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冉冉升起的氢燃料飞机(中)(科普.原创)

已有 1078 次阅读 2024-2-23 14:41 |系统分类:科普集锦

沈海军

三、各国氢燃料飞机现状

         1)美国

   波音公司计划2050年后在其客机上用氢燃料完全替代传统航空燃料。目前,其氢燃料电池“钻石”飞机及氢动力无人机“幻影眼”已经分别于2008年和2012年进行了成功试飞。

   2022年2月,美国普惠公司在能源部支持下,开发了新型高效氢燃料推进技术,启动了氢-蒸汽喷射、间冷涡轮发动机(HySIITE)项目。该项目将使用液氢燃料和水蒸气回收来实现飞机飞行中的零碳排放,预计可将下一代单通道飞机的碳排放量减少80%,燃料消耗减少35%。同时,HySIITE项目的半封闭式系统架构将实现比氢燃料电池更高的热效率。

  美国初创公司HyPoint在氢能源研发领域领先全球,2020年推出的涡轮空冷(TAC)氢燃料电池系统原型机曾荣获了当年美国航空航天局(NASA)的创新科技大赛大奖。该燃料电池系统融合了高温质子交换膜(HTPEM)燃料电池、空气冷却及涡轮增压等3种技术。与现有液冷低温质子交换膜(LTPEM)燃料电池相比,HTPEM技术单位功率提高了3倍,能量密度是现有锂电池的5倍。2022年2月,获得英国政府一笔高达4亿美元的资助后,HyPoint公司在英国开设了新的氢研发和生产基地。HyPoint公司未来的目标平台包括电垂直起降飞行器(eVTOL)和货运无人机。HyPoint公司还与德国化工巨头巴斯夫(BASF)公司合作,开发下一代TAC HTPEM燃料电池,旨在减轻燃料电池的质量并提高耐用性,计划于2024年中期向顾客提供。

  美国ZeroAvia公司成立于2017年,目前在美国和英国均设有基地。在英国政府资助下,2020年10月,ZeroAvia公司完成了世界上第一次由氢燃料电池支持的商用飞机飞行。这架名为“HyFlyer”的氢燃料电池动力飞机共有6个座位,计划最早于2023年首次投入商业运营。从中期来看,ZeroAvia公司旨在开发10到20座飞机的氢燃料电池技术,飞机航程将达到800公里,飞机预计客货两用。为达成这一目标,2023年1月,ZeroAvia完成了一架19座Do-228型飞机的首飞。这架Do-228螺旋桨飞机看似普通,但其左侧的螺旋桨却是一个由两个氢燃料电池驱动的电动机,右侧则仍使用传统的标准煤油发动机,这是迄今为止最大的氢燃料飞机。该项目被称为HyFler II。现在,ZeroAvia已开始开发世界上最大的零排放飞机,其基础是阿拉斯加航空公司退役的冲-8飞机,用于改装。冲-8是1998 年加拿大庞巴迪推出的支线客机,是一款76座的涡轮螺旋桨飞机,ZeroAvia将为其配备氢电推进系统。2021年,阿拉斯加航空公司投资ZeroAvia,宣布联合开发氢能源支线客机。现在该公司已将要改装的飞机移交给了ZeroAvia。虽然之前的HyFler II飞机仍使用气态氢燃料,但用于冲-8的氢能动力将采用液态氢。

  2023年3月,美国初创公司Universal Hydrogen成功试飞了一架40座的氢燃料电池支线客机。这架ATR 72型飞机绰号为Lightning McClean,飞行时间约为15分钟,飞行高度约3500米。这次飞行是该公司为期两年的飞行测试活动的第一次,是迄今为止在空中测试的,使用氢燃料电池推进的最大的氢燃料飞机。该公司预计将于2025年以ATR 72支线飞机改装为氢动力的形式进入客运服务。

  2)欧洲空客公司

  雄心勃勃的空客公司,计划于2035年前推出世界上第一架零排放的商用飞机。该计划发布的时间为2020年9月,被称作ZEROe。ZEROe共包含3个氢能飞机概念,具体包括涡扇氢混合动力、涡桨氢混合动力和翼身融合混合动力飞机。其中,翼身融合飞机由两台氢燃料涡扇发动机提供动力,液氢储存和分配系统位于后增压舱,预计能搭载120-200名乘客,航程为3700公里左右;涡桨氢混合动力飞机的液氢储存和分配系统设计与第一种类似,只是换成了两台氢燃料涡桨发动机驱动六叶螺旋桨提供推力,搭载乘客100名左右,瞄准短程飞行市场;涡扇氢混合动力飞机液氢储罐位于机翼下方,内部空间宽敞,主动力仍为两台氢燃料涡扇发动机。

  2020年12月,空客公司又公布了一种6个推进吊舱的全新氢燃料飞机构型,每个吊舱有各自独立的液氢储罐、冷却系统、燃料电池、电力电子装置、电动机、八叶螺旋桨和其他必要的辅助设备组成。目前,ZEROe项目还停留在概念演示阶段;根据发展时间表,该飞机将在2024-2025年完成氢动力相关技术的选择,目前的可选项包括:氢燃料电池推进、氢涡轮发动机、氢燃料电池+氢涡轮机混合动力。在之后5年内会依次完成小尺寸技术验证机,以及全尺寸原型机的研制工作,最终在2030-2035年间,实现100座级以上氢动力客机的商业化。

  3)德国

  2021年1月,德国运输和数字基础设施部拨款,委托德国航空航天中心(DLR)牵头,研制大功率氢燃料电池航空动力,用于40-60座、1000km航程的支线客机。实际上,此前的15年里,DLR已经在氢能航空领域进行了深耕。其合作伙伴H2FLY公司的HY4型氢燃料电池验证机便是其标志性成果。HY4项目于2011年启动,2016年9月首架飞机完成试飞,后不断改进,到了2020年11月,HY4飞机的氢燃料电池动力已升级到了第六代。

  H2FLY公司,全称为德国氢能电动航空技术公司,是2015年由5名德国航空航天中心和乌尔姆大学的工程师创立,专门从事氢电航空技术开发。2021年,被美国上市eVTOL公司Joby收购。2023年9月,HY4飞机再次成功试飞,成为世界上首架液氢电动载人飞机。此次飞行持续了约3小时,耗氢10公斤。该飞机最大储存容量为24公斤,可以持续飞行8小时。由于采取了新的技术路线,即以液氢作为燃料,使得HY4验证飞机的最大航程从此前的750公里增加到了1500公里。

  HY4的机体由蝙蝠飞机公司制造,由两架蝙蝠公司的“大金牛”飞机和一架双座动力滑翔机并联组成,是目前实际飞行的载重最大、座位数最多的氢燃料电池载人飞机。这种机身组合十分新颖,飞行员坐在右侧机身,燃油系统则保持隔离在左侧机身。同时,电力推进系统和氢转换燃料电池则安装在中间的中央机舱中。H2FLY的动力系统由储氢装置、120千瓦燃料电池能量转换器和电动机组成。自2016年以来,以氢电混合动力的HY4一直在飞行,但2023年夏天取得了突破,使用液态氢而不是气态氢作为燃料。液态氢比气态氢具有更高的能量密度,可以显著降低油箱重量和体积。对于HY4试验机来说,使用气态氢可以飞750公里,而使用液态氢可以飞1500公里,也就是说,航程上增加了一倍。

  为了便于储存液氢,HY4采用的是玻璃纤维和碳纤维制成的储氢罐,这种新型复合材料可以极大地减少其重量并增加有效容积。碳纤维复合材料燃料罐,同等容积下比现有最先进的航天低温罐减少了75%的重量。

  4)英国

  2021年3月,英国商业、能源和工业战略部(BEIS)宣布投入重金支持绿色航空技术,鼓励利用氢或电力作为替代动力实现航空零排放。该计划中涉及氢动力的2个项目分别为:氢电混动系统(H2GEAR)和HyFlyer二期。H2GEAR项目旨在开发创新的液氢电动混合推进系统,用于区域航线飞行,并确保可扩至更大型飞机用于更长航线。HyFlyer二期计划旨在研制50座氢燃料电池支线飞机,目标是2026年投入商业运营,2024年将有19座以下的名为HyFlyer II的氢燃料电池电动飞机首先投入运营,设计航程为560公里。

  在2023年7月的范堡罗航展上,英国GKN集团(吉凯恩集团)公布了低温超导氢能航空技术研发项目,主要应用19座、48座和96座飞机,计划2026年应用于支线飞机。该项目已经得到了英国政府5400万英镑的资助。

  5)其他国家

  早在2106年,我国中航技进出口公司和科比特航空联合推出的多旋翼垂直起降无人机HYDrone-1800,就搭载了先进的氢燃料电池系统,创造了该级别无人机270分钟续航的新世界纪录。该六轴无人机最大飞行半径100公里,最大载荷达到25公斤,可以安装更多的侦察和作战模块,可直接从战斗车辆上起飞,进行长航时任务,为步兵分队提供超过20公里纵深的战场态势获取能力。

  2021年11月,巴西航空工业公司公布了名为 Energia飞机系列的研发计划,表示研发目标是探索“帮助行业实现到2050年净零碳排放目标”的方法,其中便包括了氢燃料电池飞机和氢涡轮动力飞机两种氢动力机型。其中,氢燃料电池飞机将于2035 年推出,最多可搭载19名乘客,二氧化碳排放量为零;氢涡轮动力飞机将采用氢涡轮发动机,能够容纳35-50名乘客,二氧化碳排放量为零,计划在2040年投放市场。

  2022年2月,韩国大韩航空、韩国液化气集团、仁川国际机场和空客公司签署了一份谅解备忘录,拟共同探索氢气在韩国航空业脱碳场景中的应用,以及韩国国内机场基础设施如何建设以支持氢燃料飞机运行等问题的解决方案。其中,韩国液化气集团将负责氢气的生产、液化、储存和输送层面技术支持,大韩航空将负责提供地面飞机运营和航空管理与运营层面技术支持,空客公司将提供氢燃料飞机技术层面支持,仁川国际机场将提供机场发展计划实施层面支持。

---未完待续

《百科知识》杂志约稿

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1 孙学军

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