氫是宇宙中最豐富的元素，氫能源是未來實現零碳排放、可持續發展的戰略能源，以氫燃料作為能源的氫能飛機是推動實現航空領域碳達峰、碳中和（“雙碳”）目標的重要形式之一。

氫作為清潔能源，所產生的推力是航空煤油的3倍，但所釋放的二氧化碳量為零，氮氧化物也為超低排放，具有污染小、安全可用等優點，成為了實現航空“脫碳”的重要手段。

2024年3月，國務院發布的《推動大規模設備更新和消費品以舊換新行動方案》也賦予了氫能綠色航空設備任務。

那么什么是氫能飛機？氫能飛機有哪些種類？氫能飛機發展到現在到了什么階段？氫能匯（微信公眾號：h2-2005）下面為您詳細介紹一下。

氫能飛機的定義

氫能飛機是一種使用氫氣作為主要動力源的航空器。這種飛機通過氫燃料電池或氫內燃機等技術，將氫轉化為電能或熱能，從而驅動飛機飛行。

氫燃料用作航空動力有兩種基本途徑：一是通過對傳統渦輪發動機進行改進，使其能夠燃燒氫燃料；二是通過氫燃料電池發電，由電機帶動推進器（風扇或螺旋槳）產生動力。

氫能飛機的設計旨在減少傳統航空業中的碳排放，實現更環保的飛行方式。與傳統的航空燃料相比，氫能具有零碳排放高效、清潔、可持續的特點。

氫能飛機的關鍵技術

氫能飛機的關鍵技術主要包括以下幾個方面：

（一） 機身技術

氫能飛機與傳統燃油飛機的主要區別是：① 傳統飛機多采用機翼油箱以充分利用機翼空間并降低翼載荷，但氫能飛機氫燃料的儲氫裝置（高壓氣態或液態）是壓力容器或絕熱容器，加之氫密度低、儲氫裝置占用體積大，無法采用機翼油箱布局；② 液氫必須氣化后才能用于航空發動機，而發動機自身、壓氣機引氣及滑油有著冷卻需求，需要進行有效的能量管理。

（二） 液態儲氫罐

液態儲氫罐的絕熱結構應具有輕質結構、低傳熱特性，才能適應長時飛行中的增壓要求，相應絕熱系統方案分為主動和被動兩種。大氣成分中的所有氣體都會在液氫溫度下凍結，應抽盡絕熱系統中的空氣。主動系統需要利用惰性氣體或者泵裝置以保持真空狀態。

對于整體式、非整體式液態儲氫罐設計，均采用一體式結構以盡量減少潛在的泄漏源。液態儲氫罐的主體結構設計主要考慮絕熱方式、支撐結構、安全附件等因素，制造工藝主要涉及焊接、探傷、套管等；相應試驗主要從氣密、耐壓、低溫沖擊等角度考慮，以確保液態儲氫罐從設計、制造到出廠檢驗的全過程安全。

（三） 氫燃料電池

氫燃料電池具有高效率、高比能的特點，是氫能通用飛機或氫能通勤飛機的良好能源形式。相應系統主要包括：燃料電池堆、氫氣供應系統、空氣供應系統、水熱管理系統、電源管理控制系統。高性能氫燃料電池研發，主要涉及高性能催化劑、增強復合膜、高性能低鉑膜電極、耐蝕薄層金屬雙極板、高比功率電堆、耐低溫系統集成、質子交換膜高效電解水制氫等技術環節。

（四） 氫燃料渦輪發動機

1. 氫燃料增壓泵研發

氫燃料增壓泵應具有長壽命、高可靠、可維護、高效率特點，一般設計為可更換單元。增壓泵工作溫度極低，其軸承需適應低溫環境。液氫被增壓到3.172×105 Pa，后通過燃料管（帶閥門）輸送到高壓泵；即使在最小流量條件下，液氫也應獲得足夠的升壓。考慮到液氫的潤滑性很差，具有較低潤滑要求的離心泵是最佳的候選方案，工作范圍較寬且失速特性良好。增壓泵應基于燃料控制能力進行設計，多采用三級變速方式，因而直流電機驅動是優選。增壓泵各個零件的平均故障間隔時間>2500 h，大修間隔時間>8000飛行小時，存放期>5年，具有立即可用的能力。

2. 熱交換器研發

液氫發動機的熱交換器一般安裝在渦輪后支撐支柱來實現熱交換，也可放置在噴管的內表面，起到的作用有：進入燃燒室之前的液氫燃料氣化、發動機滑油冷卻、壓氣機引氣冷卻、渦輪葉片冷卻。液氫燃料由液氫增壓泵加壓后送入熱交換器，液氫在熱交換器中氣化，溫度和壓力迅速升高，故熱交換器主要控制溫度、壓力、流量等參數。

3. 氫燃料燃燒室設計

氫的燃料特性不同于傳統燃油，如直接使用傳統燃燒室，由于燃料噴射點的數量有限導致氫燃料和空氣的混合往往不充分；大規模的氫擴散火焰形成高的局部溫度，造成NOx快速生成，也將阻礙氫氣與空氣的進一步混合。為此，氫燃料的燃燒室需要重新設計。減少NOx排放的主要方式有：降低火焰溫度、消除反應區的熱點、減少火焰區的持續時間與暴露時間。通常采用貧氫預混燃燒室設計方案，以提高燃燒室溫度均勻性、減少NOx的生成。為了避免預混可能的早燃燒、回火危險而導致發動機結構損壞以及可靠性降低，基于微型擴散燃燒理論、具有微混合燃燒特征的非預混合方案也受到關注。

4. 氫脆

氫脆主要是由電鍍工藝中攜帶的金屬出現“氫化”現象而導致的，對于鐵、鎳、鈦、鈷及其合金能夠顯著發生，而對于銅、鋁、不銹鋼不發生。氫脆作為一種通用現象，可能顯著降低氫燃料渦輪發動機的的工作壽命。在發動機結構中，需要減少金屬中滲氫的數量，采用低氫擴散性、低氫溶解度的鍍涂層，在鍍前去應力、鍍后去氫，以防止氫脆的發生。

（五） 氫燃料航空內燃機

1. 燃燒系統高動力及異常燃燒控制

氫氣作為燃料燃燒時，具有火焰傳播速度快、點火能量低的特點，使得實際做功循環更接近等容循環。等容燃燒使得升功率過高、燃燒“粗暴”且不可控，伴生了振動噪聲、熱負荷偏高等問題。當發動機需要達到更高的升功率時，通常采用較濃的混合氣，則更容易出現回火、早燃、爆震等異常燃燒現象。應針對燃燒系統高動力及異常燃燒控制等，盡快開展深入研究。

2. 缸蓋結構設計

在內燃機缸內的燃燒速度方面，氫氣是汽油的7~8倍。氫氣缸內燃燒的最大爆發壓力進一步升高且壓力升高率劇增。氫燃料內燃機缸蓋在交變機械載荷與高熱負荷耦合作用下發生變形，面臨疲勞壽命問題，給缸蓋的強度、冷卻、可靠性設計帶來挑戰。應針對高爆壓缸蓋結構設計，開展理論、技術與應用研究。

3. 電子控制系統（ECU）開發

ECU控制系統是氫燃料內燃機上各類控制策略的載體，在樣機開發到工程應用的過程中都是動力系統的核心零部件。針對氫氣的傳輸和燃燒特點，開發匹配的控制策略，配置可靠的執行機構，支持各類工況下氫燃料內燃機的穩定與高效運行。自主開發氫燃料內燃機ECU較為迫切。

4. 低壓大流量噴嘴設計及樣件試制技術

動力系統是整機的核心，而噴射裝置是動力系統的核心。對于氫燃料內燃機而言，噴射裝置能夠影響噴氫的開啟及結束時刻，約束缸內混合氣的質量，從而涉及各缸、各個循環之間的一致性，氫燃料內燃機的動力性、經濟性和可靠性。低壓大流量噴嘴設計，適應壓力較低工況，可更加充分地使用儲氫罐中的氫氣。需要深入開展氫燃料內燃機的噴嘴設計及試制，實現氫燃料內燃機高功率、高效率、高可靠性等綜合性能。

（六） 氫能飛機安全與適航技術

氫燃料以及儲氫裝置與傳統的燃油特性截然不同，導致氫能飛機的安全與適航面臨新的挑戰，涉及安全風險識別、安全設計要求、安全性驗證、安全性評估等方面。氫燃料的飛機應用可能面臨安全風險，需要識別氫能飛機的典型失效風險模式，建立氫能飛機安全性規章要求。發展氫燃料發動機安全性驗證技術，支持氫燃料發動機安全工作邊界及安全性判據構建。發展氫能飛機系統安全性評估技術，將氫能飛機的安全水平提升至工程應用可接受層次。建立氫燃料發動機、氫能飛機的適航標準與符合性驗證方法。

（七） 氫燃料加注基礎設施

氫能飛機的規模化應用離不開氫燃料基礎設施，主要包括氫能的生產、儲存、運輸、加注等基礎設施。其中，加注基礎設施是釋放氫能航空應用潛力的關鍵因素，需要解決在盡量短的時間內加注氫燃料、飛機的停場時間、加注過程安全性及經濟性等問題。在近期，重點提出新的加注策略并形成配套技術，制定專門的氫能加注安全措施，審查與傳統燃油加注并行作業的潛在影響；在中長期，突破機場安裝大規模液氫供應及液化裝置相關的成套技術。

這些關鍵技術共同構成了氫能飛機的動力系統，使其能夠在空中高效、環保地運行。

氫能飛機的種類

氫能飛機類型多樣，涵蓋了不同的應用場景和技術特點。以下是幾種主要的氫能飛機類型：

（一）氫燃料飛機：這些飛機依賴于使用氫作為燃料的噴氣式動力發動機，液態或氣態氫在燃氣渦輪發動機中燃燒以產生推力。具有代表性的是：CL-400 “黝黑”飛機。“黝黑”是美國空軍在20世紀50年代開展的一個計劃，旨在開發一種使用液氫燃料的高空高速戰略偵察機。該計劃是在萊特空軍發展中心的支持下進行的，液氫動力雷克斯發動機是該計劃的核心。

（ “黝黑”圖來源翁瑋譯《臭鼬工廠：75年尖端飛行器研發圖史》）

（二）氫燃料電池飛機：氫用于在燃料電池內發電，然后作為電力推進來轉動螺旋槳。這可能用于小型飛機。具有代表性的是：2021年11月，巴航工業推出Energia飛機系列研發計劃，包括兩種氫動力機型。

(圖片來源：海空科訊)

E19-H2FC飛機將于2035年推出，采用氫燃料電池推進，最多可搭載19名乘客，具有零二氧化碳排放。

(圖片來源：海空科訊)

E50-H2GT飛機計劃在2040年投放市場，將采用純氫或SAF/傳統JetA油料均適用的雙燃料渦輪發動機推進，能夠容納35-50名乘客，最多可減少100%二氧化碳排放。

（三）二者結合，氫氣渦輪機和氫燃料電池系統的混合系統可以兼具渦輪發動機的高功率與燃料電池系統的高效率以及受氣候影響較小。例如：空客Zeroe氫能飛機和Zeroavia公司氫燃料商用飛機。空客公司設立了到2035年開發世界上第一架零排放商用飛機的目標。2020年9月，空客在行業內發布了3款代號為ZEROe的氫能源概念飛機，分別為渦扇氫混合動力、渦槳氫混合動力和翼身融合氫混合動力。通過氫燃燒由改進的燃氣渦輪發動機提供動力，使用液氫作為燃料，同時使用氫燃料電池產生補充電力，從而形成高效的混合動力推進系統。

  (圖片來源：海空科訊)

渦扇氫混合動力型：使用兩臺氫燃料渦扇發動機，液氫儲罐位于機翼下方，預計能搭載120-200名乘客，航程為3700公里左右。渦槳氫混合動力型：使用兩臺氫燃料渦槳發動機，液氫儲存和分配系統位于后增壓艙，搭載乘客約100名，適用于短程飛行市場。翼身融合型：采用“翼身融合”設計，最多可搭載200名乘客，航程與渦扇概念機相似。Zeroavia公司氫燃料商用飛機，HyFlyer項目試飛機是一架六座Piper M350飛機，使用燃料電池和電動機。2020年7月，美國氫能航空公司ZeroAvia宣布完成了當時全球最大的氫動力飛機的第一階段試飛。這是該公司推進的HyFlyer項目的一部分。試飛驗證機是一架六座Piper M350飛機，6月在英國克蘭菲爾德機場完成了首飛，2021年4月墜毀。

 (圖片來源：海空科訊)

這些飛機類型代表了氫能技術在航空領域的多種應用，每種型號都有其獨特的設計和用途，旨在滿足不同的航線需求和乘客容量。

氫能飛機的優點

氫能飛機作為一種綠色交通工具，具有許多顯著的優點。以下是氫能飛機的主要優點：

高能量密度和長航程潛力

氫能源具有較高的能量密度，這意味著在相同的質量和體積限制下，氫能源能夠儲存更多的能量。這對于飛機這種需要長途飛行的交通工具來說，是一個關鍵優勢。例如，一些大型氫能源飛機概念設計中，憑借氫燃料的高能量密度，有望實現洲際飛行而無需頻繁中途加油，大大提高了航空運輸的效率和便捷性。

快速加注

氫能源飛機在加注氫燃料時，其加注速度相對較快。特別是液態氫的加注過程，如果基礎設施完善，可以在較短的時間內完成加注，類似于傳統航空燃油的加注過程。這對于航空公司的運營效率至關重要，能夠減少飛機在地面的停留時間，提高飛機的利用率。

可提供高功率輸出

氫能源飛機可以通過氫渦輪發動機或者氫燃料電池 - 電動混合動力系統來提供強大的動力。氫渦輪發動機在技術成熟后，能夠提供與傳統燃油渦輪發動機相當甚至更高的功率輸出，這對于大型飛機的起飛、爬升和高速巡航等性能要求至關重要。

零碳排放

氫能源飛機燃燒氫氣產生的主要是水，也是清潔的能源。這對于減少航空業對環境的影響，特別是在城市和環境敏感地區的飛行，具有重要意義。

長航程飛行

氫能源飛機的高能量密度使得它在長航程飛行方面具有明顯的優勢，能夠覆蓋更廣泛的航線網絡。

動力和負載潛力大

氫能源飛機在動力和負載能力方面有更大的發展潛力，能夠適應更大型飛機的需求。這些優點使得氫能飛機成為未來航空領域的一個重要發展方向，尤其是在推動航空業向更環保、高效的方向發展方面展現出巨大的潛力。

氫能飛機存在的問題

氫能源未來將以替代燃油的方式率先在交通運輸系統中獲得規模化應用，航空業將是代表性領域，但以氫能為動力源實現航空領域綠色發展仍面臨諸多挑戰。具體在以下幾個方面：

存儲和運輸技術要求高

氫氣的存儲需要特殊的低溫、高壓條件。液態氫需要在極低的溫度下保存，這對存儲容器的絕熱性能要求極高。同時，氫氣的運輸也面臨挑戰，無論是通過管道運輸還是車載運輸，都需要特殊的設備和安全措施，以防止氫氣泄漏和爆炸。

大規模建設成本高且難度大

要實現氫能源飛機的廣泛應用，需要建設龐大的氫燃料生產、儲存和加注基礎設施。建設氫燃料生產廠需要高額的投資，并且需要解決氫氣的來源問題，如通過水電解制氫需要大量的電力資源。同時，在機場建設氫燃料加注設施也面臨諸多技術和安全規范方面的挑戰。

制氫和設備成本高昂

目前，制氫成本較高，特別是綠色制氫（如水電解制氫）需要大量的電能，導致氫氣的生產成本居高不下。此外，氫能源飛機所需的特殊設備，如氫渦輪發動機、液氫儲存罐等，研發和制造成本也很高，這使得氫能源飛機的總體成本遠遠高于傳統燃油飛機。

氫能飛機噪音大

氫能源飛機雖然也有可能通過優化發動機設計等方式降低噪音，但由于其涉及到氫的燃燒或者燃料電池 - 電動混合動力系統的復雜運行，在噪音控制方面可能面臨更多的挑戰。

我國氫能飛機發展現狀

隨著全球范圍內對氫能飛機關注度的持續提升，我國氫能航空領域興起了新一輪研究熱潮，相關工作集中在氫能航空和氫能飛機發展態勢、低碳減排、商業化運行探討等方面。那我國氫能飛機發展現狀是什么呢？我國與國際上氫能飛機發展趨勢同步，氫能飛機研發工作正在展開，形成了①遼寧通用航空研究院（氫燃料電池飛機技術攻關）、②北京航空航天大學（燃油渦槳發動機PT6的氫燃料改型論證）、③中國航天科技集團有限公司第六研究院第一〇一研究所（氫制取/液氫生產和存儲、輕質高效液氫燃料儲裝置）等優勢研究機構，綜合技術水平接近國際先進，同時，④中國科學院大連化學物理研究所、⑤中國商飛、⑥沈陽航空航天大學、⑦北京理工大學也在氫動力航空領域開展相關的研究。

2017年，沈陽航空航天大學、中國科學院大連化學物理研究所聯合研制了我國首架2座氫燃料電池試驗機并完成試飛。

（氫燃料電池試驗機 圖片來源：雙碳領航）

2023年，沈陽航空航天大學研制的4座氫燃料內燃機飛機（搭載了2 L氫燃料內燃機）完成首飛，成為我國首架以氫內燃機為動力的通航飛機；飛機采用上單翼、低平尾、前置螺旋槳、前三點式不可收放起落架的總體布局，翼展為13.5m，機長為8.2m，巡航速度為180km/h，留空時間>1 h；攜帶的高壓氣態儲氫為4.5kg，氫內燃機最大熱效率>43%、綜合熱效率>40%。

（4座氫內燃機飛機驗證機 圖片來源：雙碳領航）

2019年，中國商飛北京民用飛機技術研究中心研制的“靈雀H”燃料電池驗證機完成首飛，標志著民機主制造商在新能源飛機探索方面的實質性進展。驗證機采用氫燃料電混合動力，旨在驗證以氫燃料電池為主、鋰電池為輔的混合動力技術在飛機上應用的適當性。

（“靈雀H”燃料電池驗證機 圖片來源：雙碳領航）

氫能飛機產業鏈

氫能飛機在航空領域應用前景廣泛。發動機和燃料可看作飛機的心臟和血液，該領域的顛覆性發展將深刻變革未來航空形態。隨之而來也帶動了氫能飛機產業鏈發展。

燃料電池產業鏈

現階段，相關科研院所對氫動力航空燃料電池進行研發，成功的應用于氫動力航空飛行器，典型代表為中國科學院大連化學物理研究所。

2017年1月，由中國科學院大連化學物理研究所制造的20千瓦燃料電池系統提供動力的國內首架載人燃料電池飛行器已經完成了它的首次成功試飛，這一成就代表著中國在航空領域燃料電池技術上實現了重大突破，并成為繼美國和德國之后，全球第三個掌握該領域技術的國家。

氫內燃機產業鏈

現階段，氫內燃機產業鏈尚處于萌芽階段，一汽集團開啟我國氫動力飛機內燃機生產先河，其生產的內燃機是基于“紅旗”汽油機研發的國內首款2.0L零排放增壓直噴氫內燃機，最大熱效率>43%、綜合熱效率>40%，于2024年1月完成首飛的由沈陽航空航天大學研制的全球首款新能源四座氫能飛機RX4HE原型機（120kW）的內燃機來源于一汽集團。

儲氫裝置

儲氫瓶是氫能飛行器的核心部件之一，既是壓力容器，也是絕熱容器，需采用輕量化的材質。目前中國航天科技集團有限公司第六研究院第一〇一研究所在輕質高效液氫燃料儲氫裝置開展研究、哈爾濱工程大學和佛吉亞斯林達安全科技(沈陽)有限公司在高壓氣態儲氫裝置開展研究。

氫能飛機體產業鏈

氫動力機體分為乘用機機體、無人機機體。現階段，中國乘用機機體尚處于示范驗證階段，還沒有實際應用于民用航空領域。

素材來源：香橙會研究院 雙碳領航 海空科訊等