[技術(shù)前沿]液態(tài)氫將成為噴氣飛機(jī)未來(lái)的燃料
氫動(dòng)力航空班機(jī)得到起飛許可。
2023年3月，在華盛頓州摩西湖附近，一架40座沖鋒8（Dash 8）渦輪螺旋槳飛機(jī)飛向清澈蔚藍(lán)的天空。這次起飛乍看沒(méi)什么特別，但驅(qū)動(dòng)它左側(cè)螺旋槳的是一臺(tái)由氫燃料電池給予動(dòng)力的1兆瓦電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)右側(cè)螺旋槳的則是一臺(tái)普通的普惠渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)，這是迄今為止使用氫燃料飛行的最大的飛機(jī)。
繼1月加州初創(chuàng)公司ZeroAvia試飛一架19座多尼爾228螺旋槳飛機(jī)后，加州霍桑的環(huán)球氫能公司（Universal Hydrogen）也進(jìn)行了15分鐘的試飛。這兩家公司的首席執(zhí)行官都稱，這些都是可持續(xù)航空“歷史性的”里程碑事件。這兩家公司均表示，到2025年，將實(shí)現(xiàn)改裝渦輪螺旋槳飛機(jī)的商業(yè)飛行。法國(guó)航空巨頭空客公司則有著更宏偉的計(jì)劃，該公司計(jì)劃于2026年對(duì)A380客機(jī)進(jìn)行示范飛行，該飛機(jī)屆時(shí)將同時(shí)使用氫燃料電池和氫氣燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)。此外，羅爾斯?羅伊斯公司也在氫氣燃料飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)方面取得了進(jìn)展。
美國(guó)加州初創(chuàng)公司環(huán)球氫能公司正在測(cè)試一架渦輪螺旋槳飛機(jī)原型機(jī)，該飛機(jī)由兩個(gè)氫燃料電池給予一部分動(dòng)力。
在全球碳排放量中，航空業(yè)約占2.5%，該行業(yè)已承諾到2050年實(shí)現(xiàn)凈零排放。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)需要采取多條路線，包括可持續(xù)燃料、混合電動(dòng)引擎和電池-電動(dòng)飛機(jī)。
氫氣是另一種有潛力的路線。無(wú)論是用于燃料電池發(fā)電，還是作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料，氫氣都可與氧氣結(jié)合并釋放水蒸氣。如果綠色氫氣能擴(kuò)大用于卡車和船舶，那么它可能會(huì)是一種沒(méi)有電池所存在的環(huán)境問(wèn)題的低成本燃料。
雖然氫氣飛行會(huì)帶來(lái)存儲(chǔ)和認(rèn)證方面的挑戰(zhàn)，但航空公司現(xiàn)在正在做基礎(chǔ)工作，以期到2025年實(shí)現(xiàn)使用氫氣的飛行。“氫氣正在飛向天空， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 將把它帶到那里?！笨湛兔乐薰矩?fù)責(zé)研究和技術(shù)的副總裁阿曼達(dá)?辛普森（Amanda Simpson）說(shuō)。
氫氣不僅是最充足的元素，也是最輕的元素，這對(duì)于對(duì)抗重力的行業(yè)來(lái)說(shuō)非常關(guān)鍵，按重量計(jì)算，其能量是航空燃料的3倍。氫氣的問(wèn)題在于其體積。為了運(yùn)輸，它必須以高壓縮氣體或低溫液體的形式存儲(chǔ)在重型儲(chǔ)罐中。
ZeroAvia正在使用壓縮氫氣，這種方式已經(jīng)被批準(zhǔn)用于公路運(yùn)輸。該公司試飛的飛機(jī)在機(jī)艙內(nèi)有兩個(gè)氫燃料電池和儲(chǔ)罐，但為了加快在美國(guó)和歐洲順利獲得認(rèn)證，該團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在正在考慮一種創(chuàng)造性的緊湊系統(tǒng)，對(duì)飛機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)行最小限度的修改。盡管燃料電池增加的重量會(huì)縮短飛行距離，“但這不是問(wèn)題，因?yàn)轱w機(jī)的設(shè)計(jì)飛行距離比實(shí)際用到的距離遠(yuǎn)得多。”公司戰(zhàn)略副總裁詹姆斯?麥克米金（James McMicking）說(shuō)。
該公司得到了包括比爾?蓋茨和杰夫?貝索斯在內(nèi)的投資者的支持，并與英國(guó)航空公司和聯(lián)合航空公司建立了合作伙伴關(guān)系。該公司預(yù)購(gòu)了1500個(gè)氫電動(dòng)力系統(tǒng)，其中一半用于400公里航程的9至19座小型飛機(jī)。
到2027年，ZeroAvia計(jì)劃改裝更大的70座渦輪螺旋槳飛機(jī)，使航程增加1倍，可廣泛用于歐洲。為此該公司正在開發(fā)5兆瓦電動(dòng)機(jī)，并計(jì)劃改用能量密度更高的液態(tài)氫，以節(jié)省空間并減輕重量。麥克米金說(shuō)，這種燃料對(duì)于航空業(yè)來(lái)說(shuō)很新穎，可能需要更長(zhǎng)的監(jiān)管審批程序。
接下來(lái)，將是用于100座至150座飛機(jī)的10兆瓦動(dòng)力系統(tǒng)，“這是行業(yè)的主力。”他說(shuō)。這些飛機(jī)（例如波音737）造成了60%的航空排放。采用氫氣減少排放需要更高效的燃料電池。他說(shuō)，ZeroAvia正在研究專利高溫燃料電池，這種電池能夠重復(fù)利用所產(chǎn)生的大量廢熱。“ ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 的設(shè)計(jì)和技術(shù)線路圖將帶領(lǐng) ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 進(jìn)入噴氣引擎的動(dòng)力領(lǐng)域。”麥克米金說(shuō)。
以化石燃料為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)飛機(jī)會(huì)將燃料從燃料罐輸送到噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)(上圖)。氫動(dòng)力系統(tǒng)(下圖)則會(huì)使用液體氫或高度壓縮的氫氣作為燃料，可直接在內(nèi)燃機(jī)中燃燒，也可順利獲得燃料電池轉(zhuǎn)化為電力以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。
環(huán)球氫能公司將空客公司、美國(guó)航空公司和通用電氣航空公司列為戰(zhàn)略投資者，正在將賭注押在液態(tài)氫上。該公司的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官保羅?艾雷門科（Paul Eremenko）表示，這家初創(chuàng)公司是“一家以氫氣供應(yīng)和物流為核心的公司”，隨著氫氣航空業(yè)的開展，希望確保氫氣航空業(yè)擁有一個(gè)無(wú)縫交付網(wǎng)絡(luò)。該公司會(huì)采購(gòu)綠色氫，將其轉(zhuǎn)化為液體形態(tài)，并將其放在技術(shù)含量相對(duì)較低的隔熱鋁罐中，順利獲得公路、鐵路或船舶來(lái)運(yùn)輸。“ ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 希望在2025年取得美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（FAA）的認(rèn)證，這意味著，它們不能是科學(xué)項(xiàng)目。”他說(shuō)。
艾雷門科說(shuō)，預(yù)計(jì)到2025年，綠色氫氣的成本將與噴氣燃料大致相同。不過(guò)，“沒(méi)有人能給予令人難以置信的氫氣飛機(jī)解決方案，這是一個(gè)先有雞還是先有蛋的問(wèn)題?！?/p>
為分析決這個(gè)問(wèn)題，環(huán)球氫能公司與領(lǐng)先的燃料電池制造商Plug Power展開了合作，以便為區(qū)域渦輪螺旋槳飛機(jī)開發(fā)幾千個(gè)轉(zhuǎn)換套件。借助這些套件，操作員可以將發(fā)動(dòng)機(jī)更換為燃料電池組、動(dòng)力電子設(shè)備和一個(gè)2兆瓦電動(dòng)機(jī)，這些都將安裝在一臺(tái)現(xiàn)有的外殼中。該公司的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手在起飛時(shí)使用了電池作為緩沖，而艾雷門科表示，環(huán)球氫能公司則使用了巧妙的算法來(lái)管理燃料電池，使其加速并快速響應(yīng)。“ ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 是氫氣領(lǐng)域的‘膠囊咖啡’?！卑组T科說(shuō)，“ ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 購(gòu)買別人的‘咖啡’，將其裝進(jìn)‘膠囊’，然后交付給客戶。不過(guò) ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 必須制造第一臺(tái)咖啡機(jī)。 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 是唯一一家同時(shí)既‘孵蛋’又‘下蛋’的公司?！?/p>
與大型中央發(fā)動(dòng)機(jī)相比，燃料電池有一定的優(yōu)勢(shì)。制造商可以在飛機(jī)上分散部署小型推進(jìn)電動(dòng)機(jī)，這給了他們更多的設(shè)計(jì)自由。此外，由于沒(méi)有高溫活動(dòng)部件，維護(hù)成本也會(huì)更低。對(duì)于長(zhǎng)途飛機(jī)而言，大功率燃料電池的重量和復(fù)雜性會(huì)使氫燃料引擎更具吸引力。
空客公司正在考慮為其ZEROe氫氣飛機(jī)系統(tǒng)給予燃料電池和燃燒推進(jìn)裝置。該公司與德國(guó)汽車燃料電池制造商Elring Klinger合作，并與CFM國(guó)際公司合作，生產(chǎn)直接燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)，CFM國(guó)際是通用電氣航空和賽峰集團(tuán)的合資企業(yè)。要在當(dāng)今的發(fā)動(dòng)機(jī)中燃燒液態(tài)氫，預(yù)計(jì)需稍作改動(dòng)，例如實(shí)現(xiàn)更短的燃燒室和更好的密封。
辛普森說(shuō)，空客公司也在評(píng)估混合動(dòng)力推進(jìn)概念，在同一傳動(dòng)軸上安裝氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的渦輪機(jī)和氫氣燃料電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)。“然后就可以對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，這樣就能在起飛和爬升時(shí)同時(shí)使用兩個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)，從而在巡航時(shí)關(guān)閉一個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)?！?/p>
該公司并不局限于簡(jiǎn)單地重新設(shè)計(jì)飛機(jī)。辛普森說(shuō)，氫氣罐可以放在飛機(jī)頂部的穹頂艙、機(jī)翼下的吊艙或后部的大型罐中。如果不像傳統(tǒng)飛機(jī)那樣在機(jī)翼中有液體燃料，她說(shuō)：“你就可以優(yōu)化機(jī)翼的空氣動(dòng)力學(xué)性能，讓它們更薄或更長(zhǎng)?；蛘呤箼C(jī)翼與機(jī)身融成一體，這可能會(huì)大有不同。這給優(yōu)化飛機(jī)效率帶來(lái)了機(jī)會(huì)?！边@種新型飛機(jī)的認(rèn)證可能需要數(shù)年，空客公司預(yù)計(jì)無(wú)法在2035年以前實(shí)現(xiàn)商業(yè)飛行。
麥肯錫公司的分析師羅賓?利德爾（Robin Riedel）說(shuō)，考慮到現(xiàn)在制造的常規(guī)飛機(jī)的壽命為25年至30年，這些飛機(jī)將在2050年左右過(guò)淘汰?？沙掷m(xù)燃料是它們唯一的綠色選擇。他說(shuō)，氫氣能夠發(fā)揮作用，方法是順利獲得“動(dòng)力轉(zhuǎn)液體技術(shù)，將氫氣與捕獲到的二氧化碳混合，制成航空燃料”。
即便如此，利德爾認(rèn)為，2050年之前，氫氣也很可能只是航空業(yè)可持續(xù)解決方案的一小部分。“到2070年，氫氣將發(fā)揮更大的作用。”他說(shuō)，“但 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 現(xiàn)在必須開始使用氫氣?！彼f(shuō)，雖然空客公司和波音公司投入氫氣解決方案的資金只占航空航天支出的一小部分，但是大型航空公司投資氫燃料公司或訂購(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)“表明人們有這方面的意愿”。
空客公司的辛普森表示，如果航空業(yè)要開展，就必須進(jìn)行清理。生物燃料只是一塊墊腳石，因?yàn)樗鼈冎荒軠p少碳排放，而無(wú)法減少其他有害排放。“如果 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 要開展清潔航空，就必須從頭開始重新思考，這就是ZEROe正在做的事?！彼f(shuō)，“這是一個(gè)機(jī)會(huì)， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 要做出真正革命性的變革，而不是漸進(jìn)式的改變?！?/p>
作者：Prachi Patel
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