浅谈欧美大飞机未来动力路线

近日，空客公司宣布决定在德国的不来梅和法国的南特两地，分别建立两个零排放研发中心（ZEDC）。

这两个研发中心的主要任务是开发低成本、低重量、高性能、高可靠性的低温液氢储存容器。这种容器将作为燃料箱运用在空客公司下一代以氢气为动力能源的“ZEROe”新能源飞机上。

按照空客公司2020年公布的路线图，“ZEROe”新能源飞机将在2035年交付使用。对于新能源飞机来说，低温液氢储存容器的研发至关重要。

从2008年空客在A320试验机上对基于氢和氧的燃料电池系统进行测试后至今，空客对氢能源相当“专一”。而波音虽然也在推进氢能源动力研究，近些年来却更重视混合动力的发展潜力。

空客：持续深耕氢动力方案

从目前公布的信息来说，空客的氢能源动力系统尚存在很大的不确定性。例如，涡轮燃机中氢如何进行管理，是液态还是气态？

但总体来讲，它源于两种氢能利用方式的组合（氢燃料电池混合动力）或者单独使用（氢燃料电池）。一种是基于传统涡扇/涡桨的燃机动力进行改进，从烧油改为烧氢气；另一种是通过氢燃料电池，实现“氢气—电力”的转化。

目前ZEROe飞机公布了4种不同路线的总体方案，分别是：

氢动力涡扇发动机方案定位于双发中型干线客机，其总体外形设计接近空客A320，但是拥有更薄的翼型、更大的翼展，并且尾部更修长以容纳液氢储存容器。该机能搭载120~200名乘客，航程至少在2000海里以上。

氢动力涡桨发动机方案定位于双发轻型支线客机。客机最多能搭载100名乘客，航程在1000海里左右。出于安排大直径螺旋桨和适应恶劣环境跑道的考虑，该方案采用了“上单翼+T型尾翼”的布局。

氢动力翼身融合方案最多可搭载200名乘客。翼身融合布局能有效地提升飞机的气动效率，但最大的问题是，与传统客机差异巨大的机身外形，不仅存在难以布置舷窗等问题，更会使它难以兼容现有机场的传统廊桥布局。

氢燃料电池分布式推进方案出现较晚。没有燃机，仅依靠氢燃料电池发电、使用6个电机吊舱驱动螺旋桨，是从氢动力涡桨支线方案基础上衍生出来的。

波音：更看好混合动力

波音公司基本与空客同期展开氢动力能源的研究，却在2012年与NASA联合成立了名为Boeing Sugar Volt的专注混合动力飞机概念的部门。从目前透露出来的信息来看，波音更看好油电混合动力的方案。

从动力原理上来说，油电混合动力飞机所使用的燃料和传统飞机的航空煤油并无区别：任何一架油电混合动力飞机，在它所起降的机场中，都不会遭遇到燃料供应方面的麻烦。无论是飞机本身还是机场，航空煤油的储存、运输、加注、消防等相关环节，均已在近百年的历史进程中进化的非常完善。

相比目前的主流飞机设计样式，分布式推进系统则能极大地解放飞机总体设计，并降低20%~30%的燃料消耗。

油电混合动力飞机的最终设计目的，是形成“烧油—发电—电机推进”的能量利用方式；利用电机自身的特性（如效率远高于热机、对尺寸不敏感等），实现飞机总体性能在设计效率上的突破解放。

基于这些特性，油电混合动力的新一代客机只要外形能良好地兼容现有的廊桥等机场设施运作，在飞机本身的设计和制造没有大问题的前提下，机场和航空公司都不会对新飞机有额外的顾虑以及抵触心态。

不过相对于氢燃料，油电混合动力的缺陷是，它只是在传统燃油动力上较为明显地提升了能量利用效率，依然会有较多的直接二氧化碳和氮氧化物排放。

对此，波音曾表示Sugar Volt飞机的排放量将比现在的飞机平均低70%左右，噪音污染也将低。

就实现节点来说，波音依然较为审慎。波音公司环境战略主管肖恩·纽瑟姆曾在2020年1月表示，将混合动力技术扩大到波音737这一体量的飞机可能还需要几十年的时间，但混合动力支线飞机可能会在21世纪30年代就开始投入使用。

氢动力：或许并不能减少碳排放？

空客公司之所以多年来持续推进氢动力飞机研发，显然是因为其优势明显。一方面，在氢动力飞机的直接排放物中碳氧化物为零，氮氧化物也较少，甚至完全没有；另一方面，氢在液体形态下拥有较高的能量密度，因此能提供比锂电池强很多的载荷航程能力，但比起燃油飞机还是明显不如。

对于航空运输业来说，碳排放计划指标是眼下全行业所面临的共同压力和动力：2020年达到碳中和、2050年碳排放量减少到2005年的50%。而氢动力飞机的零碳排放特性无疑有着巨大的吸引力。

但必须要指出的是，氢是二次能源，氢动力的零排放本质上只是排放转移。比如氢气的工业化制取，目前仅4%的氢气是电解制取，制取过程中不直接产生碳排放——即便如此，如果电解的电力源于煤电，那么电解制氢一样要排放大量的二氧化碳。而其余的制氢方式，无论是甲烷制氢还是煤炭制氢都不可避免地要排放大量二氧化碳。

除此之外，飞机以氢气为动力，从市场角度来说也并无甚优势：从燃料本身的生产成本来讲，氢的成本接近航空煤油的3倍，如果加上储存和运输费用还不止于此。

对飞机来说，液氢的储存需要维持非常低的温度，而制冷本身就需要消耗大量的能量，这会进一步降低氢动力飞机的燃料利用效率。不仅飞机本身要有对应的隔热结构和制冷设备，而且氢气极易扩散腐蚀金属的特性，使得从阀门到发动机的相关设计都将面临重重考研，这将在未来导致飞机的检查、维护成本急剧升高。

而对于机场和航空公司来说，氢气远比航空煤油更易泄露、更易起火爆炸，会给机场和航司带来巨大的安全压力。眼下，商用飞机的主流动力来源依然是燃油，要使用氢动力飞机，意味着整个商用飞机运营体系必须额外建立起一套完整的液氢运输和储存体系，这个成本显然非常高昂。

因此，从现有的情况来看，空客公司在氢动力飞机方向的努力也许更多是基于迎合欧洲社会的主流环保思潮。氢动力飞机要真正实现投入市场并健康运营，还有相当长的一段路要走。