【行业动态】航空的未来？罗罗为何为氢燃料发动机系统申请专利

导读：据simpleflying网站4月9日报道，在过去一个世纪里，推进技术稳步发展，从活塞发动机一路演进到如今的涡扇喷气发动机。然而幕后的创新从未停止，航空业即将迎来一种以氢为主要燃料的新型推进系统。尽管氢燃料发动机已研发多年，但距离大规模商用仍有很长的路要走。

领先发动机制造商罗尔斯·罗伊斯正在推进自研氢燃料发动机设计，并于近期为一款燃用氢气的燃气涡轮发动机燃油系统申请了专利。这种全新的氢能利用方案有望解决液氢作为燃料的一大关键难题——即极低的储存温度。罗尔斯·罗伊斯的思路是，在氢气进入发动机前利用燃油涡轮对其加热，从而实现更稳定的燃烧。

罗尔斯·罗伊斯为新型氢燃烧系统申请专利

根据专利文件，其新型燃油系统包括一条主燃油管路及燃油泵，“配置为在燃油管路内处理氢气，向燃气涡轮发动机核心燃烧室提供加压燃油”。系统还将配备一个辅助燃烧室，燃烧一部分氢气以加热其余燃料。换言之，这是一个自维持系统，从主燃油管路引出少量氢气对整体燃料进行预热。

氢气理论上是最清洁的燃料之一，但在实际应用中却是航空器上最难部署的燃料之一。原因在于，相比传统航空煤油，氢气需要更大的储存容积，给飞机设计和机场基础设施带来巨大挑战。液氢还需在超低温下储存，且燃烧过程更不稳定。

罗尔斯·罗伊斯提出的系统有助于解决这两个问题，提供可控且高效的燃油输送架构。尽管氢燃料电池已展现出更好的实际可行性，但氢气燃烧则是另一回事。液氢必须在-253℃下储存，这意味着飞机需要可安全储存液氢的隔热油箱。同时，由于其密度低于航空煤油，油箱将比传统油箱占用更多空间，令飞机设计师十分头疼。

未来十年将在中小型飞机上应用？

经过多年严格研发与测试，大型商用飞机短期内不太可能采用氢燃料动力系统。该技术需要先在小型平台上成熟，才能放大应用于大型客机。罗尔斯·罗伊斯是该领域的先行者之一，正在开展全面测试，随后将进入飞行试验阶段。

公司目标是在2030年代中期推出可用于中小型飞机的氢燃料发动机，尽管目前仍有很长的路要走。该公司已花费二十年探索各类氢能动力概念，包括以氢燃料电池替代蓄电池。本世纪末前先从轻型飞机起步，预计2030年代中期将出现30–40座级的全球机队。

罗尔斯·罗伊斯将氢气与燃气涡轮技术结合的方案更具革命性，但公司认为，受氢气燃烧复杂性限制，该方案可能仅适用于小型飞机。罗尔斯·罗伊斯表示：

“尽管氢气可直接作为燃气涡轮燃料，但可能会先在航程较短的短途市场应用。考虑到氢气储存的容积限制以及燃料电池功率密度有限的问题，远程航线仍将最有可能采用可持续航空燃料（SAF）驱动的燃气涡轮。”

行业正将氢气视为清洁燃料

氢气用于燃料电池时可实现零二氧化碳排放，这也是其在行业内极具吸引力的原因。航空公司与机场面临巨大的减排压力，而氢气长期成本有望低于航空煤油，优势明显。在行业设定2050年实现净零碳排放目标的背景下，氢气是最具潜力的技术之一，尽管纯氢动力飞机的研发难度极大。

因此，将氢气与其他燃油系统结合似乎是最可行的选择。氢电发动机即将投入使用，包括ZeroAvia在内的主要机构目标最早于2028年在支线飞机上应用。

欧盟“地平线欧洲”项目为罗尔斯·罗伊斯的氢能研究提供投资，支持工程师、科学家及专业测试设备以推进氢气燃烧试验。该项目已取得重大进展，罗尔斯·罗伊斯即将启动氢气燃气涡轮全尺寸地面测试。

罗尔斯·罗伊斯同时参与欧盟“清洁航空”计划，探索各类技术以开发更高效、低碳的推进系统。例如CAVENDISH项目（“氢能航空发动机验证与飞机集成策略联盟”）正研究将氢气用作航空燃料。

氢气在航空的未来仍不明确

尽管氢气作为零排放燃料潜力巨大，但行业各方对其规模化全球应用的前景看法不一。除使用与储存氢气带来的飞机设计挑战外，另一大障碍是缺乏全球配套基础设施。可用氢气当前产量极低，基础设施扩容成本高昂。归根结底，如果需求无法兑现，机场与能源企业对投入数百亿建设基础设施持观望态度。

空客近期宣布推迟其ZEROe项目，原定于2035年投入使用的目标可能延后5至10年。该制造商原计划使用空客A380作为氢发动机测试平台，现已取消相关测试。空客于2020年启动ZEROe项目，在确定燃料电池方案前探索了多种技术路线。空客表示：

“氢气有潜力成为航空业的变革性能源。但我们认识到，构建包括基础设施、生产、分销与监管框架在内的氢气生态系统是一项巨大挑战，需要全球协作与投资。”

英国民航局（CAA）表示将扩大“氢能挑战”计划，为航空脱碳解决方案提供资金支持。大多数研发机构的共识是，氢气将作为传统燃料的小规模补充，而非立即替代燃料。这使氢气适用于混合动力系统，与电力或可持续航空燃料结合以降低全球机队排放。

大型客机能否使用氢气？

未来几年，氢电支线飞机的普及度可能快速上升，但问题在于该技术能否应用于大型客机。对氢气在航空领域前景持怀疑态度的人士认为，其在远程飞行中不切实际，占用空间远超传统航空煤油。这意味着运营商必须牺牲航程或载客量以容纳更大的油箱。

罗尔斯·罗伊斯承认，考虑到氢气储存的技术复杂性，为大型商用飞机尤其是宽体机提供氢燃料的可行性存疑。要实现与煤油飞机相同航程，需要完全不同的飞机设计以容纳额外燃料。制造商能否解决这一问题仍有待观察。这类飞机或许可以安全制造，但很可能需要牺牲载客量和/或航程。

绿色氢气生产问题依然存在

尽管氢气作为燃料仅排放水蒸气，但这并不意味着其使用完全碳中和。原因在于氢气可通过煤炭、天然气等高污染方式生产，无助于行业脱碳目标。

绿色氢气是最清洁的制氢方式，利用风能、太阳能、水电等可再生能源电力实现。正如罗尔斯·罗伊斯所言，“只有使用可再生能源生产的氢气才是真正碳中和的”，而目前在用的大部分氢气由煤炭与天然气生产。

当前绿色氢气成本也远高于化石燃料制氢，因此能否建成支撑足够产量的基础设施仍不明确。国际能源机构预测，到2035年绿色氢气价格可能达到1.50–2美元/千克，与航空煤油价格更具竞争力，但这需要大幅提升现有产能。

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