氢能航空动力技术发展高端智库咨询报告提要 世界航空运输行动小组（ATAG）呼吁从2020年起实现碳中和增长，并在2050年之前将排放量减少到2005年的50%。

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北京航空航天大学能源与动力工程学院

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在中国科协第25届年会——国际绿色航空发展论坛主会场与分会场相关报告结束后，2023年10月23日下午，围绕“氢动力绿色航空”召开了高端智库咨询会，该闭门会议由北京航空航天大学能源与动力工程学院组织承办，由北航刁训刚教授主持。会议邀请了我国从事氢能绿色航空动力研发的研究所、民营企业以及高等院校的相关专家开展研讨，参加单位包括：某国家实验室、中国商用飞机有限责任公司北京研发中心、中国航发商用航空发动机有限公司、中国航空发动机研究院、中国商用飞机有限责任公司民用飞机试飞中心、新能源航空动力相关民营企业、北京航空航天大学、北京理工大学、中国民航大学等单位。与会专家围绕氢动力绿色航空国内外研究现状、我国在该领域目前主要成就和问题、后续发展建议等内容开展研讨，就氢能航空动力涉及的氢燃料电池、氢涡轮、氢动力适航与安全、氢能飞机及机载储氢等方面亟需攻克的技术问题展开研讨。闭门会议汇聚了目前我国从事氢能航空动力研发的各方力量，从氢能绿色航空的战略需求、国内外发展现状、我国未来专业人才需求、亟需关键技术等形成了相关建议。会后，由北京航空航天大学能源与动力工程学院牵头整理，结合与会单位前期的调研结果，形成了《氢能航空动力技术发展建议》。

气候变化是人类共同面临的重大挑战，《巴黎协定》为2020年后全球气候治理做出安排，其长期目标是将全球平均气温较工业化时期上升幅度控制在2℃以内。为此，全球逾20个国家宣布要实现“碳中和”。欧盟、美国将于2050年欧洲实现碳中和的目标，我国提出二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。

实现碳达峰、碳中和目标，交通运输业作为碳排放大户和碳排放增长最快的领域，其中航空运输是重要组成部分。2020年全球航空运输业每年的二氧化碳排放量超过10亿吨，约占全部人类活动碳排放的2.8%，脱碳已经成为了航空业面临的一大挑战。世界航空运输行动小组（ATAG）呼吁从2020年起实现碳中和增长，并在2050年之前将排放量减少到2005年的50%。2022年10月举行的以“重新连接世界”为主题的国际民航组织（ICAO）第41届大会上通过了 “至2050年实现净零碳排放”目标。

降低碳排放，航空动力领域主要采用两种技术路径实现。一种方法是基于现有技术进行渐进式改进，提升燃油效率。另一种方法是根本性的变革，采用低碳排放的新型能源。就实现碳中和的目标而言，航空业做出根本性的变革，采用低碳排放的新型能源更有可能实现。其主要有两种实现方式，一是采用新型燃料，二是采用非燃料能源。在新型燃料方面，主要有可持续航空燃料（SAF）和氢燃料；在非燃料能源方面，主要有：电能，电推进技术是目前确认的不会在飞行中产生排放的替代方案。航空氢动力主要有两种基本技术路径：电能推进路径和氢燃料路径。电推进路径是指氢燃料电池和风扇/螺旋桨/旋翼等推进器组成氢燃料电池动力；氢燃料路径是指涡轮发动机直接燃烧氢燃料，以此替代传统航空燃料，形成氢涡轮动力，氢涡轮可与电力系统组成氢混合动力。

欧美各国近年来均发布了氢能发展规划，欧盟、主要飞机制造商和航空发动机制造商也纷纷布局氢能航空。2020年5月，欧盟“地平线2020”框架资助《氢动力航空》发布，给出氢动力航空研发路线图建议；空客、波音等全球主要飞机制造商纷纷对航空氢能动力发展进行布局，但航空动力制造商关于未来氢动力投放飞行时间的表态普遍较为慎重，目前多数并未提出独立的氢动力飞行器整机设计验证计划，这一点与飞机制造商雄心勃勃的概念构想形成了明显的差异。

在航空飞行器上首次使用氢燃料的研究可追溯到1937年，当时还处于涡喷发动机发展的初期，为验证涡喷发动机的技术可行性，使用气态氢燃料比使用汽油更容易实现。从上世纪80年代到本世纪10年代，日本、苏联、欧盟、美国均开展了氢燃料动力飞行器相关研究，主要用于超音速巡航等极端、特殊工况的飞行器。近年来，法国空客公司于2020年发布了代号ZEROe的氢动力飞机概念，虽然ZEROe概念机目前还处在演示文稿阶段，不过空客公司有信心在2035年实现零排放民用飞机的商业运营。2022年，罗罗使用改装的AE2100-A 涡桨发动机完成了液氢燃料运行的地面测试。罗罗还承担了英国航空航天技术研究所(ATI)资助的总计8280万英镑的三个氢涡轮动力相关项目。2023-2025年，欧盟针对氢动力飞机“清洁航空”计划在首批项目中设置了6个项目总经费达 2.1亿欧元，主要开展氢涡轮动力、兆瓦级氢电动力、大型轻质液氢集成储存方案的研发，以及液氢储罐飞行验证、氢电动力地面验证等工作。

我国具有丰富的氢能供给经验和产业基础，目前已是世界上最大的制氢国，初步评估现有工业制氢产能为2500万吨/年。我国已掌握部分氢能基础设施与一批燃料电池相关核心技术，制定出台了国家标准86项次，具备一定的产业装备及燃料电池汽车整车的生产能力。2018年，中国氢能源及燃料电池产业创新战略联盟正式成立，成员单位涵盖氢能制取、储运、加氢基础设施建设、燃料电池研发等，标志着中国氢能大规模商业化应用已经开启。国内主要飞机制造商和主要航空发动机制造商均未公开发布氢动力航空相关的发展规划和路线图。据公开报道，2019年3月，由中科院大连化物所与辽宁通用航空研究院联合研制的有人驾驶氢燃料电池小飞机在沈阳试飞成功，飞机飞行高度320米，全程零污染排放。这架氢燃料电池试验机是由中科院大连化物所与辽宁通用航空研究院联合研制的，基于辽宁通用航空研究院研制的RX1E电动飞机改装而来。至此，我国航空用燃料电池技术已经取得突破性进展，中国成为继美、德之后第3个拥有该技术的国家。

氢能航空动力将牵引出一系列新技术的发展。由于氢燃料燃烧动力需要改变机舱布局、增加机体尺寸以加大氢燃料储存能力，这必然会带来飞机气动外形的变化。氢燃料电池飞机除了储能方面的考虑外，还要整合电动机、电力电子设备等分布式推进系统，飞机的外形同样需要重新设计。尽管氢燃料电池在技术上是可行的，但从经济角度来看，不太适合进化中远程飞机的设计。对于中远程飞机而言，氢涡轮动力是航空氢动力研究和发展的重点。此外，氢燃料与传统石化燃料有很大的不同，如何低成本实现氢燃料的运输和储存，将会直接影响到氢能飞机能否真正投入商业运营。与传统石化燃料相比，液氢燃料具有温度低、易蒸发、易燃等特点，其加注过程复杂、耗时长且安全风险较高。因此，从技术发展来看，氢航空动力所需的技术体系主要包括：（1）氢能飞机技术；（2）氢燃料电池技术；（3）氢涡轮航空动力及整机试车测试技术；（4）航空器氢燃料存储技术与适航技术；（5）机场氢能基础设施技术等。