一、氢能飞机研究进展概述

德国大力推动氢动力技术发展，开展兆瓦级氢动力系统研究

德国联邦运输和数字基础设施部于2021年1月宣布，向氢燃料电池航空电驱总成项目（BALIS）拨款2600万欧元，由德国航空航天中心（DLR）牵头，研制以氢燃料电池为动力的大功率航空电驱总成（单台功率不低于1.5MW），用于40～60座、1000km航程的支线客机。

DLR已经在氢能航空技术领域进行了15年的深入研究，HY4氢燃料电池验证机项目是其中的代表性成果。该项目于2011年开始研究，2016年9月首飞，后续不断升级，2020年11月首次试飞了该机第六代氢燃料电池电驱总成，该验证机为4座，最大速度200km/h，电机功率120kW，燃料电池单个电堆功率55kW。目前，DLR正在建设专用试验设施，包括储氢罐、电机系统和控制系统等，可满足航空平台的要求。


英国资助零排放航空氢电替代动力技术开发

2021年3月，英国商业、能源和工业战略部（BEIS）宣布投入8460万英镑支持开发开创性的绿色航空技术，共支持氢电混动系统（H2GEAR）、HyFlyer二期和电动飞机飞行控制、储能和推进综合系统（InCEPTion）3个研发项目，重点关注利用氢或电力作为替代动力开发零排放航空技术。H2GEAR项目将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560km。InCEPTion项目将开发全电动零排放推进系统，可用于短途飞行的小型飞机，具备静音、高效等优点。


二、航空发动机燃氢技术

目前氢能飞机的动力主要包括氢燃料电池、燃氢发动机等，相较于氢燃料电池，燃氢发动机的发展较为缓慢，这跟氢燃料与航空煤油的许多特性的不同有密切关系，航空发动机从燃油到燃氢，对结构设计尤其是燃烧室的设计带来了挑战。20世纪80年代，苏联便在航空发动机上使用氢燃料开展了试验研究，在飞机上成功测试了NK88双燃料（煤油和氢）发动机。20世纪90年代后，氢能飞机的研究从军用扩展至民用。2000年，欧盟资助了一项为期两年的低温民用飞机项目（CRYPLANE），系统研究了液氢在民用航空亚声速飞行领域使用液氢的可能性，研究内容包括传统结构燃氢发动机和非传统结构燃氢发动机。自2000年低温民用飞机项目后，尽管空客公司在2020年提出了氢能飞机方案，但至今燃氢航空发动机的研究未见有重大进展。

传统结构燃氢航空发动机即在不对发动机结构进行大改的前提下，实现发动机燃氢。为了提升氢的温度，突破燃油控制系统极限，同时实现效益最大化，需要采用换热器。换热器位置不同，则发动机结构不同，而在加入换热器后，发动机热力循环必然发生变化，需要对一些部件做一些小更改。例如，西班牙学者科切洛（Corchero）和蒙塔涅斯（Montanes）等人提出了3种方案。


方案一是在发动机主流中插入换热器；从主流中引一部分空气流经换热器，再从发动机下游气动截面返回主流；把换热器放到外部气流中，即置于发动机外部。科切洛等随后在BR710-48涡扇发动机上对上述方案进行了试验，结果表明，外部换热器方案具备诸多优点，耗油率也低，但是会带来发动机结构问题；低压涡轮出口换热器方案虽然也具备耗油率优势，但推力损失较大。从发动机部件匹配工作角度而言，需缩短涡轮半径，所幸缩短的尺寸在涡轮半径公差范围内。

方案二是顶端循环发动机。该方案包括主涡扇发动机和顶端回路。来自主发动机的一部分压缩空气从高压压气机引出，进入顶端回路。这部分压缩空气先经氢—空气换热器完成预冷，然后和所有燃料一起在顶端回路燃烧室内富油燃烧，燃气流经顶端循环内的涡轮进入主燃烧室，燃气内的氢与主流空气掺混，充分燃烧，然后在主发动机涡轮内膨胀。该循环的主要目的是增大发动机输出的净推力。此外，在给定顶端回路工作介质高焓值条件下，增加的涡轮机械的质量相对于提取的功率而言并不多。

方案三是高涡轮进口温度发动机。就基准发动机V2527-A5而言，其冷却空气有15%来自压气机出口，用于冷却涡轮导向叶片和高压涡轮第一级转子，冷却空气的温度越低，则叶片冷却效果更好，涡轮材料极限温度相同条件下，涡轮进口温度就可以越高。在该方案中，在低压涡轮前额外增加了一个氢—空气换热器，液氢首先通过基准发动机内的主换热器蒸发和预热，然后流经第二个换热器。让燃油得到进一步加热，冷却空气的温度进一步降低。为了进一步开发涡轮功率，将发动机的涵道比从4.8 : 1增至6.5 : 1。为了驱动更大的风扇，额外增加了两级低压涡轮。


试验结果表明，运用液氢燃料的吸热能力可有效提升发动机性能，降低发动机运行成本。其中，方案一、方案三可节省约3%的运行成本，而且不需要额外增加涡轮机械，在技术上可行，从安全的角度也是可以实施的。 

原标题：一文浅析下氢能飞机的发展前景