固定翼民機的新能源關鍵技術研發現狀與展望

雷國東，徐悅，陳少軍，朱海濤，段辰龍，吳耕宇

中國航空研究院，北京 100012

航空新能源是指相對于傳統化石能源（如航空煤油等）而言的新型能源，主要包括太陽能、純電能、油電混動、氫能源、可持續航空燃料等非傳統航空能源[1-3]。新能源飛機是指利用這些非傳統航空能源能夠實現攜帶指定商載飛行指定距離的新型能源飛行器。目前，新能源固定翼航空器發展方向呈現出多樣化，因此必須優選出具有工程可行性、安全性、經濟性的技術發展方向，以為新能源固定翼航空器發展提供一定的參考和指導。

盡管新能源飛機出于各種原因目前很難替代常規化石能源飛機，但是隨著世界新能源技術的研發以及“雙碳”政策的推進，新能源飛機將會逐漸具有市場競爭力，并成為世界主要航空強權爭相研發的重點方向之一。在未來大型民用飛機的發展規劃上，歐洲空客公司的研發思路較為樂觀，重點布局發展液氫能源的新型客機，空客公司最近公布了多種布局和級別的液氫能源飛機概念設計，德國航空航天研究院（DLR）更是大力開展基于氫燃料推進的航空發動機技術研發；美國波音公司認為氫燃料存在低密度、低溫、易爆、氫脆等安全問題，氫氣的制造到儲存與運輸技術仍然任重道遠，尤其是需要對現有飛機框架進行比較深層次的改造設計，因此重點布局了基于可持續航空燃料（SAF）的客機，包括生物合成航空燃料與電能合成航空燃料，而將液氫新型飛機作為一種長遠未來的儲備航空技術。生物合成SAF 甚至包括生物甲烷（CH4）這種極易生成的生物燃料，電能合成航空燃料則需輔助碳捕獲技術利用從大氣或工廠得到的二氧化碳結合電能制造的氫氣，通過催化劑合成航空燃料，最易合成的還是甲烷燃料。而基于SAF 的民用飛機，無論是摻混部分SAF還是完全SAF的民用飛機目前均已試飛成功，但是常溫液態SAF 產量不足且價格過高是限制其大規模應用的主要問題，液氫的市場終端價格過高也是推廣氫能源飛機的主要障礙之一。

本文主要論述了固定翼民機可能用到的各種替代能源的國內外發展現狀、關鍵技術和主要的技術優劣勢，以及可能的應用場合分析，對比與歸納了各種形式應用的可行性、經濟性與安全性等，初步推論得到相對直接使用綠色液氫，綠色SAF或液化天然氣（LNG）類碳氫化工合成或生物合成燃料更具可行性、經濟性和安全性。

1 太陽能飛機

太陽能飛機主要利用太陽能電池板的光電轉換提供能量供給電動機，驅動飛機飛行，太陽能的分布密度極低且具有隨時間、空間變化的特點，太陽能飛機一般設計為具有極大機翼面積但起飛總重量（質量）極低的形式。盡管其載重能力較差，但是作為長航時偵察觀測類飛機卻十分有效，如實現長時間地監測森林火災等。

1.1 關鍵技術

太陽能飛機的核心技術是輕質、高強度且高效率太陽能電池板，同時也需要高功率密度電動機，以提高太陽能飛機的發電和推進裝置功率密度、減少飛機的起飛總重。由于太陽能飛機的起飛總重一般比較低，推進功率有限，推進裝置功率密度過低導致的矛盾一定程度上不是特別突出，采取分布式電推進技術可以部分地緩解對高功率電機的需求。

1.2 應用場合

太陽能飛機適宜作為輕型大展弦比長航時無人機應用，用于觀測、探測、偵察或通信中繼等作業目的，如可作為“偽衛星”長時間實時監測局部地區等。

1.3 優劣分析

太陽能成本低廉且來源無限，采用輕質材料制作的飛行器易于實現極長航時的高空飛行，但是太陽能過于分散，隨時間與空間、緯度變化，能量密度過低，難以應用于起飛重量和商載較大的重型飛行器，適宜應用于機翼面積極大、起飛總重較小的長航時偵察與觀測型的低速無人機。

1.4 國內外研究現狀

太陽能飛機在國內外目前已經廣泛涌現，如美國國家航空航天局（NASA）的“太陽神號”、瑞士探險家皮卡德制造的“陽光動力2號”、國產的“啟明星”與“墨子Ⅱ型”太陽能飛機等，如圖1～圖3所示。隨著太陽能電池技術的進步，更多性能更優良的太陽能飛機將會出現。這類飛機一般采用大展弦比平直翼設計，以適應低速飛行下的極高氣動效率。為彌補此類飛機電推進能力不足，機翼表面鋪設高效率太陽能電池板以充分吸收太陽的輻射能量，這類技術方案幾乎是太陽能飛機的唯一形式。

圖1 NASA“太陽神號”飛機Fig.1 The solar energy plane “Apollo” of NASA

圖2 “陽光動力2號”太陽能飛機Fig.2 The solar energy plane of “Sun Power Ⅱ”

圖3 “啟明星”飛機和“墨子Ⅱ型”飛機(國產)Fig.3 The domestic solar energy plane of “Venus” and“ Mozi II”

2 全電動飛機

全電動飛機是指采用動力電池作為主要推進飛行能源，采用電動機驅動推進裝置飛行的新能源飛機。全電動飛機的優點是飛機本身不排放含碳化合物和氮氧化合物，非常清潔與環保，而且由于電能來源廣且十分廉價，燃料使用成本極低。但是，目前的動力電池質量能量密度過低，實用能量密度處于250W·h/kg的量級，全電動飛機只能設計為輕型短途通用飛機，大型運輸類飛機的全電化需要在動力電池的能量密度和電機的功重比等關鍵技術上取得突破性進展。

2.1 關鍵技術

目前，限制全電動飛機應用發展的主要技術“瓶頸”是缺乏高質量與高體積能量密度的動力電池，與油動飛機競爭也需要有高功率密度及大功率的電動機。因此，可以采用分布式電推進技術部分解決缺乏單個大功率電動機的問題，分布式電推進技術雖然增加了推進系統的復雜性，但是可以顯著提升推進系統的推進效率，具有優良的節能效果，這是一種以總體氣動設計技術彌補飛行器所需的動力電機功率不足的設計思路。

2.2 應用場合

受限于動力電池的能量密度，目前全電動飛機僅適用于低成本短途飛行的小型通用飛機，一個典型應用場景是在美國的五大湖地區進行低成本的短途飛行，因為受地理條件限制，陸路的汽車需要繞行很長距離，而水面的船舶則速度太慢，能夠直接飛越五大湖區實行點對點交通的全電動飛機很適合此地交通。其實，國內也有類似的地理區域，如北京所處的環渤海區域，由山東半島、遼東半島、北京、天津及河北省沿海區域構成，此地屬于人口密集區域，陸路由大連到煙臺需要繞行很長距離，海上直線距離雖只有約190km，卻需要6h，因此全電動飛機是有市場競爭優勢的。中國類似的地理單元還有珠三角、長三角、杭州灣、臺灣海峽兩岸、鄱陽湖與洞庭湖周邊區域，同樣是人口密集，但這些地區跨越水面的陸地交通系統也很發達，珠三角與長三角、臺灣海峽兩岸人口過于密集，全電動飛機或可很好地發揮能源成本低的優勢，用于緩解這些地區的地面交通擁堵、水面交通過慢的情況。

2.3 優劣分析

假設所用電能來自清潔能源，全電動飛機的優勢是本身絕對清潔無污染，能源系統完全沒有二氧化碳和氮氧化合物排放（不考慮滑油蒸發燃燒之類），能源成本低廉；其劣勢是動力電池質量能量密度不足，導致航程較短，空機重量系數過大而商載系數較低，較難應用于起飛總重較大的運輸類飛機。

2.4 國內外研究現狀

據NASA官網報道，X-57采用了獨特的分布式電推進系統，在輕型通用飛機、支線客機等類型上具有較好的應用前景，對全電動飛機技術實用化并投入商業運營是一次非常有價值的探索，X-57 Maxwell 飛機由4 座輕型燃油動力飛機“TecnamP2006T”改型而來，其兩臺Rotax912S3四缸活塞式發動機被12 臺電動機取代，如圖4 所示。但是，最近X-57飛機項目出于各種原因已被NASA取消。

圖4 NASA的X-57全電飛機Fig.4 The X-57 plane of NASA

空客的E-Fan 全電動飛機采用全碳纖維復合材料結構，翼展約為9.5m，機身長約6.7m，重約600kg，內設前后兩個座位，如圖5所示。該飛機配備兩臺發動機，由鋰離子電池驅動，在電池充滿電的情況下可飛行45～60min，最高飛行高度為1000m，最快飛行速度可達220km/h。E-Fan全電動飛機在2013年巴黎航展上首次展出，并在2015年展示了飛躍英吉利海峽的能力。

圖5 空客的E-Fan飛機Fig.5 The E-Fan plane of Airbus

國內銳翔全電動飛機自2017年開始研發，采用了雙門四座的布局，全身采用了77%的復合材料，相比傳統金屬材料，銳翔全電動飛機具有重量輕、耐腐蝕等特點。由于搭載鋰電池最大功率為140kW，最大續航里程為300km，而且即便是在坑洼不平的路面上也能順利起飛。銳翔全電動飛機速度可達160km/h，在空中電量不足時可打開整體降落傘緩慢降落，如圖6所示。

圖6 銳翔國產全電動飛機Fig.6 The domestic all-electric plane Ruixiang

3 油電混動飛機

油電混合動力飛機的最終設計目的是形成“燒油—發電—電機推進”的能量利用方式；利用電機自身的特性（如效率遠高于熱機、對尺寸不敏感等）以及特殊的總體氣動設計機理、能量回收等技術彌補油電轉化的額外能量損失，實現飛機總體性能在設計效率上的突破革新。彌補油電轉化能量損失的飛機總體氣動設計機理如邊界層吸入（BLI）式推進技術、分布式電推進，或在航空發動機低效的機場滑行和低空飛行時由純電驅動等策略，這些措施造成的能量節省超過了油電轉化相對于直接油動推進的能量損失，這些是油電混動類飛機節油的基本邏輯和機理。

3.1 關鍵技術

油電混合動力飛機需要有高功重比發電機與高功重比電動機技術，以避免飛機空重比過大，因為現有的常規發電機與電動機的功重比要差于現有航空發動機；邊界層吸入、分布式電推進、能量回收、航發低效階段純電推進等總體氣動技術必須能彌補油電轉化過程相對于純油動力的能量轉化損耗。

3.2 應用場合

油電混動技術一般適用于中小型飛機，受限于發電機、電動機等電力系統的功率與功率密度，仍然無法與燃油航空發動機比擬，而小型飛機對功率與功率密度的要求較低，現有的較低功重比的電力驅動系統也可以滿足。

3.3 優劣分析

相對純油動飛機，油電混動飛機的比油耗可以顯著降低，因其特殊的總體氣動設計及能量回收等技術使高效率的電能推進充分得到利用，因而具有十分顯著的節油能力；相對于全電動飛機，油電混動飛機的航程可以輕松達到純油動飛機的標準而沒有“續航焦慮”。但油電混動飛機的不足是動力電池與發電及電動系統的重量壓低了艙內商載比例，動力電池與電動機的功率及功率密度不足導致只能采用分布式電推進給予彌補，導致空機重量系數進一步增加。

3.4 國內外研究現狀

目前，國內外有大量油電混動小型通航飛機出現，如圖7～圖12 所示。對于大中型民機，主要的商用飛機公司（如波音與空客公司）均提出了多項概念方案，包括分布式推進、邊界層吸入式推進、支撐翼及翼身融合布局等，但邊界層吸入式推進因邊界層內的低能氣流嚴重畸變可能會損傷壓氣機而進展緩慢，分布式電推進技術則受限于動力電池功率密度不夠、發電機與電動機等電力系統的功率與功率密度不足；航發低效階段采用電力推進而巡航采用航發推進的小型通用飛機技術比較成功，這類飛機對電力系統的功率與功率密度以及動力電池的總能量要求不高，大中型油電混動民機市場化需要動力電池及發電機與電動機等系統在功率、功率密度等關鍵參數上取得較大的技術突破。

圖7 國內首款油電混動飛機（山河科技SA60L）Fig.7 The first domestic hybrid fuel-electric plane(SA60L form Shanhe technology company)

圖8 奧地利鉆石飛機公司的油電混動DA40飛機Fig.8 The hybrid fuel-electric plane DA40 of the Diamond plane company, Austrian

圖9 “日本飛機開發協會”5MW級混動客機Fig.9 The 5MW hybrid fuel-electric plane of Japan Aircrafts Development Company

圖10 借助邊界層吸入式推進或分布式電推進彌補油電轉化的能量損失Fig.10 The BLI and distributed propulsion technologies to cover the energies conversion loss

圖11 波音油電混動支撐翼民機概念Fig.11 The braced wing civil plane of hybrid fuel-electric propulsion of Boeing

圖12 空客油電混動邊界層吸入推進民機概念Fig.12 The BLI technologies used in the hybrid fuel-electric propulsion civil plane of Airbus

4 SAF飛機

SAF是指通過生物合成或化學合成制造的碳氫化合物燃料，這類燃料中的碳來自大氣圈或生物圈，而不是類似化石燃料來自地殼，使用SAF全生命周期分析并不會增加大氣和生物圈中的溫室氣體總量，如利用玉米、麻風樹種子及微藻等制造航空煤油，利用從大氣或工廠中捕獲的二氧化碳，結合清潔電能電解的氫氣通過催化劑合成甲烷、甲醇、航空煤油等，并沒有將地殼中的化石能源中的碳釋放于大氣圈或生物圈，而是利用了“循環碳”，因此制造某些SAF存儲起來反而有“碳匯”的效果，如圖13所示。用玉米等糧食作物制作燃料具有與人類爭食的典型害處，盡管某些國家糧食充足，但仍然有大量人類處于挨餓狀況，所以這種生物燃料是不人道的科技；用麻風樹種子合成燃料雖沒有與人類爭食，但卻搶奪了某些動植物生存的空間和食物，破壞了生物多樣性；用微藻制作SAF可同時避免上述問題，但微藻大規模培植需要消耗大量資金建造工廠[4-13]。

圖13 “碳循環”與“碳排放”Fig.13 The carbon cycling and emission

通過生物合成技術得到某些生物燃料反而有非常典型的“負碳”效應，如通過生物廢棄物（如秸稈、廚余垃圾、人類與牲畜的糞污、工業有機廢水）制造甲烷燃料，因為一旦堆積或掩埋這些廢棄物，它們會自發釋放大量甲烷進入大氣，而甲烷的溫室效應是二氧化碳的26倍，將甲烷收集后作為燃料燃燒為二氧化碳排放不僅沒有增加大氣圈的碳含量，還顯著降低了溫室效應；而地球上的沼澤與濕地、三角洲、海洋、湖泊與河流、反芻動物、化解凍土每時每刻都因厭氧環境而在釋放甲烷，甲烷已成為僅次于二氧化碳的“溫室效應”氣體。為了減緩甲烷釋放，全球150 個國家已簽署了“全球甲烷承諾”，國際能源署（IEA）2022 年報告指出化石燃料行業的甲烷排放問題仍沒有得到有效控制，同時隨著溫室效應的增強，自然界自身排放甲烷的問題也在加劇。因此，收集自然界的生物廢棄物或反芻動物釋放的甲烷具有十分顯著的“負碳”效應，但目前因產業收益率過低而并未獲得大規模推廣，國外已有收集奶牛反芻排放甲烷的技術出現，而中國針對生物甲烷燃料制造已提出國家規劃，“十四五”規劃中提出到2030 年中國的生物天然氣總量要求達到2×1010m3（歐盟生物天然氣產量），中國的生物天然氣潛力在8.8×1010m3[14]，中國化石天然氣年生產量在2.2×1011m3，近年來從俄羅斯進口天然氣的規劃是要達到3.8×1010m3，可見生物天然氣的發展潛力，而生物天然氣可進一步進行電化學合成更長碳鏈的常溫航空燃料，如航空煤油。

電制燃料（PtX）或E-Fuel 燃料（包括電制氣體燃料（PtG）與電制液體燃料（PtL）），采用清潔來源的電能制造氣體或液體，如氫氣、甲烷、氨氣及甲醇、汽油與柴油、航空煤油等；此類燃料一般采用電制氫氣，結合通過碳捕獲技術直接從大氣或工業排放得到的二氧化碳，通過電化學技術合成甲烷、氨氣等氣體，或者通過費托合成（FTP）長鏈碳氫化合物（如甲醇、汽油、柴油、航空煤油等），現有的化學合成已經可以通過來自大氣的二氧化碳合成淀粉等，因此電制燃料在理論和技術上已經成熟，但是目前的制造成本過高，在市場價格上難以與化石來源或生物來源的燃料競爭。電制燃料技術示意路線圖如圖14所示。

圖14 電制燃料技術示意路線圖Fig.14 The PtX technical approaches

電制燃料最易合成的是氨氣和甲烷，而電能和氫能在移動交通工具的存儲和運輸上存在質量能量密度過低（電能）或體積能量密度過低（氫能）的嚴重理化問題，尤其是氫能的存儲和運輸，需要高壓或者低溫技術，如圖15所示，但體積能量密度仍然非常低，存儲和短途運輸成本甚至超過常規燃料的終端價格，這是氫能目前推廣速度受限的主要原因。為解決氫能的儲運問題，發現將氫氣轉化為易于液化和儲運的甲烷和氨氣反而可能終端價格更低，尤其是氨氣，因此更直接的做法是直接將液化甲烷和氨氣作為終端燃料。甲烷可作為極佳的航空航天燃料，目前已經成為包括SAPCEX公司、藍色起源公司、藍箭航天在內的等商業航天企業火箭發動機的主要燃料，低廉的成本和優異的理化性質獲得包括中國在內的主要航天強國政府的重點研發投資；而氨氣因易于液化和運輸，分解制造氫氣技術成熟且成本可接受，如圖16 所示，未來可成為氫能遠程運輸的科學方式。

圖15 終端燃料產品理化性質Fig.15 The physical and chemical properties of fuels

圖16 產品儲運與合成成本（參考價格）Fig.16 The fuel cost of storage and transport(reference price)

4.1 關鍵技術

SAF 的制造技術包括生物合成技術、基于清潔電能的電化學合成技術，基于非廢棄物的生物合成燃料與清潔能源電制合成液體燃料當前存在的主要問題是制造成本過高，產量低且終端價格沒有市場競爭力，如圖17 所示?；趶U棄物的生物合成燃料因為合成成本極低，原料來源豐富而潛力巨大，但需要規?；a以提高收益率。

圖17 電制燃料成本示意圖Fig.17 The costs of the PtX fuels

4.2 應用場合

SAF 適用于現役及未來的燃油飛機、低溫的液化甲烷燃料飛機等。生物或合成液化天然氣燃料因儲存溫度比液氫高約90℃，密度約為液氫的7倍，且質量能量密度比常規航空煤油高約18%，不易爆炸且沒有對鋁鐵鈦等金屬承力結構材料“氫脆”的隱患等，生物或合成LNG燃料在民機上的應用潛力巨大。

4.3 優劣分析

SAF的優勢是現有的飛機總體和機載技術框架可以完全保留不做任何改變；同時，采用完全生物合成或者費托合成的航空碳氫燃料可以使燃料中的碳元素始終處于循環利用之中，從而二氧化碳排放量不增加，因而屬于清潔能源，而且燃料的能量密度略有增加，目前生物合成的航空燃料已處于實測使用階段；使用某些生物原料的SAF燃料甚至具有一定的“負碳”效應，使用現代基因工程技術改造后的某些“能源作物”的干物質產量極高，其吸收大氣中二氧化碳的速率甚至可以達到一般森林的數十倍，是非常具有發展潛力的人工“碳匯”。

其劣勢是第一代生物合成航空煤油需要較高級的原料，如玉米、麻風樹種子等，易于與人類或牲畜、其他動植物爭食的來源原料或者投資較大的微藻工廠?；蚋脑斓摹澳茉醋魑铩笨赡軗寠Z人類糧食耕地與水資源而造成與人類間接爭食的效果，同時“能源作物”過于強盛的生命力又會造成生物多樣性的災難問題，因為它們會驅逐或殺死很多動植物，需要政府統籌規劃。

用廚余垃圾制作航空燃料也存在產量不足問題；采用麻風樹等植物則會擠占某些動植物的生存空間與食物資源，形成生態危害問題，微藻類生物合成航空燃料比較有前景，可以實現工廠化生產且生產效率可以數倍于常規糧食作物原料，但是設施投資極大，目前產量不足且價格過高。

生物合成甲烷則在技術與原料上不存在上述問題，主要由甲烷組成的混合氣（又稱天然氣、沼氣、瓦斯等），在自然界中廣泛存在，地球上的濕地、三角洲、海洋、堆積的秸稈、糞污、動物身體、地下密閉空間等每時每刻均可自發地產生大量的甲烷氣體，尤其是養牛業的甲烷排放量居全球人為甲烷排放首位，因為無論是被水漫蓋還是空氣不易流通的環境，有機物質被喜氧菌群分解產生的二氧化碳覆蓋，如不能被風吹走，正好為厭氧菌群分解釋放甲烷提供了極佳的工作環境，牛內臟也是極佳的厭氧環境。

費托合成航空燃料目前處于前沿技術研究階段，由于可以采用工業化生產方式大規模生產，因而比較有前景，主要原料是二氧化碳和水，來源無限，但是目前技術不成熟，設施投資和制造成本居高不下，但是這一技術相對氫能源飛機具有十分強勁的競爭力，有人認為以大氣中的二氧化碳為原料人工合成航空燃料、以二氧化碳為原料人工合成淀粉的技術是徹底解決“碳達峰碳中和”行動的核心關鍵技術，而這兩項技術目前已經通過了實驗室試驗驗證，并在進行擴大產量試驗。

PtX 是基于清潔能源的燃料，PtX 意味著利用電力將大氣中的二氧化碳和水合成燃料。為了使PtX 成為綠色燃料，生產燃料的電力當然必須來自可再生能源，如太陽能、風能、水力發電或者仍有爭議的核能。即可再生能源電解水制綠氫，綠氫結合二氧化碳轉化為氨、甲醇、甲烷、合成氣（進一步合成液體燃料）。甲烷、甲醇和氨氣這三個目前是常見的X路線，甲醇化和甲烷化耦合碳捕集促進碳捕集技術發展，氨與碳捕集無關，也不受制于碳源，因為氮氣是大氣中比例最高的氣體，占比超78%，來源無限。

SAF或PtX等航空燃料盡管直接排放一定量的二氧化碳，但在全生命周期內可以實現“碳中和”或者“負碳”排放。液氫燃料等盡管不直接排放二氧化碳，但考慮全生命周期卻可能在制造過程中排放更多的二氧化碳，如“煤制氫”與“甲烷制氫”。

4.4 國內外研究現狀

當前基于生物來源的SAF的摻混與100%成分的試驗飛行在國內外已獲得成功，如圖18 所示，而基于清潔電能和大氣碳捕獲技術的合成SAF 的新型技術試驗在國內外也均已獲得成功；基于LNG 的試飛技術則于近50 年前在蘇聯圖-155客機上獲得成功驗證，歐盟和NASA近年來均已提出基于生物天然氣的概念飛機，LNG燃料市場價格遠低于液氫，不足航空煤油價格的一半，但低熱值卻顯著高于航空煤油，應用配套技術成熟，是一種潛力極大的可持續航空燃料。

圖18 摻混或100%SAF航空試飛已獲成功Fig.18 The blended or 100% SAFs used in aviation

考慮到制造技術難易程度與成本，在石油危機年代，液化天然氣燃料飛機概念也被推出，作為液氫燃料飛機的一個備用方案，如圖19所示；而現代國際社會提出碳中和要求后，綠色LNG 概念飛機重新被推出，因為LNG 可視為一種極易合成SAF，或介于液氫和SAF 之間的權衡，如圖20、圖21 所示，可持續甲烷在降低氣候危害性和航程上潛力最大。

圖19 Tu-155 LNG和液氫低溫燃料試驗飛機Fig.19 The LH2 and LNG Tu-155 plane

圖20 歐盟BIO LNG渦槳與NASA LNG概念飛機Fig.20 The BIO-LNG propeller planes of EU and NASA(SUGAR freeze conception)

圖21 三類燃料寬體遠程客機航程與氣候收益Fig.21 The range and impacts on climate of the three kinds of wide-body long range civil planes

SAF 在國內也有研究進展，如民航大學利用基因編輯技術改造某些種類的能源作物，使其產量顯著提升并更加適應惡劣環境（如鹽堿地環境），國內有大片的鹽堿地可供使用；鎮海煉化SAF工廠等則是利用“地溝油”等廢棄生物原材料合成SAF?！暗販嫌汀钡氖占容^困難且總量相對航運業需求不足，適應惡劣土地的基因改造的能源植物是一個極佳的SAF制造途徑，甚至有“負碳”效果。但是能源作物的推廣面臨水資源調配、生物多樣性、對糧食作物種植造成經濟沖擊等問題，需要國家統籌安排解決，如能源作物對水資源的使用侵占了糧食作物的水資源使用，種植能源帶來的經濟效益打擊了種植糧食的積極性等。

5 氫能源飛機

氫能源飛機是指使用壓縮氫或液氫等作為能源介質，使用氫燃料電池或氫燃料航空發動機推進的新能源飛機。這里將混合部分動力電池的氫電混合動力也歸入氫能源飛機，如圖22 所示。氫能源的最大優勢是質量能量密度極高，相當于常規燃料航空煤油的2.8 倍，且能源本身完全沒有碳排放；其劣勢是壓縮氫及液氫密度過低導致體積能量密度過低，而且需要極低溫度存儲（-253℃），導致低溫儲箱體積龐大擠壓飛機有效可利用容積，同時氫氣的易爆炸、易“氫脆”等安全風險問題也必須得到可靠解決。氫氣包括電解水或者甲烷制氫，大部分還是來自化石能源，我們稱之為“灰氫”，碳排放不僅沒減少反而顯著增加；氫氣來源于清潔能源如風、水與光伏，生物質能源或核能，我們稱之為“綠氫”與“紫氫”，自身完全沒有碳排放[15-26]。

圖22 空客公司的液氫能源民機概念設計Fig.22 The conceptual hydrogen plane of Airbus

除了采用清潔能源電解水制氫，氫氣的壓縮與液化能耗也比較大，同時因為密度過低導致其儲存與運輸成本極高，其單位質量短途運輸成本甚至超過了航空煤油的終端價格，這都是氫能源飛機研發與應用中必須解決的主要問題，即制氫成本、儲存成本、短途運輸成本，長途直接運輸成本甚至超過將氫轉化為液氨再由液氨制氫的成本，液氨可能是未來長途運輸氫氣的較好中介。

5.1 關鍵技術

關鍵技術包括低成本的“綠氫”或“紫氫”制造技術，高壓或液氫存儲與短途、長途輸送及加注技術，由機翼與機身內部顯著布置改變導致的氫能源飛機總體氣動設計技術，燃氫航空發動機或氫燃料電池技術等；此外，還有氫燃料的安全防護保障技術，包括預防對人員和設備的低溫危害及物理或化學爆炸，處理結構金屬材料“氫脆”破壞等隱患的技術。

5.2 應用場合

液氫燃料適用于大中型運輸類飛機、長航程或長航時運輸類飛機，雖然小型短途飛機也可采用氫能源，包括氫燃料電池或氫燃料航空發動機，或氫電混合動力推進，但因為其機身空間有限，而液氫的存儲與運輸困難且危險性高，需要較為嚴格的操作標準，容納極低密度的液氫付出空間代價過大，同時導致制造與維護成本過高，小型飛機大多本身比較便宜，沒有必要采用高配設置，小型或短途飛機更適宜采用全電能源。大中型運輸類飛機因動力電池能量密度不足，無法采用全電能源而必須采用液氫新型能源設計，機艙空間大，易于容納液氫。

5.3 優劣分析

氫能源飛機的優勢是飛機排放完全無碳（不考慮滑油燃燒），劣勢是因機翼與機身內部布置的顯著改變導致飛機總體氣動設計與現有的飛機框架有比較大的改變，同時飛機的配套設施（如機場維護、燃料運輸加注及安全防護等）需要比較大的改變。

安全性問題主要有：（1）爆炸極限極寬，為4%～75.6%；（2）“氫脆”問題，對鋁鐵等多種金屬存在腐蝕性，存儲和傳輸需預防“氫脆”隱患；（3）膨脹爆炸問題，液氫極易氣化，一旦發生熱泄漏，儲氫或傳輸裝置內部壓力增大易于膨脹爆炸；（4）低溫傷害性，-253℃極低溫度下對設備材料和人體都存在嚴重安全隱患，低溫泄漏極易發生凍傷危害。

液氫燃料的市場價格過高，同等能量下難以與常規燃料的經濟性競爭。液氫的另一個主要問題是體積能量密度過低，因為燃料體積占據空間過大，且需要極低溫度存儲，故在飛機上較難應用；同時，因為密度過低以及“氫脆”隱患，液氫的運輸成本也較一般的燃料運輸成本更高。這些都是阻礙液氫作為能源載體應用的非常不利因素。

氫燃料不論是壓縮氫還是液態氫，均在存儲、傳輸、應用方面十分不便捷，有人提出將氫氣通過吸附、溶解等物理方式可獲得比壓縮氫更大的儲氫密度，但是這些技術很難應用于航空航天工業，且技術不成熟。

另一類思路則是將氫氣通過PtX形成易于存儲、傳輸、應用的含氫化合物作為燃料使用，典型的形式是氨氣和甲烷，其中甲烷液化后的單位體積含氫量甚至比液氫還高約50%，體積能量密度約為液氫的2.5 倍，質量能量密度接近液氫的50%，爆炸極限是5%～15%，沸點大大高于液氫，甚至“可再生”性能優良，生物天然氣已成為成熟的替代能源，且產量潛力巨大，而使用二氧化碳和水合成甲烷的技術也日趨成熟，尤其是沒有“氫脆”的問題，對現有燃油發動機的改造極小，因此可以認為是一種極佳的“化學”儲氫方式，同時天然氣工業技術非常成熟，價格相對十分便宜?；瘜W制氨技術同樣十分成熟，氨氣液化容易，但是氨氣由于質量能量密度過低而難以作為航空燃料使用；在長途運輸之后，液氨加熱并使用催化劑后極易分解為氫氣和氮氣，而氣態氫氣則可作為燃料直接使用[27-48]。液氫與液氨、LNG 等的理化性質見表1。

表1 液氫與液氨、LNG等的理化性質對比Table 1 The physical and chemical properties： Liquid hydrogen， liquid natural gas and liquid ammonia

5.4 國內外研究現狀

歐盟和空客公司提出了比較激進的氫能源飛機發展規劃，如圖23～圖25所示，力推“零排放”的概念飛機。英國雖退出歐盟，但也受到了歐洲大陸航空科技規劃的影響，緊隨其后也獨自提出了一系列氫能源飛機概念；DLR甚至試飛成功小型氫能源試驗機Hy4 驗證機。美國的波音公司和NASA 聯合試飛成功了“幻影之眼”無人機（見圖26），該無人機采用液氫燃料，由氫燃料內燃機驅動，美國的Universal Hydrogen公司試飛了40座的氫能改型飛機，但波音公司和NASA 放棄了繼續深入研發氫能源飛機，轉向重點布局了基于SAF 的民用飛機研發，而認為氫能源飛機是一項“長期”的航空科技。所以，歐盟和美國在氫能源飛機上形成了一方“激進”與一方“保守”的不同發展思路，目前難以判斷雙方戰略的高下?；赟AF的新型民機在設計制造上并不需要過多的改造，而氫能源飛機在設計、制造、維護、運營等方面與常規能源飛機存在較大的差異，需要有較大的科技突破，如安全性問題，如圖27所示。

圖23 空客的液氫民機概念Fig.23 The hydrogen civil plane of Airbus

圖24 DLR的雙體氫能源飛機Fig.24 The twin-body hydrogen plane of the DLR

圖25 Universal Hydrogen公司氫能改型飛機Fig.25 The modified hydrogen fueled plane of Universal Hydrogen Company

圖26 波音“幻影之眼”液氫內燃機驅動無人機Fig.26 The “phantom eye” hydrogen plane of Boeing

圖27 使用氫氣的航空器（齊伯林飛艇）Fig.27 The Zeppelin airships filled with hydrogen

考慮到“尾跡云”的溫室效應，氫能源飛機雖完全沒有排放二氧化碳，但排放的水蒸氣量卻遠大于常規的航空煤油飛機，因而會形成更多的“尾跡云”，而“尾跡云”對環境的影響問題目前已逐漸得到了全球航空界和環保界的重視，這是氫能源飛機研發和推廣應用中一個十分不確定的因素。

6 未來展望

太陽能的能量密度過低且過于分散，同時電驅動裝置功率密度低，難以應用于起飛重量較大的重型飛機；純電動飛機的動力電池質量能量密度與電機的功率密度在沒有革命性提升之前，難以應用于大型和長航程飛機；而油電混動飛機則還是存在比較顯著的碳排放問題，發電與電動系統的功重比難以顯著提升，限制了這種技術的推廣應用；SAF與現有的飛機技術兼容性非常好，并且不需要對現有飛機關鍵技術和維護配套技術框架做出大的改變，全生命周期分析可以逼近零碳或者“負碳”；而氫能源飛機則對現有飛機總體氣動、儲能與推進等技術，飛機的外圍配套，燃料制造、運輸與加注等系統需要有比較徹底的革命性改造[49]。

氫能源在民用飛機上的直接應用，在儲存和運輸、安全性、外圍配套等技術上需要解決的問題較多，但氫能源結合碳捕獲技術將氫氣轉化為PtX 則可輕松避開氫氣的壓縮、液化與存儲、運輸、易爆炸與易“氫脆”等安全性、高成本和技術問題，其終端市場價格將大概率低于液氫的終端價格；現役的民用飛機與其他航空器的設計制造將不需要進行大范圍的改造設計，而直接使用氫能源的各種飛機將不得不為適應氫能源的低溫、低密度、易爆炸與易“氫脆”等性質做大幅度的改造設計，使用PtX 是一種間接與快速且使航空器不需要進行大幅度改造設計的使用氫能源的較好技術途徑。