绿色天空思考:氢气飞行的崛起

干净，绿色，很快就到你附近的飞机前。乔恩·埃克塞尔（Jon Excel）研究了氢——宇宙中最丰富的元素——是如何成为民用航空脱碳计划的核心。

在持续推动清洁、低碳客运飞机的过程中，工程师们近年来探索了多种技术途径:从改进现有的涡轮技术，到开发新的可持续燃料，甚至混合动力电池系统的应用。

但去年，当一个被2019冠状病毒病(COVID-19)摧毁的行业反思其未来时，力量平衡坚定地向一种能源载体倾斜，这种能源载体被视为我们未来能源结构中日益重要的组成部分:氢。

一段时间以来，人们对氢的兴趣一直在增长，但最引人注目的迹象是在2020年9月空中客车公司——全球最大的飞机制造商——宣布，氢燃料推进系统将成为一项雄心勃勃的计划的核心，该计划将在2035年前推出一款新的零排放商用飞机。

在一份引人注目的意向声明中，这家航空巨头公布了三款氢燃料客机的概念，让人们得以一窥未来的样子。

氢具有与煤油相同的能量水平，产生相同的射程和性能，但重量只有煤油的三分之一

空中客车首席技术官Grazia Vittadini

代号为“ZEROe”的三个概念包括一个涡轮风扇设计，目标是2000海里，120 - 200乘客段;更小的涡轮螺旋桨概念飞机，可满足约1000海里的飞行;而且——最引人注目的是——一款未来派的混合翼飞机，它展示了对低碳航空的追求将如何引发机身设计的革命。

空中客车首席技术官Grazia Vittadini在在线发布会上表示，虽然公司对各种低碳技术仍感兴趣，但氢气正成为最有希望实现零排放的航空路线。她声称，事实上，由于其令人信服的能源密度，它最终可能在民航的脱碳工作中占据多达50%的份额。她说:“氢具有与煤油相同的能量水平，产生相同的航程和性能，但重量只有煤油的三分之一。”

当然，问题在于体积。事实上，在等能量条件下，氢的体积是煤油的四倍。正如Vittadini所解释的，这意味着坦克的设计和集成是摆在面前的一大挑战。

具体如何克服这个问题还有待决定，但空客的三个概念提供了一些如何实现的建议:涡轮螺旋桨和涡扇概念将机身尾部用于燃料存储，而混合机翼的概念说明了未来的机身设计将如何围绕这一需求发展。

维塔迪尼说，另一个需要去风险和研究的基本组成部分是氢低温学。她说:“氢是一种气体，它会在零下253摄氏度时变成液体，所以关键是要把氢带到这个温度，并在飞行的所有阶段都保持在这个温度。”

她说，这些挑战和其他挑战已经在调查中。她补充说，空中客车公司的目标是在今年某个时候从零排放演示中获得初步结果。根据该公司工程副总裁让·布里斯·杜蒙特（Jean Brice Dumont）的说法，该公司还需要三到五年才能确定可能的候选人。

至关重要的是，空客对这个地球上最丰富的元素投下的信任票，反映出整个行业的观点正在增强。Iain Gray教授,克兰菲尔德大学,航空主管和资深的英国航空航天工业,最近告诉《工程师》杂志,他越来越认为氢是主要竞争者:“我是一个伟大的信徒在氢我认为时代已经来临,在航空航天和空客公司承诺”他说。

他说，在航空领域，氢也比电池有一些明显的优势，这一点在去年空客(Airbus)和罗尔斯•罗伊斯(Rolls-Royce)联合推出的混合动力飞机项目E-Fan X的取消决定中得到了证实。他说:“我认为空客得出的一个有用的结论是，它表明电池和电池电力不是A320这类替代产品的长期解决方案。”“我认为，当他们这么做时，取消它是一个勇敢的步骤，但经过反思，这可能是得出积极结论并转向氢的正确时机。”

空中客车公司零排放飞机副总裁格伦·卢埃林（Glenn Llewellyn）也认为，氢现在似乎已经在低碳啄食秩序中占据了首位。他说：“我们需要一种能源载体，它可以利用可再生能源制造，然后搭载在飞机上。”。“我们在电池方面的经验告诉我们，电池技术并没有以我们想要的速度发展——氢就是其中之一——它每千克的能量是今天电池的数倍。”

与此同时，尽管空客历史上雄心勃勃的计划离实现还有几年的时间，但作为第一家将商用氢燃料客机投入空中的公司，该行业的新兴明星之一——美国初创公司ZeroAvia——获得了殊荣

去年夏末，在被誉为低碳飞行里程碑的时刻，一架改装的六座Piper M级飞机由氢燃料电池动力系统驱动（将空气中的氧气与油箱中的氢气结合起来形成水和电）在该公司位于英国克兰菲尔德机场的研发基地上空，它进入了航空史。

这次飞行是HyFlyer项目的一部分航空航天技术研究所（ATI）资助的倡议，旨在证明螺旋桨飞机的低碳动力系统技术。由ZeroAvia该项目还包括英国燃料电池专家智能能源和欧洲海洋能源中心(EMEC)，后者已经为飞机开发了一种绿色的氢燃料补充系统。

在撰写本文时，

该公司还获得了1230万英镑的政府资金，用于后续项目HyFlyer II，该公司将开发一种合格的600千瓦氢电力动力系统，为可搭载19名乘客的机身提供动力。该项目预计最终飞行350英里，使该公司离实现短次区域和区域飞行脱碳的目标又近了一步。Renz表示，该公司可能已经准备好最早在2023年推出一款商业产品。

Renz解释说，与空客一样，ZeroAvia在得出结论之前也研究了许多不同的技术途径，即氢燃料——在这个例子中是氢电力——是这类飞机的最佳解决方案。他说:“电池电量不足是因为简单的能量密度。”“你无法在飞机上储存足够的能量。如果你看看混合电力的方法(在涡轮中燃烧航空燃料，驱动发电机发电)，做的研究越多，就越多人意识到，成本和环境证书并不比非常高效的涡轮发动机有实质性的改善。”

就在那个时候，研究小组决定氢是最多的盒子。“我们意识到，从成本角度看，这看起来非常好，因为电气化带来了维护成本效益；从燃料角度看，这看起来很好，因为你可以生产零排放氢气；从环境角度看，你没有电池回收等问题。你可以实现约90%的锂fe循环减排。”

虽然ZeroAvia是一家美国成立的公司，但值得注意的是，大部分研究活动都发生在英国。事实上，根据Renz的说法，克兰菲尔德和更广泛的英国航空生态系统的专业知识是项目启动的关键。“我们很早就意识到两件事，”他说。“第一，我们的供应链有很多在欧洲，第二，政府和潜在客户都对欧洲很感兴趣。我们研究了整个欧洲的产品，意识到英国在人才、接近我们的供应链和政府雄心方面拥有最好的设施。”

他说，利用这种专业技术是解决一些相当基础的工程问题的关键，尤其是克服在相对较小的飞机上安装燃料电池系统和储氢罐的包装挑战。“我们选择的机身飞行速度很快，这通常意味着可用空间很小，”他说，“在可用空间安装燃料电池系统对我们来说是一个巨大的挑战，所以我们在这方面花了很多时间。”

另一个关键挑战是围绕热管理，并找到创新的方法来消除燃料电池产生的废热。“一个好的经验法则是燃料电池系统是50 - 60%的效率——每瓦特生成有用的力量你几乎产生废热的瓦特——这意味着你有相当多的废热需要摆脱和热管理是第二大工程挑战。”

值得注意的是，HyFlyer项目团队并没有把重点局限在飞机上，而是利用该计划展示了未来氢机场生态系统的关键组成部分:包括绿色氢生产、氢存储和燃料补给技术。事实上，通过这个项目，EMEC已经开发了一个端到端的氢燃料补给系统，包括一个在现场生产氢的电解槽，一个为储存准备氢而安装在路上的压缩机，以及一辆特别开发的燃料补给卡车。

Renz说，理解并应对这些更广泛的挑战将是把这项技术带到下一个水平的关键。“今天，即使我们有了商业化的产品，我们也卖不出去，因为没有哪家航空公司能够为氢燃料飞机提供燃料。所以我们需要开始向人们展示，氢并不是一种神奇的燃料，你可以用电和水在现场生产它，你可以在现场储存它。”

Iain Gray赞同这种更团结的观点的重要性，并对整个行业似乎越来越多地认识到这一点感到鼓舞。他说:“我认为，人们更多地考虑的是生态系统以及它如何整合在一起，而不是仅仅关注飞机的点设计，这让人非常兴奋。”

他认为，这一趋势将不可避免地推动更多的跨部门合作；“这可能会推动比传统情况下更高水平的跨部门合作。航空航天部门无法独自解决所有挑战……解决方案将由人们共同努力，”他说。

空客的格伦Llewllyn这一切构成了一个非常不同的和令人兴奋的未来工程师工作的部门:“学科之间的合作和工作,作为一个行业,我们还没有过去,这将是一个非常激动人心的机会,”他说。

更重要的是，尽管推动这样一个根本性的转变将不可避免地面临挑战，但值得注意的是，该行业将能够利用氢在经济许多其他领域的现有势头。“我们在英国有一些真正的优势，”格雷说，“我们在生产和储存方面有优势，氢在运输中的使用已经深入人心。”我们看到的是，航空业开始认识到它可以利用的优势。”

这似乎很矛盾，但我要对一个即将进入航空航天领域的年轻毕业生说，加入这个行业的时机再好不过了

伊恩·格雷教授，克兰菲尔德大学

这显然是空客感兴趣的一个因素。卢埃林说:“许多行业都需要氢能源，以实现巴黎气候变化目标。未来几年，氢能源的使用规模将显著降低成本，这使得航空行业非常感兴趣。”

如果忽视这一流行病在过去12个月中给民航部门带来的困难和挑战，那将是错误的。许多在该行业工作的人失去了工作，一些依赖于该行业持续增长的组织已经不复存在。

但在该行业推动低碳未来的背后，也有一种日益增长的势头，这使它成为一个令人兴奋的时刻——尽管发生了一切。格雷说:“这似乎有点矛盾，但我想对一个即将进入航天领域的年轻毕业生说，现在是进入这个行业的最佳时机。”“你有机会塑造事物，以不同的方式做事，并参与到那些将做两年前还无法想象的事情的公司中去。”

对于空中客车公司的Grazia Vittadini来说，毫无疑问，该行业正处于决定其低碳未来的关键时刻。而且，就目前情况来看，氢似乎将成为这一愿景的核心。她说：“有很多理由相信氢的存在，据我们估计，在我们实现航空脱碳的过程中，氢的贡献率将超过50%。”。“这是最有希望的技术载体之一，使机动性能够继续满足人类对机动性的基本需求，并与我们的环境更加和谐……使后代能够像我们一样享受飞行。”