng)建的運(yùn)營(yíng)模型顯示，通過(guò)采用“輪輻式”運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)，可以使氫能源客機(jī)滿(mǎn)足數(shù)量驚人的歐洲民航航班，而這種模式下氫能源的基礎(chǔ)設(shè)施可僅在樞紐機(jī)場(chǎng)提供。

從填補(bǔ)空白到積極嘗試，我們已經(jīng)可以看到氫能作為航空未來(lái)新動(dòng)能的可能性，但距離大量使用還有很多難關(guān)需要攻克。雖然氫氧燃料電池的發(fā)展前景很好，但是氫氣制取的成本卻是普通汽油的數(shù)倍，這個(gè)價(jià)格是市場(chǎng)難以承受的。即使世界各國(guó)都將目光投向了利用太陽(yáng)能來(lái)分解水這種廉價(jià)、低成本的方式，但是目前仍缺少一種在價(jià)格、效率等方面都適合推廣的催化劑來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

此外，由于制氫地與用氫地往往存在一定的空間距離，在沒(méi)有完整的輸氫管網(wǎng)的情況下，需要通過(guò)高壓氣態(tài)等方式運(yùn)輸至用氫地，成本較高。同時(shí)，如何保證氫氣在儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中的安全也是制約氫能行業(yè)發(fā)展的瓶頸。

從1520年瑞典人帕拉塞爾蘇斯首次發(fā)現(xiàn)氫氣，到1954年科學(xué)家研究制造出世界上第一款實(shí)用性氫氧燃料電池，其間經(jīng)歷了400多年。如今，盡管科技的發(fā)展日新月異，但要想在短時(shí)間內(nèi)找到一種新能源并投入商用，難度不可謂不大。不過(guò)，筆者相信，伴隨著行業(yè)對(duì)于脫碳的決心以及對(duì)氫能發(fā)展的信心與支持，氫能在航空業(yè)的應(yīng)用值得期待！