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“氢”装上天：给蓝“添”一点绿
来源：互联网
2024-11-14 08:53:16 版权归原作者所有，如有侵权，请联系我们
9月26日-9月27日，2024（第三届）新能源航空国际论坛在北京举行，本次论坛旨在为航空业绿色转型和可持续发展奠基。提到交通领域的“绿色转型”，很多人第一印象是陆上交通，如耳熟能详的汽车尾气排放与污染问题。实际上，仰望天空，看似毫无波澜的空中交通，也面临着不小的问题。
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一、年10亿吨！碳排放也在“上方”发生
传统上飞机所用燃料主要是航空煤油，其成分包括不同馏分的烷烃、芳香烃和烯烃等碳氢化合物，航空煤油燃烧后会向大气中排放二氧化碳、氮氧化物、一氧化碳等有害气体。
近年来，随着全球民航、通航产业的快速发展，由航空飞行活动带来的碳排放问题也日益严重。据测算，一架民航客机一年可排放二氧化碳3600吨，碳排放量与800辆轿车相当，足足需要90万棵树吸收一年。国际能源协会的统计结果显示，仅2019年全球航空业就产生了约10亿吨的碳排放，占世界碳排放总量的2.8%。
在青海果洛玛沁机场，工作人员在为国产商用飞机ARJ21加油（图片来源：新华社）
为实现航空业的碳减排目标，开发包括氢燃料在内的清洁能源，发展可持续的航空技术，已成为当下航空领域最炙手可热的研究方向之一。各航空强国均已出台氢能航空发展规划，主流飞机制造商和发动机制造商也都在积极开展氢能航空相关技术研究。
二、空中大角逐：氢动力VS传统动力
与传统航空煤油相比，氢燃料给航空业带来的最大好处就是可以大大降低二氧化碳及其他温室气体的排放，甚至可能实现“零碳飞行”。此外，氢的能量密度是航空煤油的3倍，具有更好的燃烧特性，在消耗相同空气时，所需要的氢燃料也更少。在使用氢燃料后，还可以降低燃烧温度，提高热效率，减少能量损失。
我国自主研制的第一架以氢内燃机为动力的通航飞机（图片来源：新华社）
然而，氢作为飞机燃料，在使用时还存在一些缺点。众所周知，氢气是自然界中分子量最小、密度也最低的气体，极易压缩和膨胀。这种体积密度小和易燃易爆的特性导致氢的储存和运输十分困难。相比于传统的航空煤油，需要4倍体积的液氢燃料或6倍体积的压缩氢气才能产生相同的能量。
氢还会给飞机带来氢脆的问题。所谓氢脆，有一种观点认为，是由于氢原子在高温高压环境下容易渗入金属材料内部，氢的渗入与聚集会使金属变脆，导致金属结构的力学性能严重恶化。金属的氢脆现象一旦形成，便无法消除，这无疑给氢动力飞机的安全带来威胁。
三、扬长避短，混合电推进
当前实现氢动力飞行主要有两种方式，其一，燃气涡轮发动机直接燃烧氢气，即氢燃料飞机；其二，采用氢燃料电池电推进，即氢电池飞机。
氢燃料飞机，主要采用氢燃料替换传统航空煤油，对飞机和推进系统的整体改动量较小，可充分利用燃气涡轮发动机的成熟技术。但飞机上“寸土寸金”，如何在不改变总体布局的前提下，在有限的空间里研制出质量轻、隔热好、强度高的氢储存箱成了关键问题。
由于氢极易压缩和膨胀，在航空发动机管路中的流动还时刻伴随着物相、压力和温度的振荡变化，因此，如何对易于变化的氢进行动态高精度计量和调控也是非常棘手的难题。实际上，对于氢燃料在燃气涡轮发动机中究竟应当是以液态还是以气态的方式进行管理和使用，目前仍存在很大争议。
氢气极易压缩和膨胀，储存和运输十分困难（图库版权图片，转载使用可能引发版权纠纷）
与氢燃料飞机相比，氢电池飞机在飞行过程中会非常安静，不再有发动机轰鸣的侵扰。但氢电池飞机由于采用了电池、电动机及电力电子设备组成的电动系统，因而在飞机总体结构设计上与传统飞机存在根本性的差异，需要结合电动系统的特点重新进行整体布局设计。
氢电池飞机主要依靠螺旋桨的旋转来产生推力，这就难免限制了其在高空高速飞行上的应用。除此之外，尽管通过氢燃料电池与电动机相结合，可以提高氢的能量使用效率，但与同样清洁高效的锂离子电池相比，氢燃料电池在功率密度、动态响应特性和综合成本上仍存在很大进步空间。
锂电池（图库版权图片，转载使用可能引发版权纠纷）
总体来说，氢燃料飞机与氢电池飞机各有优缺点，也都有暂时难以突破的技术瓶颈。不少研究者认为，将氢燃料燃气涡轮发动机与氢燃料电池组合形成混合电推进系统，让氢燃料发动机只在额定功率下运行并发电，由电驱系统进行功率调节，可以有效地扬长避短，充分发挥氢燃料燃气涡轮发动机与氢燃料电池的优势。因此，氢燃料混合电推进方式被认为是未来氢能发动机的主要发展方向。
四、氢能飞机出行展望
氢能飞机是一条崭新的赛道，涉及能源、基础设施、交通等诸多领域。事实上，目前还没有成熟的氢燃料发动机投入商业应用，谈论其对航空出行成本的影响有些为时尚早。不过，就当前氢能产业的发展情况而言，氢能飞机的制造和使用成本并不低廉。
首先，作为燃料使用的氢尚未形成大规模商业化应用，并且仍然依赖于从天然气、煤炭等化石能源中制备氢气，从可再生能源中得到的氢气不但产量较少，而且成本更高。其二，氢的存储条件极为苛刻，这势必导致飞机上须布置异常复杂且体积庞大的储氢罐及配套冷却系统，无疑会助推飞行成本的上涨。其三，由于此前氢能未在航空业中广泛使用，氢能航空动力的相关设施十分匮乏，短期内也很难实现氢燃料的低成本运输与储存。
氢气储存（图库版权图片，转载使用可能引发版权纠纷）
不过，道路是曲折的，前途是光明的。持续对氢能飞机开展研究，不仅能逐步颠覆当前航空业的发展格局，促进我国“双碳”战略的实施，还能同时带动氢能源相关产业的原始科技创新。随着技术的发展进步，低碳低成本的氢能航空时代必将到来。
作者：朱磊 中国航发湖南动力机械研究所高级主任设计师
审核：邓晓涛 中国航发湖南动力机械研究所高级工程师
出品：科普中国
参考文献：
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