氢动力飞机会对航空业造成哪些改变?(氢动力飞机的优势和劣势)

国际航空运输每年排放9亿吨二氧化碳。假设年工业增长率为3-4%,到2050年,这个数字将增长一倍以上。显然,世界环保已迫在眉睫。氢技术似乎是目前最有效的替代方案。

让我们来深入了解一下这种驱动方式的现状和未来可能发生的情况。

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未来几十年,氢动力飞机将发挥关键作用,使航空业更加适应气候变化。最近,由清洁天空(Clean Sky)委托开展的一项研究表明,航空系统创新和氢技术相结合,有助于将航空业所占全球变暖中份额减少90%。

但是,德国航空航天中心(DLR)执行委员会成员、航空研究领域专家Rolf Henke教授表示,实现这一目标绝非一帆风顺:“我们仍需对飞机开展广泛研发,进一步改进燃料电池技术和液氢罐,并在地面和空中基础设施方面进行重大投资。制定法规和认证标准也很重要,如此才有可能保证保证氢动力飞机安全可靠运行。”这意味着,必须在氢动力飞机可靠运行之前,澄清一些因素。尽管如此,各项倡议已经在积极地致力于具体落实前景广阔的飞机发动机。

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是否会很快实现水蒸气废气

行业专家估计,10到15年内,氢气可以大规模用于航空。根据研究结果,首个短程氢动力原型可于2028年前设计并投入使用。这一步骤意义深远,是朝着“绿色航空”迈进的一项重要标志。航空业现状则恰恰相反:除了二氧化碳以外,还排放氮氧化物(NOx)、烟尘和水蒸气,形成轨迹和卷云,也对气候造成了不利影响。当然,这与“化学痕迹”无关,但这些痕迹转化为水蒸气的改进也是喜闻乐见的。

但是,以氢动力飞机为例,未来我们还需要考虑其它环保方面的技术变化。例如,必须通过轻型油箱和燃料电池系统,提高整体效率,包括飞机内部冷却和创新液氢配送系统。我们还需要能够燃烧氢气的低NOx排涡轮机,及流速类似煤油的高效加油技术。

首个起飞的原型

自21世纪00年代初,各式原型便已升空。首架“纯氢气飞机”早在2016年便已经起飞。首架“纯氢气飞机”是HY4小型飞机,由德国航空航天中心和斯洛文尼亚制造商蝙蝠(Pipistrel)公司合作设计,设有4个座位,飞行里程可达1500公里。

2020年10月,专门生产环保飞机发动机的飞机制造商ZeroAvia公司也紧随其后,将一架名为“HyFlyer”的氢动力飞机送入空中。“HyFlyer”是一架6座燃料电池飞机,预计在今年年底前进行另一次试飞,飞行里程将超过400公里。作为英国政府支持项目,计划最早于2023年首次投入商业运营。随后会快速推进:预计到本世纪末,推出可以容纳50到100名乘客的机型。此公司认为会于2040年推出拥有200多个座位、航程超过5000公里的航班。

从中期来看,ZeroAvia公司旨在开发出10到20座飞机的技术,飞机航程将达到800公里。飞机预计客货两用。ZeroAvia公司甚至预计,由于燃料和维护成本较低,氢能动力总成的运营成本将低于同类煤油飞机。客用机的实现近在咫尺!

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空客公司的大计划

空客公司雄心勃勃,计划于2035年前推出世界上第一架零排放商用飞机。为此,这家欧洲制造公司酝酿了三个不同的概念并会实施其中的一个。这种所谓的涡轮扇设计旨在搭载120至200名乘客,完成约3700公里的中程运输。这个概念低于目前多家航空公司使用的基线A320neo,但是如果很好地将速度控制在800公里/小时,使用氢推进也会达到同样巡航速度。

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第二种设计是涡轮螺旋桨飞机,采用螺旋桨驱动,可搭载100名乘客短途飞行,时速600公里/小时,比现有的涡轮螺旋桨飞机快100公里/小时。特殊之处在于哪里呢?这两种设计均采用经改进的燃气轮机驱动,辅以由燃料电池驱动的混合动力电动机。因此,空客公司并不是重新发明动力,而是有意识地借助于“传统”配置。

也许最吸引人的是氢动力“混合翼身(Blended Wing Body)”。机翼和机身形成了连续的空气动力机身,以最佳的空气动力学性能装载氢气罐。据空客公司预测,目前,涡轮螺旋桨模型是未来最有可能实施的机型。15年的具体期限雄心勃勃,但据众多专家称,这家欧洲旗舰公司绝对有实力做到。

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有利必有弊

我们可能想要仔细了解氢本身的优势和劣势

即使氢气动力飞机不会产生任何危害环境的排放物,但仍有许多因素需要考虑。用氢代替煤油作为飞机发动机的能源的想法并不新鲜,但仍然存在着挑战。例如,氢的能量密度是普通航空燃料煤油的三倍,而煤油的重量只有电池的三分之一。另一方面,氢的体积是煤油的四倍。此外,液氢需要复杂的冷却系统,这首先意味着增加了重量 – 这是飞机制造的决定性因素。

同时,地面也需要采取适当措施,例如更大的储罐和氢气库。更不用说(众所周知的)事实,氢气生产本身仍然非常复杂、十分昂贵,对于生产要达到环保标准的情况尤其如此。

简而言之,在环保氢动力飞机投入市场并正常运行之前,还有许多工作要做。好在政客们已经把它提上了议事日程。

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优势:氢气和飞机

对于传统内燃机,煤油燃烧会产生包括二氧化碳在内的许多废气,从而破坏气候。另外,氢也适用于内燃机。在这种情况下,不会释放二氧化碳,因为氢气不含碳。但是,这样燃烧确实会产生废气。

相反,在燃料电池中使用氢气不会产生废气,只会产生水蒸气。燃料电池产生的电能可以用来驱动飞机的电动机。

氢气是一种所谓的低温燃料,处理起来相当复杂。氢气是一种气体,只在零下253摄氏度时液化,需要高压压缩后才能用于推进。要做到这一点,飞机必须设有双壁、圆柱形或球形储槽。

早在20世纪80年代,前苏联的工程师们就推出了三引擎Tupolev TU-154的改装版,此机型采用氢动力,测试机名为TU-155。于1988年4月15日试飞成功(只有右侧发动机使用氢气)。

来源:石化行业走出去联盟

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