FlyZero项目中的氢动力客机概念图。支线飞机概念FZR-1E。中型飞机概念FZM-1G。窄体机概念FZN-1E。

田涛　何鹏　程文旺
　　在全球航空业碳减排的时代大潮中，英国通过布局氢动力飞机研究项目，希望在民用客机领域重夺主导权。
　　今年3月，英国航空航天技术研究所公布了FlyZero项目的三款氢动力客机概念，涵盖支线、窄体和中型客机，而FlyZero项目的目标是到2030年实现商业航空的零碳排放。
　　本次信息披露的内容包括关键技术路线图、市场和经济预测报告，以及方案的可持续性评估。项目研究表明，氢动力飞机有潜力覆盖100%的短途航班以及93%的现有长途航班。
　　FlyZero项目共确定了13项关键技术，其中6项与氢动力飞机有关，包括氢燃料发动机、低温燃料和储存系统、燃料电池、热管理、电力推进系统和空气动力学结构。其他7项是确保氢动力飞机在商业和运营上的可行性，并提供切实可行的可持续性改进方案，包括飞机系统、可持续客舱设计、材料、制造、生命周期影响、更短的设计和验证过程以及机场、航空公司和空域基础设施。
　　报告指出，使用氢燃料的飞机在设计上与使用煤油的飞机有着本质的不同，氢的比能较高，飞行所需的氢燃料重量更小。此外，由于燃料从液态到气态的转变以及相关能源管理等方面的新挑战，与煤油飞机相比，氢燃料飞机在推进系统和机身之间可能需要做更多的集成工作。
　　支线机概念——FZR-1E
支线客机概念以ATR72-600（机身长27.13米，翼展27.05米）为原型，采用氢燃料电池推进系统，通过电动机驱动6个直径为2.29米的螺旋桨，航程为1482千米，巡航速度为648千米/时，可搭载75名乘客。机身比ATR72-600稍宽，翼展增加了3.96米，性能与当前的ATR72及其未来的2030年改进版本相近，但起飞和着陆距离稍长，巡航高度为7620米。
　　报告称，燃料电池的尺寸需满足起飞功率的要求，因为起飞距离越短，所需功率越大，电池尺寸也就越大。随着功率需求（相对于起飞峰值功率）的下降，燃料电池的运行效率将显著提高。电池尺寸过大造成的飞机重量的增加可以通过减小热管理系统重量和降低燃料消耗来抵消。
　　考虑到空间、重量和平衡的原因，燃料电池从后机舱移到了后机舱地板下方的非加压区域。此外，还扩展了起落架整流罩的空间以容纳热、空气和水管理系统。虽然更宽的机身有助于提高储氢效率，但由于表面积与体积之比的限制，导致泡沫绝缘材料难以满足储罐需求（尤其是后储罐），所以使用了真空绝缘储罐。
　　由于飞行中燃料电池的温度可能达到80℃，所以热管理系统（包括短舱中用于电和燃料电池热管理的热交换器）非常关键。此外，燃料电池的副产物是水，所以增加了一个储水系统，避免飞机在爬升阶段产生凝结水或在跑道上留下液态水，储水系统中的水在后续飞行过程中会被耗尽或用于机载系统。
　　窄体机概念——FZN-1E
窄体机概念以A320neo为原型，航程为4445千米，经济舱可容纳180个座位，发动机采用两台燃氢涡扇发动机，安装在T型尾翼下方，机身比空客A320长7米，平均机身尺寸比A320宽0.91米，但机翼和推进系统的效率更高，整体阻力更小，所以在跑道长度、巡航速度和高度等方面与A320基本相当。该机采用锥形机身和高展弦比机翼，翼展为39.32米，储罐置于机舱后部。中后机舱得益于机身宽度的增加，可以布置成双通道，这种变截面锥形机身设计便于形成自然层流，减少阻力。
　　这个概念的一个关键设计要点是机头位置的“鸭翼”，以解决在不同飞行和载荷条件下的重心偏移问题。“鸭翼”设计提供了更好的纵向配平能力，这样重心范围更宽，俯仰性能更优，还可以与尾翼结合使用，在重心偏移的情况下，最大限度地减少飞机的配平阻力。
　　这个概念的机翼采用干式机翼（不储存燃料，燃料全部储存在机身中），并采用了与波音777X类似的折叠翼尖，符合A320尺寸级别的翼展限制。采用干翼设计结构便于针对机翼弯矩和气动弹性进行优化，襟翼也可以设置在机翼结构内，从而减少阻力。
　　中型机概念——FZM-1G
中型机概念以波音767-200ER为原型，可搭乘280名乘客，商载航程为9723千米，设计最大航程为10649千米，可很好地满足窄体机和宽体机之间的中间客运市场需求。
　　此外，2021年12月所披露的概念和现在有所不同。最初的设计特点是机身前凸，机身下半部分两侧各有一个“脸颊型”低温燃料箱，而新的概念将“三角形”油箱置于机翼前方的翼身整流罩中的非加压区域，大部分氢燃料仍然储存在原来机身后部的燃料箱中。
　　与窄体机概念一样，中型机也采用干翼设计，机身更宽。报告指出，对于窄体机和中型机，由于氢燃料相对煤油或可持续航空燃料（SAF）较轻，在推力要求相同的情况下，可以减小发动机直径和质量，也可降低整体燃料消耗。所以，对氢动力飞机而言，更小、更轻的发动机是更好的选择。在性能方面，氢动力飞机的起飞性能和初始巡航高度略有提高，巡航速度更快，但进近速度稍高，着陆长度稍长。
　　最后报告指出，除了概念本身之外，还需多关注其他关键领域，包括氢的生产和配套基础设施，以及尾流凝迹对气候变化的影响。与此同时，ATI还表示，单纯依靠氢动力无法实现到2050年净零碳排放的目标，还需要各方继续投资，以加速可持续航空燃料（SAF）的研发和生产。