歐盟清潔航空聯合行動中的氫動力飛機分析

■ 韓玉琪 劉英杰/ 中國航發研究院

氫能的零碳屬性為航空業脫碳帶來巨大希望，但在航空領域還面臨著大量關鍵技術成熟度過低的現狀。氫動力飛機是歐盟清潔航空聯合行動（CAJU）的三大重點研發領域之一，CAJU將成熟并驗證所有相關系統（機載液氫儲存、燃料分配系統、氫燃料電池動力和氫渦輪動力等），以便集成到未來的飛機中。

氫燃料具有清潔低碳、應用場景豐富、來源豐富、高效儲能等戰略性優點，未來將成為世界能源體系的重要組成部分。但氫能同時也存在極難儲存、易泄漏、易燃易爆、相變引發參數動態變化、管路閥門調節遲滯等缺點，由此使得氫能航空的研發面臨著燃燒、計量控制、熱管理、機載儲存和燃料分配系統等方面的技術挑戰。

CAJU的氫動力飛機相關項目

針對氫動力飛機，CAJU在首批項目中設置了6個項目，總經費達2.1億歐元，其中歐盟資助1.5億歐元，如表1所示，主要開展氫渦輪動力、兆瓦級氫電動力、大型輕質液氫集成儲存方案的研發，以及液氫儲罐飛行驗證、氫電動力地面驗證等工作。

表1 CAJU中的氫動力飛機項目情況

CAVENDISH項目

氫渦輪動力驗證及與飛機集成戰略聯盟（CAVENDISH）項目由羅羅德國公司牽頭，總經費2915 萬歐元，其中歐盟資助2167 萬歐元，研究周期為2023 年1 月—2026 年12月。CAVENDISH 項目將改造一臺“珍珠”（Pearl）15 渦扇發動機（推力為67kN，涵道比為4.8）進行貧氫燃燒，并與氫燃料電池系統集成。項目計劃2024 年年底開始地面測試，并開展飛發集成工作以確定取證途徑。

該項目參與方包含來自巴西、法國、德國、荷蘭、葡萄牙、西班牙和英國的20 個學術界和工業界的合作伙伴，匯集了航空、能源和推進、燃燒、燃料和控制系統，以及飛機領域的歐洲領先組織的專業知識，開發與液氫燃燒系統相關的突破性技術。該項目建立在英國、德國、法國、荷蘭宣布的多個國家技術計劃的基礎上，實際上是將這些技術途徑結合，加速形成首個可供驗證用的氫渦輪動力技術驗證機。該項目還將探索雙燃料燃燒室（能夠在100%氫燃料或100%可持續航空燃料下運行）和低溫高壓儲罐等替代性的使能技術，以提供靈活性，并簡化氫能在航空中的應用條件。該項目還與CAJU 中的其他項目相關，特別是中短程飛機及其認證活動。

此外，羅羅公司于2022年11月使用改裝的AE2100-A渦槳發動機完成了液氫燃料運行的地面測試，2023年9月在“珍珠”700發動機的全環燃燒室中開展了100%氫燃燒測試，測試結果可為羅羅公司關于氫燃燒的下一步研究提供參考。同時，羅羅公司還承擔了英國航空航天技術研究院（ATI）資助的總計8280萬英鎊的3個氫渦輪動力相關項目：氫動力系統技術（HYEST），項目經費1480萬英鎊，研發液氫渦輪動力的燃燒室零部件及子系統結構；氫渦輪動力設計的魯棒性實現（RACHEL），項目經費3660萬英鎊，研發短艙、發動機外部及動力系統本身相關的氫能先進技術，著眼于完整集成的動力系統和儲氫問題；液氫渦輪動力（LH2GT），項目經費3140萬英鎊，研發從儲罐到燃燒室的氫輸送和控制技術，解決與低溫泵送、燃料計量、熱管理和控制系統相關的挑戰。

HYDEA項目

航空氫渦輪動力驗證機（HYDEA）項目由GE子公司Avio Aero牽頭，項目總經費11671萬歐元，其中歐盟資助8050萬歐元，研究周期為2023年1月—2026年12月。HYDEA項目將全面展示氫渦輪動力的可行性，計劃于2026年前進行地面測試。該項目致力于解決氫作為航空燃料的基本問題，包括排放研究及相關技術攻關，并為集成氫渦輪動力的新飛機的開發和認證鋪平道路。

HYDEA的項目團隊包含32家單位，分布在意大利、法國、德國、土耳其、波蘭、荷蘭、比利時、芬蘭、瑞士和烏克蘭等10個國家。HYDEA項目將改進GE公司的“通行證”（Passport）20渦扇發動機（推力為73kN，涵道比為5.6），重新設計低溫氫燃料系統以及燃燒所涉及的部件，后續將采用空客公司的A380飛行試驗平臺進行飛行測試?？湛凸居?020年啟動了“零排放”（ZEROe）概念飛機項目，HYDEA項目的研發成果將成為ZEROe項目的核心。由于驗證機可能無法完全反映未來的產品，項目將通過一系列研發活動來幫助了解簡化措施對驗證機的影響，以及如何縮小與未來潛在產品的差距，如減少NOx排放、潛在的航跡排放，以及所有子系統與推進系統和飛機集成的進一步優化等。

NEWBORN項目

航空用下一代高功率燃料電池（NEWBORN）項目，由霍尼韋爾公司牽頭，項目總經費4398 萬歐元，其中歐盟資助3332 萬歐元，研究周期為2023 年1 月—2026 年6月。NEWBORN 項目計劃在安全可行的情況下，盡快將以液氫為燃料的航空級燃料電池推向支線飛機市場。項目還將解決高功率密度高壓能量轉換、推進系統和下一代微管換熱器的問題，目標是在2026 年項目結束時推進系統的整體效率達到50%。

該項目由位于捷克布爾諾的霍尼韋爾技術解決方案研發中心主導，來自10 個歐洲國家的18 個合作伙伴參與。德事?。═extron）集團下屬的蝙蝠飛機公司參與了系統總體需求的制定、動力總成的電池和系統工程工作，霍尼韋爾公司計劃在CAJU 的下一階段試飛該系統；西班牙航空結構公司Acituri 正在建造該系統的低溫儲罐；瑞典PowerCell公司將負責開發一種在更高溫度下運行的高效、高質量的300kW 氫燃料電池組；德國Fraunhofer 研究所提供高功率密度電氣系統；英國諾丁漢大學將提供一臺高功率密度電動機，驗證一種創新的電力傳動系統，與目前最先進的解決方案相比，其電機和電子電力技術在功率密度和效率方面產生了實質性變化；英國反應發動機（RE）公司將提供換熱器技術。

使用液氫而非氫氣，是因為液氫具有更好的體積能量密度。雖然低溫儲存增加了復雜性，但液氫具有更好的有效載荷和航程特性，而且儲存在-253℃的液氫還可以用作熱沉。NEWBORN 項目將為支線飛機應用提供兆瓦級氫燃料電池動力系統，2025 年年底將驗證可廣泛擴展的氫燃料電池動力技術（功率質量密度大于 1.2 kW/kg），其中，電堆的功率質量密度大于5kW/kg。1MW 推進系統（包括電動機）的地面測試將于2026 年進行，盡管該系統的技術成熟度僅為4 級（TRL4），或大多數組件達到TRL5，但該項目的目標是實現最終的商業應用。NEWBORN 項目正在開發的測試系統可提供1MW 的起飛功率，其系統設計可擴展，未來可能起飛功率達到2×4MW，以滿足支線飛機的動力需求。項目所提出的架構還包括鋰電池作為能量緩沖器，在起飛等高峰需求時提供額外功率，從而在大多數飛行階段優化燃料電池系統。NEWBORN 項目將測試整個動力系統，以確保發現系統中的薄弱環節或子系統之間的集成問題，從而確保將其集成到飛機上時只需進行少量修改。

H2ELIOS項目

零排放飛機用輕質氫儲罐（H2ELIOS）項目由西班牙航空結構公司Aciturri牽頭，項目總經費1206 萬歐元，其中歐盟資助996 萬歐元，研究周期為2023 年1 月—2025 年12 月。實現技術和經濟上可行的氫動力航空需要新的整體液氫儲罐解決方案，該解決方案可以作為機體主結構的一部分，并能夠承受相應的載荷。H2ELIOS 項目將開發一種可以集成到飛機結構中的輕質液氫儲罐，機體可作為儲罐外壁，并對150kg 容量的儲罐開展地面測試，為后續600kg 容量儲罐的飛行測試奠定基礎。

H2ELIOS項目有15個合作伙伴參與，將為飛機開發一種創新有效的基于低壓雙層復合材料的輕質液氫儲存系統。該系統將以兩個機體狀的圓柱段形態進行驗證，圓柱段外部直徑約1.9m、長度約2.3m，驗證器將在項目完成時進行地面測試，目的是將該概念嵌入并集成到特定的飛機架構中，以便進行飛行驗證。這一概念將得到多學科設計開發、制造工藝和合規手段方面的最新技術支持，并在運行條件下進行證明。項目計劃在地面上達到TRL5，在CAJU第二階段結束時試飛并達到TRL6，預計在2030—2035年期間交付市場。

fLHYing tank項目

基于無人機平臺的液氫承載儲罐飛行驗證（fLHYing tank）項目由蝙蝠飛機公司牽頭，項目總經費395萬歐元，其中歐盟資助300萬歐元，研究周期為2023年1月—2025年12月。該項目主要集中在歐洲航空安全局（EASA）的CS-23部涉及的較小飛機和無人機上，計劃2025年在無人機上對1000L的液氫儲罐開展飛行測試。

fLHYing tank項目有5個合作伙伴參與，旨在對蝙蝠飛機公司Nuuva V300貨運無人機中的1000L液氫儲罐進行飛行測試。該項目在幾個方面具有顛覆性：相關尺寸的全復合材料飛行載荷承載液氫儲罐的要求、設計、制造和鑒定的定義；使用無人機進行低技術成熟度的危險技術的飛行測試，來加速知識的獲??；復合材料液氫儲罐的熱和結構數字孿生體使用飛行測試數據，推進航空技術的數字化認證。fLHYing tank項目的主要影響是，由于使用無人機對相關尺寸的復合材料液氫儲存系統進行了突破性的快速飛行測試，使航空業革命性技術的上市時間空前縮短，從而在最短的時間內全面了解了液氫儲罐在飛行環境中的行為以及成本。

HyPoTraDe項目

氫燃料電池動力總成驗證機（HyPoTraDe）項目由蝙蝠飛機公司牽頭，項目總經費450萬歐元，其中歐盟資助400萬歐元，研究周期為2023年1月—2025年12月。HyPoTraDe項目開展氫燃料電池電力總成系統驗證，計劃2025年對全尺寸500kW的模塊化氫燃料電池/鋰電池混合分布式電動總成系統（包含低溫熱管理系統）開展地面測試。

HyPoTraDe項目有6個合作伙伴參與，將設計、組裝一套500kW模塊化燃料電池-分布式混合電推進（DEP）動力系統架構并進行地面測試。地面測試活動將提供最佳系統架構的快速表征、動力系統故障模式緩解的驗證、復雜操作要求的演示（例如，在高冷卻劑溫度下的操作、起動和關閉特性、飛行中重新起動和電池充電等）以及模塊化動力系統故障安全能力的評估。此外，該系統還將配備一個數字孿生系統，利用地面測試活動的結果進行驗證。HyPoTraDe項目將對具有低溫熱管理和典型電力負載的不同系統架構進行地面測試，提升氫燃料電池系統用于航空動力領域的適應性和成熟度。

結束語

CAJU對于氫動力飛機的技術研發，有望使基于氫燃料電池動力的零排放通勤或支線飛機在2035年前實現早期部署。在此基礎上，受益于機載儲氫和供給系統的架構進步，結合氫渦輪動力的技術成熟，基于氫渦輪動力的零排放干線飛機有望稍后問世。