2023年是氢能源飞机起飞元年？

9月10日消息，在斯洛文尼亚的马里博尔一个不起眼的小机场，德国氢动力创业公司H2FLY成功完成世界上第一次使用液态氢作为燃料的载人飞行。这次飞行标志着欧盟资助的HEAVEN项目的圆满完成，该项目旨在展示在飞机中使用液态、低温氢的可行性。

据报道，几天前，HY4和其两名飞行员在空中飞行了3小时1分钟，消耗了10公斤的氢。该飞机的最大储存容量为24公斤，可以持续飞行8小时。

其中一名飞行员JohannesGarbino-Anton在飞行后称：“感觉真是太棒了，这是完美的团队合作成果，这项技术“运行完美”，和普通飞机最大的不同是没有振动和噪音。当然，还有没有二氧化碳排放。”

资料显示，H2FLY的动力系统由储氢装置、120kW燃料电池能量转换器和电动机组成，这是H2FLY第八次飞行测试活动。自2016年以来，以氢电混合动力的HY4一直在飞行，但今年夏天取得了突破，使用液态氢而不是气态氢作为燃料，液态氢比气态氢具有更高的能量密度，可以显著降低油箱重量和体积。在航空运输领域，特别是在改装飞机时，这等于不必去掉太多乘客座位或减少货物空间，即有效载荷。但更重要的是，其解锁了更大的航程。对于HY4试验机来说，使用气态氢可以飞750公里，而使用液态氢可以飞1500公里，也就是两倍的距离。不过，液态氢需要低温（约-253°C），这增加了运输和加注的复杂性。

HY4由玻璃纤维和碳纤维制成，不会投入商业生产。H2FLY的下一步是将燃料电池系统扩展到兆瓦容量，H2F-175系统将不仅实现更长的航程，还能达到27000英尺（约8229米）的高度。通过与Deutsche Aircraft合作，他们打算用H2FLY的氢电燃料电池改装一架30座的Dornier328示范机，并计划在2025年开始试飞。

H2FLY于2015年由斯图加特德国航空航天中心和乌尔姆大学的五名工程师创立。该公司致力于整个动力系统的开发，但在必要时也会开发各个组件。2021年，H2FLY被加州公司Joby Aviation收购，后者正在开发一种电动垂直起降飞行器(eVTOL)，以提供空中出租车服务。

2023是氢能源飞机起飞元年？

法国《回声报》一篇题为《2023，氢动力飞机元年》的文章认为，全球低碳航空已处于起步阶段。

氢动力飞机是航空业实现2050年净零排放目标所探索的低碳技术路线之一。有海外媒体认为，2023年是氢动力飞机元年。随着制氢产业日趋成熟，氢能源飞机也有望实现快步发展。

今年以来，全球范围内氢能航空领域的探索活动愈加活跃。

3月，美国通用氢能源公司(Universal Hydrogen)的氢燃料电池验证机成功在美国华盛顿州莫斯湖完成首飞。这次试飞持续了15分钟，飞行高度达到3500英尺。据悉，这次的测试平台基于Dash8-300改装而来，这也是目前世界上最大的氢燃料电池飞机。美国一架40座的氢动力飞机完成试飞，时长约15分钟；

3月底，我国首款四座氢内燃机飞机验证机搭载一汽集团基于“红旗”汽油机研发的国内首款2.0L零排放增压直喷氢内燃机，是我国自主研制的第一架由氢内燃机提供动力的通航飞机。

4月，欧洲飞机制造商空中客车在苏州举行开业活动，正式宣布启用其在中国的研发中心。空中客车公司表示，将在其位于江苏省苏州市苏州工业园区刚刚成立的的新研究中心专注于其未来氢动力飞机的研发。

8月，美国宇航局(NASA)与伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校(UIUC)签署协议，继续推进零排放概念客机的开发工作，其概念机使用液氢作为燃料和冷却剂，以实现超导性能，提高效率并减轻重量。

9月，中国商飞公司展示出“灵雀M”航模，它的机翼载客、机身填装燃料。该公司梦幻工作室主任崔赫夫介绍，“灵雀M”是国内新一代氢能源技术验证机，其机身部就是按照加载液态氢原料设计。“灵雀M”原型机拟在10月进行试飞，不过其像C919一样实现商用化，仍需要较长时间。

由于氢内燃机对氢气纯度没有特殊要求，并且可以使用内燃机行业已有的技术和生产线，因此与氢燃料电池相比更具价格优势。飞机使用氢作为动力来源，具有热值高、无污染、资源来源广泛等优点，在降低碳排放的同时保持较高的工作效率，有助于在航空业尽早实现双碳目标。

当前，全球航空业产生的二氧化碳排放量约占全球碳排放总量的2.5%。据相关预测，未来20年全球旅客年增长率约为3.7%，到本世纪中叶航空业体量将至少翻一番。为了实现2050年净零排放这一行业目标，航空业多条低碳技术路线正同时推进，氢动力飞机便是其中之一。

航空业碳排放主要来自化石能源燃烧，氢能被认为是化石能源的最佳替代。氢燃料不仅绿色低碳，还比现在最主要的航空燃料——航空煤油具有更高的单位重量能量密度。在提供相同能量的条件下，氢燃料重量仅相当于航空煤油的24%。对于“为减少每一克重量而奋斗”的飞机而言，这部分减重的重要性不言而喻。

储存氢绝非易事

不过，氢本身虽轻，但储存氢绝非易事。

首先是存储体积大。常温标准大气压下，氢分子以密度很小的气态形式存在，同等能量下体积约是航空煤油的2750倍。为节省空间，通常采用272倍大气压对氢气进行增压储存，还可以选择在大气压下降温至零下253.87摄氏度使氢分子转化为液态。从系统复杂度而言，压缩氢气方案实施起来相对简单，但需要付出更高的空间和重量代价。低温储存的液氢相对密度更大，对于未来的商用航班，液氢的方案更加现实可行。

其次是安全储存难。无论采取哪种储氢方式，对密封性的要求都比传统燃油系统更复杂。这是由于氢分子远小于航空煤油，更容易从管路缝隙中逃逸；对于液氢储存，还必须考虑恒温条件的实现问题，否则升温气化后体积膨胀的氢有可能导致燃料箱内压强骤增而直接爆炸。航天领域的液氢储存系统相对比较简单，氢氧发动机火箭都是在起飞前才加注低温液氢，且边加注边向大气中排放氢气，以避免液氢升温气化造成的燃料箱压力超过结构强度极限——火箭起飞前喷出的白雾便是由此产生。相对于数分钟的火箭发射而言，飞机飞行时间长达数小时，必须寻求更为可靠的储存方式。

氢能源飞机有望实现快步发展

现在，新型复合材料的发展为储氢环节提供了支持。相对于传统金属材料来说，相同强度的复合材料结构所需付出的重量代价更小。就液氢储存罐而言，新型复合材料可以极大地减少其重量并增加有效容积。例如，一些国家研制的碳纤维复合材料燃料罐，同等容积下比现有最先进的航天低温罐减少了75%的重量。

当前主流的动力技术路线通常有3种。其一是氢燃料电池，通过化学反应产生电能，驱动电动机产生推力。其二是氢燃料内燃机，类似于传统汽油内燃机，但燃料改为了液氢。由于相同工作容积下发生氧化还原反应的氢气流量较小，使得这两种方案功率密度较小而更适用于小型飞机。对于更大重量的民航客机，未来的选择应与现有涡扇发动机的推进方式相仿——通过点燃更大流量的氢气以驱动涡轮、产生动力，从而使发动机获得更大的功率密度。

随着制氢产业日趋成熟，氢能源飞机也有望实现快步发展。可以预见，类似乘用车从燃油向电动的技术更新，民用航空器的低碳转型也将推动行业升级换代，促进民航业基础设施改进创新，并对拉动上下游产业发展等产生重大影响。