空客氢能源客机项目分析:氢能源就是未来?

中国航空报讯: 今年9月,空客公司首次详细地发布了代号为“ZEROe”的3款零排放商用客机概念方案。3款新型客机概念虽然采用了不同的空气动力学构型和动力系统配置形式,但都是氢作为主要能源。按照空客公布的发展计划,新型氢动力客机将于2035年投入运营,届时将成为全球首型零排放商用客机。

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关于未来的发展路线,上述3个方案在设计上也更多地借鉴了现有成熟理念和技术,目标是能够在实现2035年商业运营。为此,空客公司专门设计了2020~2025年技术路线图中,聚焦关键技术,以探索和评估上述概念方案的可行性。

空客的氢能源飞机技术路线图主要包括以下步骤:2021年进行地面演示;2023年氢燃料技术验证机首飞;2024年确定氢燃料飞机选型;2025年氢燃料验证机首飞;2035年氢燃料飞机交付;将氢燃料推广应用到空客全系产品,包括直升机产品;在大型客机上采用氢能源。

不过,作为市场上竞争对手,波音对于氢动力客机的的态度不如空客乐观。就在空客发布3款方案的第二天,波音发布消息称,由于技术监管方面的障碍和技术不确定性,氢动力客机的开发前景和应用可行性目前尚不明朗。

波音公司认为,虽然氢能源具有独特的应用前景,但是该技术的推广仍面临很大困难,主要的难题是氢燃料的生产和存储问题。几十年来,航空航天业已经对当前涡轮发动机所需的煤油燃料有了全面认知,对安全存储、运输、使用这种传统燃料积累了丰富经验。但是,氢燃料与传统煤油燃料有本质区别。如何安全、有效地使用氢燃料,还需要政府监管机构、研制厂商等共同协作,实现管理措施、关键技术等方面的创新突破。目前,氢能源相关的理论、知识、应用等研究课题仍存在很多未知领域。

弃电重氢,空客藏着野心?

在氢燃料的生产和存储问题上,其实空客与波音有着相同的观点。回到氢动力客机这个话题上,空客要想在2035年将其推向市场,还面临着技术、监管以及合作伙伴三大难关。空客在公布3款方案的同时,曾经表示除飞行器方案设计及关键技术之外,氢能源飞机也对基础设施提出了全新的要求。特别是氢能源的生产、存储、运输和加装,都需要专门的基础设施配合。

尽管如此,空客还是要选择氢动力客机这条路线,主要原因就是电池技术的发展在未来很长一段时间内都无法满足需要,电驱动客机无法达到商业运营的水平。因此,空客公司决定将研发重点转移到氢动力技术领域,以达到未来更经济、更洁净航空运输的目的。

空客的氢动力客机方案公布之后,行业内众说纷纭,有观点认为这背后潜藏着空客全面超越波音的野心。波音737MAX迟迟无法恢复生产和交付,波音777X有可能因取证问题而推迟一年交付,市场信誉严重受损,公司负债率居高不下,这些都将对波音造成沉重打击,即使恢复也不再是之前的波音。在这样的背景下,空客公司也许从中嗅到了超越波音的机遇,如果能够先于波音推出面向未来市场的新产品,也必将在未来的竞争中取得领先优势。

空客公司在9月发布“ZEROe”计划时表示,在未来的15年里,电池性能的提升可能无法满足空客的需求。正因为如此,面对新冠肺炎疫情在航空业内引起的一连串的危机,空客决定借机调整其技术路线和投资方向,在今年初果断终止了E-Fan X混合电动飞机验证机项目,同时也终止了BAE Avro RJ100混合电动飞机的下一步改装和测试,转而将氢能作为未来商用客机的主要动力能源。

在叫停E-FAN X验证机项目之前,空客已将在电动飞机领域投入了大量资金进行了超过10年的研发。2012年,空客推出了第一架全电驱动技术验证机——E-FAN,该机整合了赛峰、西门子等多家大公司的先进技术,在当时引起了巨大的轰动,很多人将其视为空客即将发展电动客机的风向标。2015年的巴黎航展上,升级版的双座型E-FAN2.0问世,空客同时宣布将利用在E-FAN项目上取得的技术成果,加快混合电推动支线客机的研制(不超过100座级),并计划在2050年投入市场。

在这之后的两年里,空客在纯电推动和混合电推动方面一度有过摇摆,最终将技术路线确定为混合电推动,E-FAN项目升级为E-FAN X。而随着西门子、罗罗等公司相继加入E-FAN X项目,空客混合电推动客机可谓前景可期。2019年,罗罗公司收购了西门子公司的混合电推进航空动力业务,与空客一到成为E-FAN X项目的两大合作伙伴。

之后不久,空客和罗罗达成协议,在BAE系统公司RJ100支线客机的基础上换装一台2兆瓦电动机,进行混合电推动支线客机技术验证,其中空客负责飞机的设计、改装和测试,罗罗负责发电机、配电系统、电机以及辅助动力系统等试验和测试。

所以,在E-FAN X项目被叫停之前,改装之后的RJ100已经进行了大量的试飞,按照计划将在接下来换装罗罗的混合电推进动力系统进行时首飞。就在这时,空客突然对外宣布叫停E-FAN X项目,5个月之后,氢能源客机项目出台。

“环球氢能”,会成为什么角色?

提到空客的氢能源客机项目,不能不提到一个人,他就是空客前首席技术官保罗·埃里蒙科。

2015年到2017年底,埃里蒙科一直在空客工作,曾主导创立了空客位于硅谷的创新部门——Acubed,并担任首席技术官。2018年1月,他担任联合技术公司(2019年6月与雷神公司合并,之后更名为雷神技术公司)高级副总裁兼首席技术官。2019年9月,埃里蒙科离开雷神技术公司,之后与乔·高登、约翰·保罗·克拉克以及贾森·蔡一起在洛杉矶创立了环球氢能公司,开始探索建立应用于航空领域的氢能生产和供应的产业链和商业模式,解决氢能源在航空应用方面的障碍。之所以要创立环球氢能,用埃里蒙科的话说,长期以来他一直没有看到大型的航空航天公司在推动诸如氢推进之类的重大技术变革方面有实质性的举措。

显然埃里蒙科的话有点绝对,在过去的几十年里,人们在探索将氢能源用于航空领域方面,一直都没有停下脚步。氢的单位质量能量密度是传统航空煤油的3倍,但是单位体积的能量密度却要低得多。所以,用氢作为航空燃料,首先要解决的就是燃料在机身上的携带和存储。

世界上第一架使用液态氢为燃料的飞机是苏联的图-155。图-155是1988年图波列夫设计局在一架图-154民航客机上改进的,用作替代燃料试验平台。1988年4月,图-155实现首飞,动力系统是改进后的NK-88发动机,最初使用液态氢作为燃料,低温燃料箱位于后机身的专门隔舱中。

在试飞了一段时间之后,图-155 开始使用液化天然气作为燃料,至苏联解体时总计飞行了大约100个航班。苏联航空部门原计划将在图-155上取得的研究成果应用在图-156(换装改进的NK-89发动机的图-155)上,但是由于苏联解体也随之取消。图-155也成为世界上第一种采用液态氢燃料的商用客机。

在美国,波音是开展航空领域氢燃料研究的先行者之一,该公司曾经为一架钻石公司的DA20飞机改装氢燃料电池动力系统,并成功进行了试飞。而世界上第一种可以用来载人的氢燃料电池动力飞机,则是德国宇航研究中心(DLR)研制的HY4混合动力飞机,该机采用双机身设计,可以乘坐4人,搭载了DLR研制的氢燃料电池总成,并于2016年9月完成首飞。

2010年,意大利都灵大学发起“燃料电池驱动城市间环保飞机”项目,基于该项目研制的Rapid 200-FC是欧洲乃至世界上第一架以气态氢为燃料的飞机,先后完成了6次飞行测试。

也许在埃里蒙科看来,上述实例更多的是探索意义,还没有进入商业阶段。如果一项创新不能实现商业上的成功,也就算不上实质性的创新。所以环球氢能公司成立之后,将其工作重心聚焦在了两个方面,即建设氢能生产和供应的基础设施,为机场供应氢能;对现有的涡桨支线飞机进行改造使其能使用氢能源,同时为其他机型提供通用化改装模块,解决产业链的最前端和最后端问题。针对上述两项主要工作,“环球氢能”公布的具体时间表与空客公司公布的时间表基本一致。

埃里蒙科和环球氢能公司的其他高层一致认为,氢是航空运输业真正实现碳中和(CORSIA,全球航空运输业碳中和方案及减排计划,旨在将国际航空运输业碳排放水平控制在2020年的水平)的唯一明确途径,而所需基础设施的复杂性仍然是影响氢能大规模应用的主要障碍。

2024,氢动力支线要上天?

在空客发布“ZEROe”3款概念飞机之前,环球氢能公司曾经发文表示,他们已经启动了一项将传统动力支线客机改为氢动力客机的计划。

环球氢能公司同时还表示,改装后的氢动力支线客机将具备出色的营利能力,并会创造一种新的商业模式,而商业模式的成功则会鼓励制造商研制以氢为能源的全新商业客机。该公司的计划是在冲8或ATR 42支线客机的基础上,通过为期改装燃料电池动力系统以及可更充式氢模块,使其成为氢能源支线飞机。

在环球氢能的改装计划中,可充式氢模块将有氢能源制造企业直接供应。在未来的商业模式中,氢能源制造企业可以替航空公司担负部分或全部的将传统动力系统改装为氢能源动力系统的改装成本,并以此来换取为航空公司长期供应氢能源。

在航空运输业中使用氢能源,最大的困难就在于基础设施。氢能源与传统航空煤油有着很大的不同,如果像传统航空煤油那样,使用船舶、卡车、管道等设施运输、储存氢能源,将需要耗费巨资对产业链上的基础设施进行改造或新建。所以,如何低成本实现氢能源的制造、运输和储存,有可能决定着氢动力客机能否真正投入商业运营。

环球氢能的解决方案是将氢燃料做成一种“干货”,并通过一种安全,快捷的运输方法提供给航空公司。这种“干货”就是可充式氢燃料模块,模块长约7英尺(2.1米),直径为3英尺(0.9米),可以携带液态或压缩气体形式的氢气,这种模块可以通过标准的货物装载设备或叉车进行运输,并通过标准的机舱货盘安装在机身后部。

据来自环球氢能公司的数据显示,在冲8或ATR 42这类级别的支线客机上,配备的压缩气体氢能源可以满足750千米航程的飞行需要,配备液态氢能源则可以满足1000千米的航程飞行需要。也就是说,在这类级别的客机上,采用氢能源将能够满足75%~95%的航程需求。

改装时,可充实氢能源模块将被安装在机身后部,所以需要拆除最后两排座椅,这将使这类级别客机的载客量减少至40~50人。但是由于氢能源的经济性,改装之后的飞机仍能保证座公里成本不增加。

在环球氢能公司将传统动力支线客机改为氢动力客机的技术方案中,储存在后机身模块中的氢能源通过机身背部的管道,将氢能源运输到两侧机翼下面的电池舱中,电池舱中安装有氢燃料电池和电动机,氢能源与氧气反应产生电能,并由电动机带动螺旋桨。所以,在环球氢能的这个改装方案中,本质上是用氢燃料模块取代了电动飞机上的电池模块。

9月15日,航空领域电动推进技术的探索者MagniX公司宣布,他们将与环球氢能公司合作,为支线该机的动力套件提供2套各2000千瓦的电力推进系统。MagniX公司公司目前正在开发德哈维兰“双水獭”和DHC2“海狸”飞机的的电动版本,加拿大一家支线航空公司有计划购买上述飞机替换现有燃油机型。

据环球氢能公司介绍,氢燃料模块的额外重量,可以通过移除后排两排座椅来平衡,铺设机身输氢管道和修改动力总成也不会导致飞机起飞重量的增加。在改装前,该公司将完成氢能源模块的跌落、爆破和漏气测试。而在NASA和汽车领域的广泛测试中,汽油的爆炸性远远超过氢气,氢气燃烧是会迅速从着火点上升而不是吞噬车辆或飞机。

如果氢燃料模块的研制和相关测试工作进展顺利,环球氢能认为在2024年首架完成改装的支线飞机就可以投入商业运营。由于改装工作主要在飞机的大修期间进行,所以环球氢能公司未来希望将改装公司交由获得适航认证的MRO公司来负责,潜在的改装市场大约在2200架左右。

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