氢动力概念客机的设想

穆作栋　石峰
　　近日，空客公司公布了全球首款零排放民用飞机的三种概念机型，并计划于2035年投入使用。这些概念机各自代表了实现零排放飞行的不同方法，探索各种技术途径和空气动力学构型，以支持空中客车在领导整个航空业脱碳方面的雄心壮志。
　　空客：ZEROe概念飞机亮相
　　近日，空客公司公布了代号为ZEROe的三型零排放商用客机概念方案，采用了各异的空气动力学构型和动力形式，但以氢作为主要能源。空客计划于2035年将其投入运营，该机将成为全球首型零排放商用客机。
　　涡扇方案的商载约为120~200名乘客，航程约3700千米，能够执行洲际飞行。其发动机通过特定设计改进，以氢替代传统燃料，通过燃烧提供动力。氢燃料以液态形式储存，储罐及分配系统位于在机体后部压力隔板后。涡桨方案最大商载为100名乘客，航程约1800千米，涡轮螺桨发动机同样由氢燃料驱动，适用于短途飞行任务。翼身融合方案航程与涡扇方案类似，约3700千米，其翼身融合构型可灵活设计客舱布局与氢燃料存储，商载可达200名乘客。
　　空客公司将氢能源视为商业航空应对可持续发展的重要途径，借助上述方案探索零排放客机设计，以实现2035年商业运营。空客公司设计了2020~2025年技术路线图，聚焦关键技术，以探索和评估上述概念方案的可行性。
　　在飞行器方案设计及关键技术之外，氢能源飞机也对基础设施提出了全新的要求。为了满足氢能源飞机运营需求，机场需要增设大量氢储存、运输和加装基础设施。同时空客公司认为这一过程也需要各国政府的政策与资金支持，促使航空公司快速退役老旧机队。
　　波音：短时期难以推出氢动力飞机
　　波音公司在竞争对手空客公司透露新概念氢动力客机项目之后的第二天公开表示，由于技术监管方面的障碍和技术不确定性，氢动力客机的开发前景和应用可行性目前尚不明朗。
　　目前，在客机改进方面，波音公司正在与Atihad航空公司合作，开展“环保验证机”项目研究。该项目基于新型波音787客机，重点研发飞机降噪和提升飞行效率等方面的相关技术。
　　就氢动力客机而言，波音公司认为，虽然氢能源具有独特的应用前景，但是该技术的推广仍面临很大困难。主要的难题是氢燃料的生产和存储问题。几十年来，航空航天业已经对当前涡轮涡扇发动机所需的煤油燃料有了全面认知，对安全存储、运输、使用这种传统燃料积累了丰富经验。但是，氢燃料与传统煤油燃料有本质区别。如何安全、有效地使用氢燃料，还需要政府监管机构、研制厂商等共同协作，实现管理措施、关键技术等方面的创新突破。目前，氢能源相关的理论、知识、应用等研究课题仍存在很多未知领域。
　　波音研究表明，商用航空领域氢最早在2025年可为机场应用提供机会。
　　氢动力航空的可行性
　　今年5月，在欧盟“地平线2020”（H2020）科研与创新框架计划资助下，麦肯锡公司与“洁净天空2联盟”和“燃料电池与氢能2联盟”合作，发布了《氢动力航空》报告。报告提出，对氢能飞机可行性的评估表明，尽管这些飞机需要重大的技术发展和基础设施的革新，但它们有潜力成为短程和中程飞行的领先推进系统。
　　然而，对于载客量超过250人，飞行距离超过10000千米的远程飞行而言，液态氢储罐的额外重量使得氢能成为不切实际的选择。在维持当前空中交通模式的前提下，除非对远程飞机进行革命性的先进设计，才能确保氢能是最好的选择，否则合成燃料似乎是通向脱碳道路的更好选择。
　　此外，法国政府专门划拨15亿欧元（部分来自欧盟委员会经济刺激计划）用于氢能源客机为期三年的研发项目，要求主制造商开发一款氢能源动力窄体客机，实现二氧化碳零排放，并计划在2033~2035年投入商业运营。德国政府也为其“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，德国政府也在考虑在航空燃料中强制实行动力与液体的比例（该过程将利用阳光作为动力源，将二氧化碳和水转化为喷气燃料），不过该计划尚未确定。
　　正如空中客车首席执行官傅里所言，向氢能源过渡作为这些概念飞机的主要动力，将需要整个航空业生态系统采取果断行动，为航空业可持续发展的未来扩大可再生能源和氢能源的规模。