【行業動態】航空的未來？羅羅為何為氫燃料發動機系統申請專利

導讀：據simpleflying網站4月9日報道，在過去一個世紀里，推進技術穩步發展，從活塞發動機一路演進到如今的渦扇噴氣發動機。然而幕后的創新從未停止，航空業即將迎來一種以氫為主要燃料的新型推進系統。盡管氫燃料發動機已研發多年，但距離大規模商用仍有很長的路要走。

領先發動機制造商羅爾斯·羅伊斯正在推進自研氫燃料發動機設計，并于近期為一款燃用氫氣的燃氣渦輪發動機燃油系統申請了專利。這種全新的氫能利用方案有望解決液氫作為燃料的一大關鍵難題——即極低的儲存溫度。羅爾斯·羅伊斯的思路是，在氫氣進入發動機前利用燃油渦輪對其加熱，從而實現更穩定的燃燒。

羅爾斯·羅伊斯為新型氫燃燒系統申請專利

根據專利文件，其新型燃油系統包括一條主燃油管路及燃油泵，“配置為在燃油管路內處理氫氣，向燃氣渦輪發動機核心燃燒室提供加壓燃油”。系統還將配備一個輔助燃燒室，燃燒一部分氫氣以加熱其余燃料。換言之，這是一個自維持系統，從主燃油管路引出少量氫氣對整體燃料進行預熱。

氫氣理論上是最清潔的燃料之一，但在實際應用中卻是航空器上最難部署的燃料之一。原因在于，相比傳統航空煤油，氫氣需要更大的儲存容積，給飛機設計和機場基礎設施帶來巨大挑戰。液氫還需在超低溫下儲存，且燃燒過程更不穩定。

羅爾斯·羅伊斯提出的系統有助于解決這兩個問題，提供可控且高效的燃油輸送架構。盡管氫燃料電池已展現出更好的實際可行性，但氫氣燃燒則是另一回事。液氫必須在-253℃下儲存，這意味著飛機需要可安全儲存液氫的隔熱油箱。同時，由于其密度低于航空煤油，油箱將比傳統油箱占用更多空間，令飛機設計師十分頭疼。

未來十年將在中小型飛機上應用？

經過多年嚴格研發與測試，大型商用飛機短期內不太可能采用氫燃料動力系統。該技術需要先在小型平臺上成熟，才能放大應用于大型客機。羅爾斯·羅伊斯是該領域的先行者之一，正在開展全面測試，隨后將進入飛行試驗階段。

公司目標是在2030年代中期推出可用于中小型飛機的氫燃料發動機，盡管目前仍有很長的路要走。該公司已花費二十年探索各類氫能動力概念，包括以氫燃料電池替代蓄電池。本世紀末前先從輕型飛機起步，預計2030年代中期將出現30–40座級的全球機隊。

羅爾斯·羅伊斯將氫氣與燃氣渦輪技術結合的方案更具革命性，但公司認為，受氫氣燃燒復雜性限制，該方案可能僅適用于小型飛機。羅爾斯·羅伊斯表示：

“盡管氫氣可直接作為燃氣渦輪燃料，但可能會先在航程較短的短途市場應用。考慮到氫氣儲存的容積限制以及燃料電池功率密度有限的問題，遠程航線仍將最有可能采用可持續航空燃料（SAF）驅動的燃氣渦輪?！?/p>

行業正將氫氣視為清潔燃料

氫氣用于燃料電池時可實現零二氧化碳排放，這也是其在行業內極具吸引力的原因。航空公司與機場面臨巨大的減排壓力，而氫氣長期成本有望低于航空煤油，優勢明顯。在行業設定2050年實現凈零碳排放目標的背景下，氫氣是最具潛力的技術之一，盡管純氫動力飛機的研發難度極大。

因此，將氫氣與其他燃油系統結合似乎是最可行的選擇。氫電發動機即將投入使用，包括ZeroAvia在內的主要機構目標最早于2028年在支線飛機上應用。

歐盟“地平線歐洲”項目為羅爾斯·羅伊斯的氫能研究提供投資，支持工程師、科學家及專業測試設備以推進氫氣燃燒試驗。該項目已取得重大進展，羅爾斯·羅伊斯即將啟動氫氣燃氣渦輪全尺寸地面測試。

羅爾斯·羅伊斯同時參與歐盟“清潔航空”計劃，探索各類技術以開發更高效、低碳的推進系統。例如CAVENDISH項目（“氫能航空發動機驗證與飛機集成策略聯盟”）正研究將氫氣用作航空燃料。

氫氣在航空的未來仍不明確

盡管氫氣作為零排放燃料潛力巨大，但行業各方對其規模化全球應用的前景看法不一。除使用與儲存氫氣帶來的飛機設計挑戰外，另一大障礙是缺乏全球配套基礎設施。可用氫氣當前產量極低，基礎設施擴容成本高昂。歸根結底，如果需求無法兌現，機場與能源企業對投入數百億建設基礎設施持觀望態度。

空客近期宣布推遲其ZEROe項目，原定于2035年投入使用的目標可能延后5至10年。該制造商原計劃使用空客A380作為氫發動機測試平臺，現已取消相關測試?？湛陀?020年啟動ZEROe項目，在確定燃料電池方案前探索了多種技術路線。空客表示：

“氫氣有潛力成為航空業的變革性能源。但我們認識到，構建包括基礎設施、生產、分銷與監管框架在內的氫氣生態系統是一項巨大挑戰，需要全球協作與投資?！?/p>

英國民航局（CAA）表示將擴大“氫能挑戰”計劃，為航空脫碳解決方案提供資金支持。大多數研發機構的共識是，氫氣將作為傳統燃料的小規模補充，而非立即替代燃料。這使氫氣適用于混合動力系統，與電力或可持續航空燃料結合以降低全球機隊排放。

大型客機能否使用氫氣？

未來幾年，氫電支線飛機的普及度可能快速上升，但問題在于該技術能否應用于大型客機。對氫氣在航空領域前景持懷疑態度的人士認為，其在遠程飛行中不切實際，占用空間遠超傳統航空煤油。這意味著運營商必須犧牲航程或載客量以容納更大的油箱。

羅爾斯·羅伊斯承認，考慮到氫氣儲存的技術復雜性，為大型商用飛機尤其是寬體機提供氫燃料的可行性存疑。要實現與煤油飛機相同航程，需要完全不同的飛機設計以容納額外燃料。制造商能否解決這一問題仍有待觀察。這類飛機或許可以安全制造，但很可能需要犧牲載客量和/或航程。

綠色氫氣生產問題依然存在

盡管氫氣作為燃料僅排放水蒸氣，但這并不意味著其使用完全碳中和。原因在于氫氣可通過煤炭、天然氣等高污染方式生產，無助于行業脫碳目標。

綠色氫氣是最清潔的制氫方式，利用風能、太陽能、水電等可再生能源電力實現。正如羅爾斯·羅伊斯所言，“只有使用可再生能源生產的氫氣才是真正碳中和的”，而目前在用的大部分氫氣由煤炭與天然氣生產。

當前綠色氫氣成本也遠高于化石燃料制氫，因此能否建成支撐足夠產量的基礎設施仍不明確。國際能源機構預測，到2035年綠色氫氣價格可能達到1.50–2美元/千克，與航空煤油價格更具競爭力，但這需要大幅提升現有產能。

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