氢燃料电池支线飞机概念设计与性能分析

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近年来，氢能技术成为了航空领域的热点话题，尤其是氢燃料对减少碳排放和环境污染的贡献被反复提及。我们可能会产生些许疑问，氢能技术除了减碳环保还有别的优点吗？氢的高热值低密度特点对飞机来说是好是坏？氢的使用成本是否能被社会所接受？本文将通过概念设计和仿真分析的手段，尝试解答上述问题。

环球氢能破产带来的启示

就在几天前的6月29日，氢能航空领域的明星初创企业环球氢能（Universal Hydrogen）公司宣布因资金问题破产。《西雅图时报》认为，美国利率上升、对即将到来的经济衰退和特朗普政府重新执政的担忧是投资者不再看好环球氢能的主要原因。拜登政府一直是氢燃料的坚定支持者，而政府补贴是氢动力飞机维持早期运营的必要支持。环球氢能的破产从侧面说明，单纯迎合低碳环保概念和依赖政府补贴是极其不可靠的，氢能技术一定要有“看得见，摸得着”的价值，才有可能在航空领域得到落地应用。

氢能源飞机设计方案

本文提出的氢能概念机是一架60座的双发涡桨支线飞机（以下简称HFCA概念机），采用4列15排的客舱座位布局。如果采用主动式储氢方案，两个储氢罐集中放置在客舱后部，占用4排座位空间，改装后的载客量从60人减少到44人。如果采用被动式储氢方案，一个大型储氢罐放置在客舱后部，占用2排座位空间，28个小型储氢罐放置在客舱上方，载客量减少到52人。飞机的气动结构和尺寸在改装后基本保持不变。HFCA概念机的结构设计方案如下图所示。

HFCA概念机结构设计方案

1. 氢燃料电池系统

改装后的HFCA概念机将采用质子交换膜氢燃料电池作为电能来源，燃料电池系统由电池堆（包括多个电池单元）和电池管理系统组成（包括热管理、气体输送、排水管和电气系统等）。美国ZeroAvia公司采用了压缩风冷技术，将燃料电池冷却装置的体积和重量减少了80%以上，20 kW高温质子交换膜燃料电池的电池级功率密度在测试中已达到2.5 kW/kg，500 kW燃料电池的系统级功率密度预计将达到2 kW/kg。本文认为HFCA概念机可以达到ZeroAvia的技术水平，即2 kW/kg和1.5 kW/L的能量密度。

2. 氢锂混合供电系统

常见的中型客机在飞行巡航阶段的功率需求仅为起飞和爬升阶段的三分之一，HFCA概念机可以使用氢燃料电池和大功率密度锂电池的氢锂混合供电方案，锂电池在飞机起飞和爬升阶段为动力系统提供额外的电力，巡航阶段停止工作或进行充电。采用氢锂混合供电方案可以大幅降低动力系统对氢燃料电池的功率需求，进而降低氢燃料电池的体积和重量。增加锂电池系统意味着飞机增加了一份供电冗余，飞机的安全性也得到了一定提升。另外，常见的氢燃料电池的氢电转化效率很难超过60%，而锂电池的输电效率可以达到95%以上，因此相同功率条件下的氢燃料电池的发热量远大于锂电池，会对飞机的热管理系统造成大量负担。

3. 电动机及驱动器

目前在电动飞机上得到较多应用的Magni650和赛峰ENGINeUS100电动机的系统级额定功率密度分别为3.2 kW/kg和3 kW/kg，Archer Midnight eVTOL飞机的电动机功率密度号称达到了5 kW/kg。HFCA概念机的最大起飞重量为21800 kg，需要总功率在2 MW以上的电动机，功率密度应达到4 kW/kg（包含驱动器）。

4. 主动式储氢系统

主动式储氢系统配备了完整的温度控制装置，是目前航空液氢存储的主要方案，优点是存储时间长、氢燃料泄露少。与之对应的被动式储氢系统则舍弃了温控装置，采用真空夹层等手段被动地隔绝氢燃料和环境之间的热传导以维持内部温度，优点是成本低、重量轻、额外消耗的能量几乎为零。本文将分析以上两种储氢方案对HFCA概念机整体性能的影响。

航空煤油可以存储在飞机机翼内的油箱中，这些油箱贴合机翼的形状，重量较轻。但氢气或液氢需要低温高压的存储环境，储氢罐一般是柱形或球形，储氢系统的重量也比较大，必须储存在飞机机身内。常规布局的飞机机身内部额外空间有限，需要将一部分属于客舱的空间用于放置储氢系统。HFCA概念机的主动式储氢方案参考了环球氢能的ATR-72储氢方案，两个液氢存储罐由框架固定在机舱内，储氢罐的高度和宽度应小于机舱的高度和宽度，同时为储氢系统的其他组件预留一定的空间。

5. 被动式储氢系统

HFCA概念机还可以采用被动式储氢方案。主动式储氢方案为了维持液氢的低温环境需要配备完整的温度控制与循环装置，因此增加了额外的重量和成本，而被动式储氢方案直接舍弃了温控装置，采用真空夹层隔绝液氢和环境之间的热传导以维持低温环境，两者的区别就像“冰箱”和“保温瓶”。被动式储氢方案无法完全隔绝热传导，液氢的温度仍会随着时间的推移而缓慢上升，被动式储氢罐会在工作过程中持续排出少量氢气，一方面可以动态调节储氢罐内液氢的压力，另一方面液氢在排出过程中气化带走热量以维持内部温度的稳定。被动式储氢方案的优点是成本低、重量轻、体积小，因此具有比主动式储氢方案更高的氢燃料质量比，缺点是储氢时间较短、氢燃料易泄露，但考虑到支线飞机的飞行时间一般较短，上述缺点在评估后仍是可能接受的。

采用分布式布局的被动储氢设计方案

6. 商载和最大航程分析

HFCA概念机的氢燃料电池改装使其一部分系统的重量发生改变，而其他部分的重量与常规动力飞机保持一致。飞机的商载包括机组成员、乘客以及行李，假设乘客和机组成员的体重为75 kg，每名乘客携带的行李是20 kg。采用主动式储氢和被动式储氢两种技术方案下，HFCA概念机的乘客数分别从60人减少到44人和52人，相当于载客量分别减少了26.7%和13.3%。

如果采用主动式储氢系统，HFCA概念机的商载会有一定程度的降低。但如果采用被动式储氢系统，储氢质量比的提高使得储氢系统重量大幅下降，HFCA概念机的商载会比传统动力飞机更大。

本文计算得到三种不同动力方案的HFCA概念机最大航程，并对氢电混合供电方案分别计算了主动式储氢和被动式储氢两种情况下的性能水平。飞机的能量强度可以用于衡量飞机执行运输任务的效率，能量强度定义为飞机每运输100 kg载荷1 km所消耗的能量（kWh/PPK，PPK表示每百千克公里）。根据飞机燃料携带量、商载和最大航程，三种不同动力方案的HFCA概念机能量强度也在下图给出。

HFCA概念机的商载和最大航程

7. 运营成本分析

本文估算了使用电解水制氢的成本，同时考虑航空煤油燃料系统、锂电池和氢燃料电池的折旧成本（系统成本/使用寿命），则HFCA概念机的总运营成本和各项成本构成如下图所示。

HFCA概念机的最终运营成本

8. 碳排放分析

根据联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）的研究，风能和太阳能发电的碳排放约为29 g CO2/kWh，其中包括能源生产设施（风力发电机、光伏电池等）建设和安装相关的碳排放。生产液氢消耗的电力为46 kWh/kg，液氢的低热值为33.6 kWh/kg，则液氢燃料的碳排放约为1.334 kg CO2/kg（或表示为39.7 g CO2/kWh）。根据国际民航组织给出的数据，Jet-A航空煤油的碳排放为89 g CO2/MJ，即317.9 g CO2/kWh。考虑到制造锂电池、燃料电池、储氢装置的碳排放，并将碳排放（单位g CO2/kWh）乘以飞机的能量强度（单位kWh/PPK），则HFCA概念机的碳排放强度（单位g CO2/PPK）如下图所示。

HFCA概念机的碳排放强度

9. 敏感性分析

对氢燃料电池飞机的模型进行敏感性分析可以深入了解各项参数对飞机性能的影响程度。本文计算了燃料电池效率、氢燃料质量比、电机功率密度、燃料电池功率密度、锂电池能量密度等参数对HFCA概念机最大航程的影响，如下图所示。

HFCA概念机参数敏感性分析

结论

根据本文的分析结果，改装氢燃料电池动力系统的涡桨支线飞机概念机HFCA将具有以下特点：

（1）设计方案：HFCA概念机采用“液氢罐+氢燃料电池+电动机”的动力改装方案，并配备了锂电池在飞机的起飞和爬升阶段提供额外电力，氢电混合设计可以降低飞机重量和发动机短舱体积，提升供电安全性并减少散热压力。储氢系统可以采用主动式或被动式方案，被动式储氢方案的重量更低，但也存在液氢泄露的环保和安全性问题。

（2）商载：在2027年能达到的技术条件下（下同），相比于使用航空煤油的常规动力飞机，采用主动式储氢方案的HFCA概念机商载降低8.7%，客舱空间减少26.7%，采用被动式储氢方案的HFCA概念机商载提高3.3%，客舱空间减少13.3%。氢能源技术可以降低飞机的结构性重量，提升飞机载重能力，但会挤压机舱内的可用空间。

（3）航程：相比于使用航空煤油的常规动力飞机，采用主动式储氢方案的HFCA概念机航程降低43.3%，最大航程为865 km，采用被动式储氢方案的HFCA概念机航程降低31.9%，最大航程为1039.9 km，上述两种方案仍然可以覆盖目前国内90%以上的支线飞机航线。以航空煤油为能源的飞机结构设计并不适用于氢能源飞机，储氢系统空间利用率偏低，大量挤占客舱空间。如果采用翼身融合、双泡机身等新构型设计，氢能源飞机的氢燃料携带量将会大幅提升，航程也有望超过常规动力飞机。

（4）能效：与使用航空煤油的常规动力飞机相比，氢燃料电池单独供电和氢锂混合供电的HFCA概念机飞行效率分别增加了3.8%和5.1%，如果采用被动式储氢方案，氢锂混合供电的能效增加会提升到15.9%，氢能源飞机的能效水平更高。

（5）运营成本：HFCA概念机的运营成本增加了46.9%。对于我国的可持续航空产业来说，通过补贴、政策扶植等手段可以维持氢能航空的发展，逐步提高经济性。

（6）碳排放：HFCA概念机的碳排放降低了87.5%，将对我国的可持续航空发展做出巨大贡献。

（7）参数敏感性：提高氢燃料电池效率和储氢质量比是提升氢能源飞机航程的最有效方法，其次是提高氢燃料电池和电动机的功率质量密度和锂电池的能量密度。

以上结果表明，氢燃料电池涡桨支线飞机已经具备了基本的技术可行性和经济可行性，是可持续航空产业现阶段重要的发展方向之一。与使用航空煤油的常规动力飞机相比，氢能源飞机的能源利用效率更高，能源系统重量可能会降低，碳排放强度更低。氢能源的使用对降低飞机结构重量，增加商载能力具有促进作用，但在不改变现有飞机构型的情况下，氢能源飞机的舱内可用空间和最大航程仍会受到影响。随着氢能航空技术的发展，氢能源飞机的性能水平和经济性会持续提高。氢能航空在未来几年内仍处于技术探索阶段，需要持续的投入和科学研究。

注：本文已发表在《航空学报》。

来源 | 民机战略观察

作者 | 纪宇晗 中国航空工业发展研究中心

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