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氫動力飛機會對航空業造成哪些改變

雲層上方的環保

國際航運每年排放二氧化碳9億噸。假設年工業增長率為3-4%,到2050年,這個數字將翻一番以上。顯然,世界環保已迫在眉睫。氫技術似乎是目前最有效的替代方案。讓我們來深入了解一下這種驅動方式的現狀和未來可能發生的情況。

未來幾十年,氫動力飛機將發揮關鍵作用,使航空業更加適應氣候變化。最近,由清潔天空 (Clean Sky) 委託開展的一項研究表明,航空系統創新和氫技術相結合,有助於將航空業所佔全球變暖中份額減少90%。

但是,德國航空航天中心(DLR)執行委員會成員、航空研究領域專家Rolf Henke教授表示,實現這一目標絕非一帆風順:“我們仍需對飛機開展廣泛研發,進一步改進燃料電池技術和液氫罐,並在地面和空中基礎設施方面進行重大投資。制定法規和認證標準也很重要,如此才有可能保證保證氫動力飛機安全可靠運行。”這意味著,必須在氫動力飛機可靠運行之前,澄清一些因素。儘管如此,各項倡議已經在積極地致力於具體落實前景廣闊的飛機發動機。

是否會很快實現水蒸氣廢氣?

行業專家估計,10到15年內,氫氣可以大規模用於航空。根據研究結果,首個短程氫動力原型可於2028年前設計並投入使用。這一步驟意義深遠,是朝著“綠色航空”邁進的一項重要標誌。航空業現狀則恰恰相反:除了二氧化碳以外,還排放氮氧化物(NOx)、煙塵和水蒸氣,形成軌跡和卷雲,也對氣候造成了不利影響。當然,這與“化學痕跡”無關,但這些痕跡轉化為水蒸氣的改進也是喜聞樂見的。

但是,以氫動力飛機為例,未來我們還需要考慮其它環保方面的技術變化。例如,必須通過輕型油箱和燃料電池系統,提高整體效率,包括飛機內部冷卻和創新液氫配送系統。我們還需要能夠燃燒氫氣的低NOx排渦輪機,及流速類似煤油的高效加油技術。

首個起飛的原型

自21世紀00年代初,各式原型便已升空。首架“純氫氣飛機”早在2016年便已經起飛。首架“純氫氣飛機”是HY4小型飛機,由德國航空航天中心和斯洛文尼亞製造商蝙蝠(Pipistrel)公司合作設計,設有4個座位,飛行里程可達1500公里。

2020年10月,專門生產環保飛機發動機的飛機製造商ZeroAvia公司也緊隨其後,將一架名為“HyFlyer”的氫動力飛機送入空中。 “HyFlyer”是一架6座燃料電池飛機,預計在今年年底前進行另一次試飛,飛行里程將超過400公里。作為英國政府支持項目,計劃最早於2023年首次投入商業運營。隨後會快速推進:預計到本世紀末,推出可以容納50到100名乘客的機型。此公司認為會於2040年推出擁有200多個座位、航程超過5000公里的航班。

從中期來看,ZeroAvia公司旨在開發出10到20座飛機的技術,飛機航程將達到800公里。飛機預計客貨兩用。 ZeroAvia公司甚至預計,由於燃料和維護成本較低,氫能動力總成的運營成本將低於同類煤油飛機。客用機的實現近在咫尺!

2020年9月,第一架氫燃料電池動力商用飛機完成首次航行

空客公司的大計劃

空客公司雄心勃勃,計劃於2035年前推出世界上第一架零排放商用飛機。為此,這家歐洲製造公司醞釀了三個不同的概念並會實施其中的一個。這種所謂的渦輪扇設計旨在搭載120至200名乘客,完成約3700公里的中程運輸。這個概念低於目前多家航空公司使用的基線A320neo,但是如果很好地將速度控制在800公里/小時,使用氫推進也會達到同樣巡航速度。

第二種設計是渦輪螺旋槳飛機,採用螺旋槳驅動,可搭載100名乘客短途飛行,時速600公里/小時,比現有的渦輪螺旋槳飛機快100公里/小時。特殊之處在於哪裡呢?這兩種設計均採用經改進的燃氣輪機驅動,輔以由燃料電池驅動的混合動力電動機。因此,空客公司並不是重新發明動力,而是有意識地借助於“傳統”配置。

也許最吸引人的是氫動力“混合翼身(Blended Wing Body)”。機翼和機身形成了連續的空氣動力機身,以最佳的空氣動力學性能裝載氫氣罐。據空客公司預測,目前,渦輪螺旋槳模型是未來最有可能實施的機型。 15年的具體期限雄心勃勃,但據眾多專家稱,這家歐洲旗艦公司絕對有實力做到。

有利必有弊

我們可能想要仔細了解氫本身的優勢和劣勢。即使氫氣動力飛機不會產生任何危害環境的排放物,但仍有許多因素需要考慮。用氫代替煤油作為飛機發動機的能源的想法並不新鮮,但仍然存在著挑戰。例如,氫的能量密度是普通航空燃料煤油的三倍,而煤油的重量只有電池的三分之一。另一方面,氫的體積是煤油的四倍。此外,液氫需要復雜的冷卻系統,這首先意味著增加了重量 - 這是飛機製造的決定性因素。

同時,地面也需要採取適當措施,例如更大的儲罐和氫氣庫。更不用說(眾所周知的)事實,氫氣生產本身仍然非常複雜、十分昂貴,對於生產要達到環保標準的情況尤其如此。

簡而言之,在環保氫動力飛機投入市場並正常運行之前,還有許多工作要做。好在政客們已經把它提上了議事日程。

優勢:氫氣和飛機
  • 對於傳統內燃機,煤油燃燒會產生包括二氧化碳在內的許多廢氣,從而破壞氣候。另外,氫也適用於內燃機。在這種情況下,不會釋放二氧化碳,因為氫氣不含碳。但是,這樣燃燒確實會產生廢氣。
  • 相反,在燃料電池中使用氫氣不會產生廢氣,只會產生水蒸氣。燃料電池產生的電能可以用來驅動飛機的電動機。
  • 氫氣是一種所謂的低溫燃料,處理起來相當複雜。氫氣是一種氣體,只在零下253攝氏度時液化,需要高壓壓縮後才能用於推進。要做到這一點,飛機必須設有雙壁、圓柱形或球形儲槽。
  • 早在20世紀80年代,前蘇聯的工程師們就推出了三引擎Tupolev TU-154的改裝版,此機型採用氫動力,測試機名為TU-155。於1988年4月15日試飛成功(只有右側發動機使用氫氣)。