劳斯莱斯氢动力引擎：能否颠覆喷气动力的未来？

航空工业正处于一个关键的转折点，面临着到2050年实现脱碳的巨大压力 到2050年实现脱碳。虽然 可持续航空燃料 (SAF) 提供了一种立即的“即插即用”解决方案，但其长期的可扩展性和总排放减少潜力仍然是争论的主题。

氢气作为燃料，具有在使用时实现真正零碳排放的潜力。英国发动机制造商 劳斯莱斯 与航空公司 易捷航空 及多个研究机构合作，开始了一项开创性的旅程，开发和测试氢动力燃气涡轮发动机。但今天的氢气发动机概念测试真的能重新定义喷气动力的未来吗？

氢能的合理性

氢气在喷气发动机中的测试早在1950年代中期就由美国国家航空咨询委员会（NACA）开始，这是NASA的前身。1955年，在NACA的刘易斯场实验室进行了改装J65发动机的液氢燃料系统的地面测试。这导致了世界上首次氢动力飞机的实验飞行，即1957年初的改装马丁 B-57坎贝拉 轰炸机。

当时，对氢动力飞行的兴趣主要集中在性能上。但现在，氢气的吸引力在于它的清洁燃烧特性，燃烧后只产生水蒸气作为副产品。具体而言，氢气作为喷气燃料的环境优势包括：

• 零CO₂排放：当氢气在喷气发动机中燃烧时，唯一的直接副产品是水蒸气。这消除了二氧化碳（CO₂）排放，而二氧化碳正是全球变暖的主要原因，使其成为航空工业脱碳的一个有吸引力的解决方案，特别是如果氢气是使用可再生能源（“绿色氢气”）生产的。
• 减少其他污染物：氢气燃烧产生的氮氧化物比传统喷气燃料少多达90%，并消除了颗粒物的形成，改善了机场周围的空气质量。
• 减少气候影响的潜力：虽然水蒸气会形成航迹云，但研究表明，氢气燃烧可能导致与煤油飞机相比整体气候影响减少30%至50%，这一数字在燃料电池技术下可能达到75%至90%。

氢气还有很多显著的操作优势。它每千克的能量几乎是煤油的三倍，因此实现相同能量所需的燃料重量更少。理论上，它可以在任何有水和电的地方生产，这样就能减少对复杂石油开采和精炼供应链的依赖，甚至可能让机场自己生产燃料。更广泛地考虑，利用液氢的低温特性作为热沉也可能为改善发动机和系统性能开辟新的设计可能性。

具有里程碑意义的地面测试

所有的理论在2022年11月28日终于付诸实践。在英国博斯科姆下的一个户外测试设施，来自罗尔斯·罗伊斯和易捷航空的工程师们聚集在一起，使用100%绿色氢气对改装后的罗尔斯·罗伊斯AE 2100-A测试发动机进行测试。多年的研究和开发为这一天铺平了道路，由欧洲海洋能源中心（EMEC）在奥克尼群岛使用可再生风能和潮汐能生产的氢气已准备就绪。当这一天结束时，合作伙伴们创造了一个新的航空里程碑，成功实现了世界上第一台现代航空发动机在氢气上运行。

这次初步测试更像是一个概念验证，而不是对发动机实际性能的测试。它证明了一台现代涡轮螺旋桨发动机能够燃烧氢气，而不会立即遇到致命的故障。发动机技术本身在很大程度上保持不变，这是未来认证和整合的关键点，但燃料系统被彻底改造，以处理氢气的独特特性。这次地面测试的成功为该行业注入了新的乐观情绪，表明氢气的零碳潜力是一个可以实现的目标，而不仅仅是一个理论上的追求。

克服热挑战

在初步低功率测试之后，工程师们开始攻克一个更重要的难题：实现最大起飞推力。这是氢气特性所带来的最大挑战。氢气燃烧的温度远高于传统的航空煤油，燃烧控制成为一项重大的工程壮举。

团队与德国航空航天研究机构DLR和拉夫堡大学合作，集中精力重新设计罗尔斯·罗伊斯Pearl 700发动机燃烧室内的燃料喷雾喷嘴，这是湾流G700和G800的专用发动机。最终结果是一个新颖的系统，逐步将空气与氢气混合，以管理其高反应性并控制火焰位置。在科隆的DLR设施进行的测试证明，氢气确实可以在模拟最大起飞推力的条件下燃烧。

结果正好符合预期，证实了劳斯莱斯先进燃料系统设计的可行性。前空客首席技术官（CTO）格拉齐亚·维塔迪尼（Grazia Vittadini）现在是劳斯莱斯的CTO，她说：

“这是在短时间内取得的了不起的成就。控制燃烧过程是行业在让氢气成为未来真正的航空燃料时面临的关键技术挑战之一。我们已经实现了这一点，这让我们更想继续前进。”

这一里程碑至关重要，因为它超出了最初的概念验证。通过中间和全压力测试，它解决了氢气燃烧的一个主要技术难题，证明了氢气可以在现实条件下使用。这样一来，讨论也从“氢气是否可以驱动发动机”转向了“如何安全高效地将其整合到现有发动机架构中”。

主要基础设施障碍依然存在

实验室中的工程突破是显著的，但通往商业航空的道路不仅仅涉及发动机技术。一个巨大的障碍摆在我们面前：基础设施的缺乏。为了使氢气成为可行的航空燃料，需要从零开始建立一个全球生态系统，用于在机场生产、储存和分配氢气。

目前“绿色”氢气的生产——通过风能和潮汐能等可再生能源生成的氢气——目前产量极少且成本高昂。如今大多数氢气的生产依赖于化石燃料，这抵消了碳中和的好处。罗尔斯·罗伊斯积极倡导政府支持和跨行业合作，以扩大生产规模并降低成本，但所需的投资是巨大的，代表着数十亿美元。

机场和能源公司在没有保证需求的情况下，对投资如此巨额的资金持谨慎态度，形成了经典的“鸡和蛋”困境。因此，罗尔斯·罗伊斯和易捷航空等合作伙伴正在与机场（如AGS机场（阿伯丁、格拉斯哥、南安普敦））合作，规划现场氢气的生产和储存设施，这是为零排放航班做准备的关键一步。这个概念的成功与克服这一巨大的基础设施障碍密切相关。

飞机的未来设计

挑战不仅限于地面或发动机本身。使用液态氢的飞机需要进行根本性的设计变更。氢气即使是液态，其体积能量密度也远低于煤油。这意味着运营商必须牺牲乘客容量或航程，以容纳需要在-253°C下储存氢气的笨重绝缘低温燃料箱。

业界的共识是，氢气最初可能仅限于较小的短途航线。罗尔斯·罗伊斯的目标是从2030年代中期开始生产小型到中型飞机（30-40个座位）。专注于区域航空是合理的，因为短途航班需要的燃料较少，使得体积和重量的权衡更容易管理。虽然对飞机进行激进的重新设计是必要的，但对于较小的平台来说，发展路径更为清晰，这样可以让技术在未来扩展之前先成熟。

氢的长期愿景

那么，劳斯莱斯的氢发动机概念能否重新定义喷气动力？答案并不简单。劳斯莱斯及更广泛行业的当前共识是，尽管氢能在使用时实现零排放飞行，潜力巨大，但它可能会首先作为其他解决方案（如可持续航空燃料）的补充，而不是立刻取代所有航空。

在短期到中期内，可持续航空燃料仍是现有长途机队脱碳的唯一可行方案。预计氢的应用将首先在区域和短途航线领域蓬勃发展。这项技术需要经过数年的严格开发和认证，预计到2030年代中期才能在小型飞机上实现商业可用。

然而，开创性的测试从根本上改变了局面，证明了氢在现代发动机中燃烧是可行的。通过不断突破工程和设计的界限，劳斯莱斯展示了零碳航空的未来是有可能的，即使这需要对飞机设计和全球基础设施进行彻底的重新审视。因此，喷气动力的重新定义将是一个逐步演变的过程，由那些愿意迈入飞行低温未来的公司所引领的先锋工作。