美國(guó)NASA推進(jìn)低溫氫燃料客機(jī)開(kāi)發(fā)工作；航空業(yè)碳減排發(fā)展為何要選氫動(dòng)力飛機(jī)？

美國(guó)宇航局（NASA）與伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校（UIUC）簽署協(xié)議，繼續(xù)推進(jìn)零排放概念客機(jī)的開(kāi)發(fā)工作，其概念機(jī)使用液氫作為燃料和冷卻劑，以實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)性能，提高效率并減輕重量。

該協(xié)議將NASA在大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)力倡議（ULI）下的高效電氣技術(shù)飛機(jī)中心（CHEETA）項(xiàng)目延長(zhǎng)了兩年（開(kāi)始第二階段）。據(jù)悉，CHEETA項(xiàng)目第一階段于2019年啟動(dòng)，原計(jì)劃今年6月完成，CHEETA也是第一個(gè)進(jìn)入第二階段的ULI項(xiàng)目。

CHEETA項(xiàng)目開(kāi)發(fā)了一種180座單通道概念客機(jī)，計(jì)劃于2050年投入使用。該機(jī)采用零排放推進(jìn)系統(tǒng)，包括液氫（LH2）燃料電池、超導(dǎo)電纜、電子設(shè)備和電動(dòng)機(jī)，液氫儲(chǔ)罐配置于機(jī)艙上方。

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種集中式和分布式混合電力架構(gòu)，峰值功率25mW，其氫燃料電池采用高溫質(zhì)子交換膜，產(chǎn)生的電力通過(guò)超導(dǎo)電纜以270V直流電的形式傳輸，經(jīng)液氫冷卻到20K后輸送給一排單個(gè)功率2.5兆瓦的超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)，為風(fēng)扇提供動(dòng)力。

該機(jī)翼展40.9米（134.2英尺），較波音737-800客機(jī)長(zhǎng)15%，長(zhǎng)出的部分可折疊以適應(yīng)機(jī)場(chǎng)布局；采用準(zhǔn)圓柱形機(jī)身，液氫儲(chǔ)罐安裝在增壓座艙外；使用液氫冷卻電子設(shè)備，冷卻效率超過(guò)99%；超導(dǎo)電纜的重量是鋁導(dǎo)體的1/30，產(chǎn)生的熱量是鋁導(dǎo)體的1/100；低溫冷卻電機(jī)的系統(tǒng)功率密度50kW/kg，是目前飛機(jī)電機(jī)裝置的10倍。

CHEETA項(xiàng)目第二階段將開(kāi)展300kW低溫冷卻電機(jī)、300kW零損耗超導(dǎo)電纜、300升液氫儲(chǔ)罐等子部件測(cè)試。其中，液氫儲(chǔ)罐的重量指數(shù)計(jì)劃達(dá)到0.6，意味著該系統(tǒng)中60%的質(zhì)量是液氫（現(xiàn)有液氫儲(chǔ)罐小于30%）。

由于該機(jī)采用非常規(guī)配置，為了能夠有效集成液氫儲(chǔ)罐、機(jī)身和風(fēng)扇等眾多子系統(tǒng)，CHEETA團(tuán)隊(duì)計(jì)劃先使用氣態(tài)氫燃料開(kāi)展縮小比例模型的飛行試驗(yàn)。

為何航空業(yè)碳減排發(fā)展可選氫動(dòng)力飛機(jī)？

全球范圍內(nèi)，氫動(dòng)力飛機(jī)正越來(lái)越受到關(guān)注。

今年3月8日，美國(guó)通用氫能源公司（Universal Hydrogen）的氫燃料電池驗(yàn)證機(jī)成功在美國(guó)華盛頓州莫斯湖完成首飛。這次試飛持續(xù)了15分鐘，飛行高度達(dá)到3500英尺。據(jù)悉，這次的測(cè)試平臺(tái)基于Dash8-300改裝而來(lái)，這也是目前世界上最大的氫燃料電池飛機(jī)。

當(dāng)前，氣候變化讓航空運(yùn)輸在未來(lái)幾十年內(nèi)面臨著生存危機(jī)。

總部位于華盛頓的非營(yíng)利研究機(jī)構(gòu)世界資源研究所(World Resources Institute)的數(shù)據(jù)顯示，航空業(yè)的二氧化碳排放量?jī)H為汽車和卡車的六分之一。然而，飛機(jī)的日均乘客數(shù)卻遠(yuǎn)低于汽車和卡車。

四大航空公司（美國(guó)航空公司、聯(lián)合航空公司、達(dá)美航空公司和西南航空公司）航空燃料使用量在2014年至2019年間增長(zhǎng)了15%。然而，盡管更高效、低碳的飛機(jī)已經(jīng)投產(chǎn)，2019年后乘客量均呈下降趨勢(shì)。

航空公司致力于在本世紀(jì)中葉實(shí)現(xiàn)碳中和，某些航空公司還投資了可持續(xù)燃料，從而讓航空業(yè)在氣候變化中發(fā)揮積極作用。

可持續(xù)燃料（SAF）是由食用油、動(dòng)物脂肪、城市垃圾或其他原料制成的生物燃料。該燃料能夠與傳統(tǒng)燃料混合，為噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，且該燃料已在試飛階段甚至是定期客運(yùn)航班上投入使用。然而，可持續(xù)燃料成本高昂，約為傳統(tǒng)航空燃料的三倍。隨著越來(lái)越多的航空公司購(gòu)買和使用可持續(xù)燃料，價(jià)格將進(jìn)一步上漲。支持者們正在積極推動(dòng)減稅等激勵(lì)措施，從而促進(jìn)生產(chǎn)。

相關(guān)人士認(rèn)為，可持續(xù)燃料是一種能夠?qū)崿F(xiàn)碳減排的過(guò)渡性燃料，直到電動(dòng)或氫動(dòng)力飛機(jī)等更重大的突破實(shí)現(xiàn)。事實(shí)上，或許這些技術(shù)在二三十年內(nèi)都無(wú)法廣泛應(yīng)用于航空飛機(jī)。

有公司正嘗試設(shè)計(jì)并制造電動(dòng)飛機(jī)，但大多都是如直升機(jī)般垂直起降的小型飛機(jī)，只能容納少數(shù)乘客。若要生產(chǎn)出能夠搭載200名乘客的大型電動(dòng)飛機(jī)（相當(dāng)于中型標(biāo)準(zhǔn)航班），需要更大的電池，保證更長(zhǎng)的飛行時(shí)間。按此標(biāo)準(zhǔn)，電池重量需要達(dá)到航空燃料的約40倍，才能保證充足電量。但若不改革電池技術(shù)，電動(dòng)飛機(jī)將無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

氫能源是實(shí)現(xiàn)低碳排放的有效工具，在全球能源轉(zhuǎn)型中扮演了不可替代的重要角色。相比其他可再生能源，氫能的顯著優(yōu)勢(shì)在于可以大規(guī)模跨季節(jié)存儲(chǔ)。其中，綠氫是諸多行業(yè)深度脫碳的唯一手段，包括以石化、鋼鐵、化工為代表的工業(yè)領(lǐng)域以及以航空為代表的交通行業(yè)等。據(jù)國(guó)際氫能委員會(huì)預(yù)測(cè)，到2050年氫能源市場(chǎng)規(guī)?？蛇_(dá)2.5萬(wàn)億美元。

與傳統(tǒng)燃料飛機(jī)相比，氫動(dòng)力飛機(jī)主要有兩方面的優(yōu)勢(shì)：一方面，氫具有良好的燃燒性能，其單位質(zhì)量能量是傳統(tǒng)噴氣燃料的3倍，能源利用可以更高效；另一方面，氫能在減排上有明顯優(yōu)勢(shì)，能大大較少污染氣體排放，最終實(shí)現(xiàn)綠色飛行。

“氫本身是一種非常輕的燃料”，環(huán)保組織國(guó)際清潔運(yùn)輸委員會(huì)(International Council on Clean Transportation)汽車飛機(jī)脫碳研究學(xué)者丹·盧瑟福(Dan Rutherford)向美聯(lián)社表示。“但儲(chǔ)存氫需要大體積容器，油箱本身就很重。”

事實(shí)上，在航空領(lǐng)域應(yīng)用氫能更多是要面對(duì)“怎么做”的問(wèn)題，當(dāng)前氫動(dòng)力飛機(jī)商業(yè)化應(yīng)用還面臨諸多挑戰(zhàn)：

經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)。經(jīng)濟(jì)性有待提高。綠氫高昂的生產(chǎn)成本，讓其在飛行上高出傳統(tǒng)石化燃料的使用成本很多，難以形成大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用；

技術(shù)挑戰(zhàn)。配套設(shè)施不足。氫動(dòng)力飛機(jī)需要新的地面設(shè)施，氫氣的儲(chǔ)存、運(yùn)輸、加注等各環(huán)節(jié)都需要開(kāi)發(fā)與建設(shè)；

制度標(biāo)準(zhǔn)挑戰(zhàn)。氫動(dòng)力飛機(jī)商業(yè)化市場(chǎng)環(huán)境還需完善，在氫能市場(chǎng)運(yùn)行與監(jiān)管制度上，各國(guó)沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，這樣的情況下，氫能航空發(fā)展也會(huì)被拖慢。

全球來(lái)看，氫動(dòng)力飛機(jī)離商業(yè)化運(yùn)營(yíng)也還有很長(zhǎng)一段距離，目前國(guó)內(nèi)外航空企業(yè)對(duì)氫能“綠色飛行”的探索都還處在開(kāi)發(fā)驗(yàn)證的示范階段。業(yè)內(nèi)認(rèn)為，預(yù)計(jì)到2035年左右，各種氫動(dòng)力飛機(jī)才能迎來(lái)快速發(fā)展階段。

雖然“綠色飛行”還為時(shí)尚早，但是氫能航空的發(fā)展藍(lán)圖已然畫下，隨著氫能產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，氫動(dòng)力飛機(jī)的發(fā)展步伐也將越來(lái)越快。