A380将成为首款搭载氢燃料发动机的大型飞机

2月22日,空中客车与CFM国际公司签署协议,双方将于2025年前后启动一项氢动力演示项目。

该项目旨在对氢燃料发动机进行地面测试和试飞,为零排放飞机在2035年以前投入服役做好准备。该项目将使用一架A380(MSN1)作为试飞平台,搭载由空客研发的液氢罐,并在巡航阶段对氢燃料发动机进行测试。空客还将负责制定对氢推进系统的要求,并监督试飞过程。

氢燃料测试即将进入实质性阶段

这架A380机身内将安装4个液氢罐,共携带400千克液氢,并配备可将氢燃料输送到发动机的燃料分配系统。飞机驾驶舱中,将安装额外的推力控制系统和用于监控性能的专用显示器,以管理氢发动机的推力。机上还将安装收集数据的传感器,相关数据可传回地面。这架A380计划在2026年开始试飞。

氢燃料发动机采用GE Passport发动机改装而来,将针对氢燃料改造燃烧室、燃料系统和控制系统。它将被安装在A380的后机身段,以便对发动机的排放(包括尾迹)进行监测,同时,可以与飞机本身的发动机排放进行对比。

监测目标包括氮氧化物和水蒸气的排放量。氢燃料产生的水蒸气是传统碳氢燃料的三倍,因此飞行中将收集相关数据,以表征不同大气条件对凝结尾迹形成的影响。

低温的氢燃料分配系统将需要新研发的燃料泵、管道、密封件和材料,还需要新型热交换器,将液氢转化为气态氢。该热交换器比传统的飞机热交换器具有更高的温差和压力。

氢气的燃烧速度比喷气燃料快10倍,因此这将需要新技术来控制火焰并稳定燃烧。因此在高空对氢燃料发动机进行点火将是A380飞行测试的关键项目之一。

氢气的燃料比碳氢燃料的温度更高,因此,改进过的Passport发动机将需要新材料和涂层,燃烧室涡轮的冷却机制也需要重新设计。此外,更高的温度会产生更多的氮氧化物,因此试飞将研究如何最大限度地减少其排放。

对于CFM来说,氢燃料的相关的工作隶属于该公司的RISE计划。该计划于2021年6月启动,旨在展示一套用于未来超高效动力装置的技术,包括开式转子发动机等。虽然RISE计划面向净零碳排放,并不是完全针对氢燃料发动机,但CFM将氢能视为未来碳减排的必要路线之一,因此他们提前介入,使未来飞机动力系统能够使用SAF和氢。

CFM与空客均希望落实他们在2021年10月签署的“航空运输行动小组”目标文件,即通过按照既定时间表,开发和测试零排放飞机技术,致力于实现2050年实现航空业净零碳排放的目标。

空客在氢能方面的研究

2020年6月,法国和德国政府都实施了大规模的航空工业救助计划,同时兼顾艰巨的环保任务。通过18个月的努力,欧洲航空业已经普遍认为氢将成为未来大多数商用飞机的燃料。

为实现2035年服役的目标,空客正在研究至少4种概念架构。2020年9月,空客以“ZEROe”命名了3款概念机,其中2款采用传统的“圆筒机身+机翼”设计,使用涡桨或涡扇发动机,第3款采用翼身混合布局。这3款飞机的都采用氢作为涡轮发动机的燃料,并带有电力驱动功能。2020年末,空客推出的第4款氢动力概念机,使用燃料电池为动力。

空客在2020年9月推出的ZEROe的翼身融合体构型。

在上述几种构型中,翼身融合体概念可能是最具创新性和最具未来感的。因为这种构型具有更大的内部空间,因此特别适合应用氢能动力。在刚刚结束的新加坡航展上,空客就展示了翼身融合体概念的最新模型,这个模型与空客在2020年9月发布的ZEROe翼身融合体概念有所不同。

在2022年的新加坡航展上,空客推出的改进版翼身融合体模型,其发动机布局和机翼细节有所变化。

在2020年9月空客正式发布ZEROe概念时,当时该翼身融合体采用了沿后缘的分布式混合电力推进系统。而在新加坡,新模型则采用两台外置双发喷气发动机,更类似于空客在2019年推出的BWB模型。这个BWB模型称为Maveric,主要用于验证飞翼布局的控制系统和机场兼容性的问题,采用了外置双发布局。

2018年新加坡航展空客的Maveric模型。

当然,空客也明白,这样的构型实现的难度很大。虽然有利于储氢,但需要改变飞机现已高度成熟的结构,这对于认证和运营不利,因此,不太可能成为氢动力飞机的首种构型。

另一个挑战可能涉及氢能的直接运营成本,采用这种方式会真有商业竞争力吗?空客并没有隐瞒氢能在早期运营阶段不经济的实际情况,并主张政府进行补助以帮助氢能的应用推广。对此,空客CEO傅里曾明确表示,未来很长一段时间内,远程宽体机都需要使用可持续航空燃料(SAF),当航程和飞机尺寸增加时,动力系统复杂性也会螺旋上升。所以,氢能在大型飞机上的应用还需要时间。

从全球角度来看,空客表示需要对此类新技术进行国际监管,避免飞机只能在世界某个特定地区销售的情况,而这需要国际民航组织(ICAO)制定行业规则。

关键词: 发动机的

来源:国际航空
编辑:GY653

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