氫能航空運行場景研究

崔容，楊晨光

中國商飛北京民用飛機技術研究中心，北京 102211

為積極應對全球氣候變化、加速實現碳中和目標，航空業以期通過提高傳統飛機能效、使用可持續航空燃料或開發使用電、氫等新能源的新機型等手段來大幅減少碳排放[1]。氫能飛機采用氫作為主要動力來源來為飛機提供推力，其技術路線包括氫燃料電池提供飛機動力和氫能驅動燃氣渦輪發動機提供動力。使用氫燃料替代航空煤油，不僅可以實現二氧化碳減排，還能大幅減少其他污染物的排放，因此氫能航空被認為是航空業未來實現污染物減排和“低碳”運行的關鍵[2-3]。英國和美國的能源部均發布了涉及氫能航空發展的頂層戰略規劃，歐盟發布了《氫能航空》研究報告，通過分析氫能技術的可行性及其對經濟的影響，提出了氫能航空發展路線圖[4]?？湛?、CFM、普惠、羅羅等航空企業紛紛開展對氫能飛機和氫渦輪發動機、氫燃料電池等相關技術的研發工作，加速在氫能航空領域的布局[5-7]。

氫能飛機作為實現長期減碳目標的可行手段之一，不僅面臨飛機設計本身的革命性技術突破難題，還對民航運輸體系氫能基礎建設提出巨大挑戰。為遵循適航要求，商用飛機研發必須從預期的運行場景出發，分析不同場景下的運行要求和使用限制，進行合理的功能性能設計，保證系統預期的行為皆在可接受的安全范圍之內[8]。因此，在氫能飛機研發過程中，需研究飛機使用氫燃料替代航空煤油在各階段預期的運行場景，從而捕獲區別于傳統飛機的研制需求。氫能飛機能順利投入商業運營的前提是通過監管方許可以及民航運輸體系能保障氫能的安全供應和使用。因此，需從氫能航空的體系級場景出發，分析氫能在供應鏈條和終端使用中對民航運輸體系提出的新要求。

本文對實現氫能航空的民航運輸體系預期場景進行識別和分析，通過不同場景組合得到不同預期目標下需關注的機場建設與運營要求，并對體系級場景下的飛機運行場景開展研究，以氫能支線飛機為例，初步提出部分區別于傳統飛機的頂層研制需求。

1 民航運輸體系新場景

1.1 場景定義

場景（scenario），在系統工程中被定義為系統在使用過程中與其操作者、外部環境對象之間相互交互、相互作用過程中的事件或某個畫面[9]。場景分析是一種常用的需求捕獲方法，通過分析系統在運營場景中的預期行為，可以降低系統中重要需求被忽視的可能性[10]。分析民航運輸體系使用氫作為飛機動力來源的場景，可以快速捕捉氫能應用對燃料供應鏈、機場基礎設施和運營、飛機產品設計的影響。

1.2 民航運輸體系新場景分析

當氫氣產生后，需要被壓縮或液化，然后運輸至機場并存儲，最終以液氫形式被加注到飛機上使用。因此，氫能應用產生的民航運輸體系新場景可以主要分為氫制備場景、氫運輸場景、氫儲存場景和氫使用場景。

（1）氫制備場景：使用可再生能源制備氫氣的過程。目前，常用的氫氣生產方式主要為化石燃料制氫、工業副產品制氫和電解水制氫。盡管使用化石燃料和工業副產品制氫成本較低，但需要明確的是，只有低碳來源的氫氣才能實現碳減排，因此使用碳捕捉、利用與存儲等先進技術捕獲溫室氣體來產生 “藍氫”才是可行場景，而最理想的場景則是使用風能、水力、太陽能等可再生能源電解水制氫。在可獲得風能發電的沿海地區、水力發電的島嶼、太陽能充足的高海拔地區建設可生產氫氣的機場，將是未來實現氫能航空的部署路徑之一[11]。

（2）氫運輸場景：氫能源從生產地被運輸至機場的過程。將生產的氫氣液化或壓縮，可通過長管拖車輸送至較小規模、較近的機場，也可以采用管道輸送至較大規模、遠距離的機場。對于液氫或轉化的有機液體氫可通過船舶進行遠距離運輸。

（3）氫儲存場景：液氫在機場的低溫存儲。氫能源最終將以液態形式被加注到飛機上使用，因此機場必須具備儲存液氫的能力。采用液氫拖車輸送的支線機場可在安全邊界內的有限空間里存儲三天的液氫量以滿足需求[4]，而通過管道輸送高壓氫氣的大型機場還需建設液化設施和儲氫設備。

（4）氫使用場景：液氫被加注入飛機并在飛機上使用的過程。機場可通過液氫加注車對飛機補充燃料，從長遠來看，也可像航空煤油一樣通過運輸管道系統（泵）對飛機加注燃料。液氫在飛機上使用與飛機運行場景強相關，通過對飛機運行新場景的研究可以捕獲飛機產品研制新需求，詳見第2節分析。

1.3 新場景下機場建設與運營要求分析

氫能航空的實現不會一蹴而就，通過對未來可能的民航運輸體系氫能應用場景進行分析，在不同的氫制備場景、氫運輸場景、氫儲存場景和氫使用場景組合下，依據技術的可實現性得到近期、中期、遠期目標對應的場景，對機場提出基礎設施建設和運營的要求，見表1。1.3.1 液氫通過拖車被運送至機場場景

表1 不同預期目標下機場基礎設施建設需求Table 1 Requirements for airport infrastructure construction under different expected goals

歐盟Clean Sky 2計劃中提出，未來10～15年，氫能通勤飛機、支線飛機和短程飛機可能會投入市場，到2035 年或2040 年可認為是氫能航空早期加速發展階段。假設2040年一個普通支線機場的基礎燃料供應有10%從航空煤油轉化為氫，約每天需供應10t液氫[4]。若一輛液氫拖車可裝載4t液氫，2.5輛液氫拖車的裝載量則滿足一個機場的每日所需。因此，作為近期可實現的目標，可以選擇部分不太繁忙且交通便利的支線機場，通過液氫拖車運送液氫儲罐至機場，僅在機場儲存和使用液氫?？紤]備份和緊急情況，可在機場存儲三天的液氫用量，約30t，所需的儲罐容積約為420m3。目前，國內臥式高真空多層絕熱儲罐容積約為300m3，蒸發率為0.25%～0.3%，總高度約為7m，占地面積約為120m2，兩個儲罐即可滿足存儲需求。這樣的機場在保障正常供應航空煤油的同時，僅需建設一個千余平方的液氫儲存庫，配備幾輛液氫拖車和液氫加注車即可滿足氫能飛機的燃料需求。由于相同熱值的氫燃料體積遠大于航空煤油，為包容儲氫罐，氫能飛機機身會比同座級的傳統飛機長，機場的停機位需重新規劃。

為確保運營安全，需充分考慮氫能飛機液氫加注及其他地面服務并行時的安全防護措施。從運營成本來考慮，液氫的生產、運輸和存儲成本依賴于氫能源領域的相關技術提升，預計到2050 年，液氫使用成本將降至目前價格的1/4， 基本上與同等熱值的化石燃料持平[4]。

1.3.2 管道輸送氫氣至機場液化場景

氫能飛機將從短程逐步拓展到中程航線飛行，最終拓展到遠航程飛行。到2050 年，假設所有支線機場50%、樞紐機場25%的燃料替換成液氫，航空業的液氫需求量約為4×107t，占全球液氫需求總量的10%。對于普通支線機場，使用拖車運送液氫至機場的場景依然可行，但對于樞紐機場，每天需要125輛拖車運送液氫，這可能會給機場附近擁堵的道路帶來安全隱患。因此，需要規劃中長期目標下的場景，對于部分樞紐機場或者富氫地區的干線機場，通過管道輸送氫氣，到機場液化后存儲和使用。該場景下機場除了需要液氫拖車、加注車、儲存設備以外，還需與氫能源供應公司合作建設氫氣運輸管道（或改裝天然氣/航油管道），配備大型氫氣液化裝置，有條件的機場還可考慮建設液氫管道加注系統。

該場景對機場空間布局提出了更高要求，液氫儲存庫、液化裝置的占地面積不容小覷。在安全防護和運營效率的限制下，機場為保障航油和液氫兩個加油系統并行需要進行大量的基礎建設。目前，關于低溫液氫及特性的安全管理法規并不明確，需要在實現近期目標的過程中，由監管部門、機場、燃料供應商、飛機制造商和航空公司共同研究和完善。

1.3.3 機場電解水制氫場景

從長遠來看，在可再生能源發電和水力資源豐富的地區，建設使用電解水生產氫氣并液化的機場也是一種可行場景。對機場的建設要求更多在電力和水資源方面，適合建設成以機場為中心的氫能源運輸體系，帶動當地的氫能產業整體發展。

2 飛機運行新場景

2.1 飛機運行場景定義

飛機運行場景分析是指以飛機本身為對象，從用戶使用飛機的視角出發，考慮在飛機運行、維護過程中，飛機與外部環境之間的一系列交互活動和物理聯系，從中捕獲對應的飛機產品研制需求。以飛機運行階段維度來區分，飛機運行場景涵蓋地面服務、航路飛行和維護修理等場景。與使用傳統航空煤油或可持續航空燃料（SAF）相比，氫能飛機需在各運行階段考慮液氫的特性，通過分析各階段識別的新場景得到飛機對應的新功能和設計需求。

2.2 地面服務新場景

飛機地面服務場景是指飛機在抵達廊橋、機坪或停機位等機場活動區后，由機場地面提供燃料、電源、氣源、空調等補給，完成飛機清潔、貨物裝卸、旅客上下機等工作。使用液氫替代航油需要額外考慮以下新場景。

（1）液氫加注場景

在飛機飛行前，應使用液氫加注車或液氫管道加注系統（泵）對飛機補充計劃內的燃料，安全快速完成加注車的接近和對接、清掃、冷卻、加注、清掃、加注車的移除與撤離，滿足過站服務時間需求。與液氫液氧火箭加注氫燃料不同，飛機短停期間需維持機上儲氫罐低溫狀態，因此液氫加注前無須預冷儲氫罐，只需對加注軟管實施快速吹掃和冷卻，可節省大量時間。國外研究表明，在大多數情況下，相同熱值的液氫比航空煤油加注時間更短[12]。在加注過程中應考慮氫氣回收以提升經濟性。當液氫罐長時間停用或確認被污染時，應在液氫加注前對內容器進行充分的吹掃置換，避免因雜質冷凝固化引起管路或閥門堵塞，導致保護裝置失效。

（2）液氫低溫維持場景

飛機短停期間，加注液氫使得機上儲氫罐內的氫可通過被動絕熱技術維持低溫液態形式，或通過地面電源補給在主動制冷技術控制下維持低溫液態形式。該場景可避免后續航行前的長時間預冷工作，并控制氫損耗。

2.3 航路飛行新場景

飛機航路飛行場景是指飛機從航前準備開始，經推出、滑行、起飛、航路運行、進近、著陸、著陸后滑行、飛機關機，直至航行結束的過程。無論是使用氫渦輪發動機還是使用氫燃料電池，在飛機飛行過程中都需考慮以下場景。

（1）液氫存儲場景

被加注的液氫應可在飛機儲氫罐內通過被動絕熱技術/主動制冷技術控制維持低溫液態形式，氫的液/氣狀態可被實時監控。為減低飛機的重量和體積，應對儲氫罐的儲氫質量分數提出要求。為確保安全性，儲氫罐應滿足一定的額定充滿率，需設置防止過充的安全閥，其內容器和真空夾層均應設有安全泄放裝置，以避免液氫氣化導致的儲氫罐過壓破裂。此外，儲氫罐需滿足一定的蒸發率要求以提升經濟性。

（2）氫燃料控制場景

液氫經燃料輸送系統被分配至動力系統/輔助動力系統，為其提供能量，并可通過安全可靠的熱管理系統完成氫渦輪發動機或氫燃料電池系統的熱交換，提升能源效率。氫燃料控制系統可以按照氫的相變階段分為液氫控制和氫氣控制兩部分。液氫控制主要負責控制從儲氫罐出口到動力系統換熱器這一段距離內的液氫壓力、溫度和流量；氫氣控制一般在動力系統內，負責氫氣管路延程的壓力、溫度監控和控制調節閥[13]。

（3）排放場景

氫渦輪發動機或氫燃料電池產生的污染物排放場景。與航空煤油相比，氫渦輪發動機直接燃燒氫會導致排放更多的水蒸氣，但顆粒物排放會大幅減少，因此在30000ft（1ft≈0.3048m）以上形成的飛行尾跡光學冰晶變薄，將降低對氣候的影響[14]。此外，由于氫燃料的火焰溫度比航空煤油高，其燃燒產生的氮氧化物要高于航空煤油燃燒產生的氮氧化物，這對發動機的氮氧化物減排提出了新挑戰。氫燃料電池不產生氮氧化物，并且產生的水蒸氣溫度更低，可以考慮依據飛行所處的大氣狀態在飛機內部收集，以減少尾跡卷云的形成。目前，對由水蒸氣排放引起的凝結尾跡和卷云對氣候的影響的研究還不夠充分，需進一步探索該場景下的排放標準。

（4）氫泄漏場景

飛行過程中，儲氫罐、燃料輸送系統、氫動力系統發生氫氣泄漏的特殊場景。該情形應能通過氫氣濃度檢測及時發出警報，當濃度超過一定范圍時需考慮關閉管路閥門以防止氫氣泄漏至飛機艙室中。

（5）應急放氫場景

飛行過程中，飛機在緊急情況下迅速排放機內燃料的特殊場景。飛機在飛行同等航程下，使用液氫燃料的質量僅為航空煤油的1/3，需要采取空中應急放氫以降低重量快速降落的情形更少。該場景下需對應急放氫的速率提出要求，若排放至大氣中的氫氣濃度過高，可能需采用末端點火的方式將氫氣轉化為水蒸氣排放。

（6）著陸場景

飛機進近至決斷高度后逐漸增大抬頭姿態，至飛機接地、滑離跑道或在跑道中靜止的場景。因為液氫的存儲和傳輸系統額外增加了飛機的結構重量，氫能飛機的著陸重量遠大于傳統飛機的著陸重量，該場景下需考慮增加起落架的強度。若發生硬著陸，需考慮對液氫相關系統的防撞防火保護。

2.4 維護修理新場景

（1）氫損傷場景

對飛機儲氫罐、氫燃料控制系統、氫動力系統由氫損傷引起的破壞進行維護修理。氫損傷是指由氫與材料相互作用引起的材料性能受損的現象。飛機上可能出現儲氫罐鼓包、高鐵螺栓氫致開裂、高強鋼氫致裂紋、氫致塑性下降等情況。為確保安全性和維修性，相關系統的結構設計應滿足一定的首次翻修和翻修間隔需求。同時，需依據涉氫服役不同工況對各部件開展相應的材料研究，建立材料組織與性能數據庫，為氫能飛機的安全性設計提供理論和數據支撐。

（2）健康監測場景

對飛機儲氫區域的結構缺陷、損傷、應力等進行綜合健康狀態監測[15]，同時對結構內部損傷以及發生在結構上的撞擊進行實時監測，可實現儲氫區域的視情維護。

2.5 基于新場景的飛機頂層研制需求分析

基于飛機運行新場景分析，可對氫能飛機應該具備的功能和產品設計的技術要求進行定義，在對場景的層級細分下，可以捕獲飛機設計的各層級需求[16]。本文以氫能支線飛機設計為例，結合初步識別的氫能飛機運行場景，從飛機總體設計、運行、維修性、系統設計等維度提出部分氫能飛機特殊的頂層研制需求。

對于飛機總體設計需求，需定義飛機的能源形式，定義基準燃料密度，并提出能源管理、應急放氫等能源系統功能；分析運行新場景，氫能帶來的約束主要體現為過站服務時限、機場類型對飛機尺寸的限制；維護維修新場景則捕獲了飛機健康監測系統需求。對于液氫系統本身，需定義儲氫和輸運功能，定義儲氫罐質量分數、充滿率、蒸發率、設計服役目標等指標，見表2。

表2 氫能支線飛機部分頂層研制需求Table 2 Partial top-level development requirements of a hydrogen powered regional aircraft

在實際工程中，飛機研制需求既包含來源于客戶和局方的外部需求，也包含來源于技術驅動、生產制造驅動、可靠性驅動的內部需求，應在持續捕獲內外部需求的過程中換代更新。

3 結束語

本文對氫能航空運行預期場景開展研究，分析了民航運輸體系氫制備、氫運輸、氫儲存和氫使用等體系級場景，對機場基礎建設和運行做出了規劃?？蓛炏劝l展支線機場，配備少量液氫拖車運輸燃料，少量液氫加注車向飛機補充燃料；樞紐機場作為中期發展目標，在液氫需求量大幅提升的前提下應通過管道輸送氫氣至機場，在機場建設液化裝置，并考慮增設液氫管道加注系統以提升機場周轉率；在可再生能源豐富的地區建設用電解水生產氫氣并液化的機場，形成以機場為中心的氫能源運輸體系是更長遠的目標。

在體系級場景下，本文通過對飛機運行場景的分階段研究，識別了氫能飛機在地面服務、航路飛行和維護維修等階段的新場景，因液氫與航空煤油或SAF的物理化學屬性不同，加注、低溫狀態維持和儲存、燃料控制、維護修理等場景都對飛機設計提出了新的要求。此外，氫泄漏、應急放氫、硬著陸等特殊場景需要飛機為安全性提供更多保障。本文以氫能支線飛機設計為例，從飛機總體設計、運行、維修性、系統設計等維度對部分頂層研制需求進行了初步定義。隨著全球民航政策法規的逐漸明朗和氫能產業技術的飛速發展，氫能航空的基礎建設將逐漸開展，通過場景分析捕獲的氫能飛機研制需求在換代更新中會更為精確。