氫燃料是減少航空碳排放最有發(fā)展前景的方向之一。目前，氫動力技術方案有燃氣渦輪發(fā)動機直接燃燒氫氣（氫燃料飛機）、氫燃料電池電推進（氫電池飛機）以及氫電混合動力三種，各大研究機構和商業(yè)公司都在開展相關技術研究。
氫動力技術已經(jīng)成為一種重要發(fā)展趨勢。而且除了將液氫作為航空燃料外，科研人員還在研究利用低溫液氫來冷卻推進系統(tǒng)，以提高推進效率和減輕飛機重量。

英國FlyZero（零碳飛行）

2021年12月6日，英國航天技術研究所（ATI）公布了FlyZero液氫動力遠程中型飛機概念。FlyZero飛機翼展54m，可載客279名，航程達5250海里（約9700km），可在倫敦和舊金山之間連續(xù)飛行，航程比A330neo少一點，但是將比目前的任何窄體客機都要遠。

FlyZero中型氫動力飛機概念
該飛機以液氫為燃料，存儲在后機身及沿前機身兩側的低溫燃料罐中，存儲溫度為-250℃（-418℉），外形與普通寬體客機不同，但速度和舒適度與普通的客機無異。在飛行中，通過液氫消耗的重量調(diào)整來保持飛機的重心平衡，并減少對整機氣動結構的設計需求。

FlyZero項目由英國ATI牽頭，于2020年7月宣布啟動，旨在2030年前研制出零碳排放飛機。項目團隊計劃于2022年初發(fā)布三種（支線、窄體和中型）飛機的詳細概念。同時還將公布技術路線圖、財務和市場報告以及可持續(xù)性評估。在FlyZero概念飛機的研制過程中，已經(jīng)確定了需要研究開發(fā)的技術領域，包括：無內(nèi)置油箱的機翼（干式機翼）、氫氣罐、低溫燃料系統(tǒng)、燃料電池、電力系統(tǒng)以及可直接使用氫氣為燃料的渦輪發(fā)動機。
英國希望能借FlyZero項目支持在民航領域的世界領先地位，以此創(chuàng)造新的就業(yè)機會，實現(xiàn)零碳目標，并引領全球向凈零航空過渡。

GKN公司H2GEAR

英國GKN航空航天公司正在牽頭英國的氫能航空合作應用研究項目，該項目稱為H2GEAR（氫電混動系統(tǒng)）。該項目于2020年 12 月啟動，為期 5 年。
H2GEAR的目標是開發(fā)首個可以應用于支線飛機的氫能電驅(qū)動系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用液氫（LH2）和燃料電池，并可擴展應用到較大的飛機。該項目計劃在2026年應用于氫能支線飛機，在之后10年內(nèi)通過發(fā)展氫能航空技術,在英國創(chuàng)造3000多個高技術工作崗位，有望帶動168億英鎊的經(jīng)濟效益。
H2GEAR 項目的前身是GKN公司在2015—2018年進行的E-volution可行性研究。該項研究的結構是在一架混電客機中配置兩臺傳統(tǒng)燃料渦輪發(fā)動機和一個中心線電動推進器以提供減阻附面層攝入。研究發(fā)現(xiàn)，電機與低溫系統(tǒng)、超導網(wǎng)絡一起工作的效率最高，此時不能采用常規(guī)的能量載體（航空煤油）。不僅需要超導系統(tǒng)，而且還需要一種散裝的致冷劑，這樣就可以將冷凍器從系統(tǒng)中去除，進一步減輕重量。研究得出的結論是，飛機的環(huán)境性能受到燃料的限制，這意味著研究應該轉向類似液氫這樣的產(chǎn)品，而為了獲得整體的效益，應該轉向超導系統(tǒng)，該系統(tǒng)將使用大量的燃料來產(chǎn)生能量和熱沉。
將電力系統(tǒng)冷卻到低溫，可以減少損耗，提高效率，增加功率密度。冷卻到高溫超導（HTS）材料可以使用的程度，就可以進一步減少損耗和重量。但這意味著重量和高維護成本，因此 H2GEAR項目正在考慮混合電力系統(tǒng)，使用液氫作為燃料推進和散熱器冷卻劑。
2021年6月10日，GKN公司的新飛行器概念主管表示，在飛機上使用液氫作為零排放能量載體，就有可能產(chǎn)生低溫電力系統(tǒng)。在常規(guī)的混電推進系統(tǒng)中，航空燃料中儲存的能量由發(fā)動機驅(qū)動發(fā)電機轉化為電能，整個系統(tǒng)的損失會導致從電源到發(fā)動機的轉換效率僅為83%。低溫冷卻將減少這些損失，如果使用超導系統(tǒng)，則可以實現(xiàn)高達95%的轉換效率，從而減輕系統(tǒng)重量。
H2GEAR計劃開發(fā)的氫燃料電池推進系統(tǒng)，其峰值功率為 1.25～2 兆瓦，并配裝有一臺低溫電機。液氫冷卻電機至低溫，加熱并變成氣態(tài)氫，在燃料電池中被消耗，由此產(chǎn)生電力以驅(qū)動電機。為了與飛機集成，項目團隊開發(fā)了一個綜合飛機概念，包括兩個獨立、分離的推進系統(tǒng)，從燃料箱到發(fā)動機，驅(qū)動后機身的推進器。這是一架航程為500 海里的小型支線客機。

H2GEAR項目研究的混合氫/電客機GKN公司認為，這是一種逐步從低溫冷卻的傳統(tǒng)電力系統(tǒng)轉到部分超導、最終實現(xiàn)完全超導系統(tǒng)的方法。目前，有些技術在地面上是成熟的，比如電纜和低溫系統(tǒng)的電流引線，但超導電機的技術還不是那么成熟。

空客ASCEND

液氫在飛機上的應用主要有兩種途徑：第一種是利用低溫冷卻來提高傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的性能。第二種是利用低溫超導技術推動推進技術的突破，以顯著減少損失，減輕重量，提高飛機的效率。
2021年4月，空客啟動了“先進超導和低溫電驅(qū)驗證”（Ascend）項目，計劃研制一套500千瓦低溫超導航空電驅(qū)動通用總成驗證系統(tǒng)，展示低溫冷卻超導材料在減重、提高電力轉換效率方面的潛力，在2028年進行飛行演示。
空客認為，電驅(qū)動技術目前的研究和短期應用集中在輕型飛機和支線飛機上，而大型飛機動力需求的安裝重量很大，并會產(chǎn)生大量熱量。因此，使用低溫超導材料有望增加功率密度，從而減輕電流傳輸系統(tǒng)的重量?？湛颓捌诘难芯勘砻鳎瑢Р牧显诤娇胀七M系統(tǒng)的主要優(yōu)勢有3點：
1.大幅降低電驅(qū)動力總成的重量。
2.電氣損耗可能減半，所需的電壓可以降至500V以下，而降低電壓對于電動飛機來說非常有意義，因為高電壓會帶來諸如電弧和電路保護等系列問題。
3.提高動力總成系統(tǒng)的效率，有望達到96%～98％。

Ascend計劃將使用地面技術開發(fā)幾個“模塊”：直流配電網(wǎng)絡，具有低溫冷卻電流引線、10 m長的超導電纜和故障保護器；配備應用低溫電力電子技術的冷電機控制單元；超導電動機。

ASCEND的結構圖
該項目將研究500千瓦以內(nèi)的超導電驅(qū)動通用總成，其中液態(tài)氫只用于冷卻，而不作為燃料。該項目的目標不是服務于某個特定機型，而是旨在證明超導電驅(qū)技術應用的可行性和潛力。eVTOL機型可能需要幾百千瓦的功率，而大型干線飛機則需要數(shù)兆瓦的電驅(qū)動功率。
ASCEND動力總成將包括一個變速箱，通過超導電纜和連接器將功率傳遞到電機控制單元，然后將直流電轉換為交流電，最終通過超導電機產(chǎn)生推力。這個傳輸系統(tǒng)中，一個低溫系統(tǒng)將為超導組件提供冷卻，低溫介質(zhì)可能是液氫，也可能探索采用液氮或液氦。此前，空客已經(jīng)探索使用零下253℃的液氫作為零排放燃料的可行性。由于液氫必須從該溫度升溫后才能注入燃料電池，因此將其用作熱交換器以冷卻低溫動力總成將是雙贏的局面。盡管整個超導系統(tǒng)需要保持冷態(tài)，但是動力總成的不同組件可能需要不同的溫度，例如電纜可能需要-193.15℃，常規(guī)半導體需要-173.15～-123.15℃，因此該項目將著眼于改變液態(tài)氫的溫度或為某些組件開發(fā)特定的冷卻系統(tǒng)。
空客公司將通過其子公司UpNext在慕尼黑的電動飛機系統(tǒng)研究所建造該超導動力總成，將測試可適用于多種發(fā)動機的解決方案（如渦槳、渦扇和混合動力）。測試計劃在2023年底完成，這些結果將用于驗證系統(tǒng)模塊的模型，這些模塊可以從100千瓦放大到兆瓦級的功率水平，供空客在不同的飛機研究中使用。
如果基于地面技術的Ascend計劃第 1 階段測試取得成功，那么在2024—2025年中期的第2階段將開發(fā)針對飛機的技術和目標飛機的動力總成。2026—2028年的第三階段將進行動力總成的飛行測試。

結束語

要實現(xiàn)綠色航空，液氫是最適合的燃料，可是它需要極大的冷卻系統(tǒng)和存儲系統(tǒng)。要產(chǎn)生同樣的能量，氫需要的體積是航空燃油的4倍，所以需要對飛行器進行重大革新。從機體布局到發(fā)動機，再到燃料儲存系統(tǒng)，幾乎所有的部件都需要重新設計。
與此同時，氫能源的利用并不簡單，需要供應鏈各個環(huán)節(jié)共同發(fā)力。首先是氫的生產(chǎn)制造。工業(yè)用氫目前只有4%是通過電解制備的，其余如甲烷蒸氣轉化法和煤炭氣化法等都會產(chǎn)生副產(chǎn)物二氧化碳，這與利用氫能源實現(xiàn)航空業(yè)低碳發(fā)展的初衷是背道而馳。即便是電解法，如果不利用可再生能源發(fā)電的話，也無法成為“綠色”氫能源。其次，即使不計算儲存費用，“綠色”氫氣的生產(chǎn)成本接近航空煤油的3倍。
另外，氫能源基礎設施建設應與技術攻關同步進行，其中的關鍵就是如何由工廠向機場輸送液氫以及如何在機場給飛機加氫。目前，有研究表明利用現(xiàn)有天然氣網(wǎng)絡改造實現(xiàn)氫氣運輸是可能的，只是需要大量的資金支持。如何安全、有效地使用氫能，還需要政府監(jiān)管機構、研制廠商等共同協(xié)作，實現(xiàn)管理措施、關鍵技術等方面的創(chuàng)新突破。