中国航空报讯：据复合材料世界网站消息，空客公司正在开发一种氢动力燃料电池发动机。这套推进系统被认为是空客计划于2035年投入市场的ZEROe零排放飞机的潜在动力解决方案之一。空客将氢能确定为最有前途的零排放飞机动力替代燃料之一，因为它从可再生能源中产生时不排放二氧化碳，而消耗后产生的水是其最重要的副产品，没有任何污染和碳排放。

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空客将在未来十年中的某个时间点，开始在ZEROe验证机上对这种燃料电池发动机进行地面和飞行测试。为测试新型氢能源技术而准备的空客A380 MSN1试验平台目前正在进行改装，以携带液态氢（LH2）储罐及其相关系统组件。

液态氢储罐研发工作正在推进

液态氢是一种推进技术燃料解决方案。为实现安全上机，空客正在开发金属液态氢储罐。这项工作正在空客零排放开发中心进行，可支撑并推动空客实现2035年让ZEROe飞机投入使用的目标。

为了支撑未来航空业低碳、零碳发展，复合材料厂商们也在持续努力。位于荷兰的东丽先进复合材料公司（TAC，前身为荷兰昙卡先进复合材料公司，于2018年被日本东丽收购）于2021年12月宣布组建荷兰液态氢复合材料储罐项目联合攻关体。这个为期45个月的研究项目由荷兰研发机动性（RDM）基金资助，旨在开发一种长寿命、用于民用航空的全复合材料液态氢储罐，最终目标是全力支撑零排放飞机取得成功。理想情况下，全复合材料带来的轻量化和可靠的力学性能设计，能够为气态和液态氢提供更好的贮存装置，并显著降低成本，但目前的技术仍然需要进一步创新，以适应航空领域发展与应用需要。对于单通道商用飞机来说，压缩氢气的能量密度不足以支撑飞机所需的航程，只能通过贮存温度在20K（约-253℃）的液态氢来实现燃料供给。

据此，TAC和荷兰航空航天研究院（NLR）启动了复合材料液态氢储罐的研发工作，并与空客公司进行了详细讨论。最终联合团队于2021年10月获得了项目融资。2022年1月正式以联合攻关团队形式开始各项工作的推进。

该联合团队包括14个企业和科研机构，全部位于荷兰，从事的专业横跨整条复合材料储罐供应链。TAC是项目牵头负责方，作为材料供应商在热固性和热塑性复合材料方面具有强大专业实力。代尔夫特理工大学已经与NLR合作，共同负责测试合作伙伴Cryoworld公司制造金属液态氢储罐。此外，该项目还与主要行业原始设备制造商保持密切协调沟通，包括空客、巴西航空工业公司和美国ZeroAvia公司，以便研究团队能够明确了解用户的工况条件和需求，使得开发的储罐能够满足上机要求。

储罐的材料选用、制造技术与试验测试

NLR高级复合材料科学家表示，已经建立了额外的设施来测试复合材料在20K温度条件下的性能表现，重点关注复合材料能否抵抗产生微裂纹以及防止氢通过层压板渗透。此前，研究人员已经从阿丽亚娜6号运载火箭发动机的燃料系统保障工作中获得了经验，但当时的工作温度约为80K。虽然目前研究人员主要测试的还是针对热固性复合材料，其目的是为后续测试工作建立性能参考标准。在飞机中使用的复合材料储罐将主要基于热塑性材料开发，这也是TAC 最为擅长的专业领域。诸如聚芳醚酮、聚醚醚酮、聚醚酮酮等在极低温度下能够产生半结晶等有趣特性，此外，热塑性复合材料还具有较好的焊接潜力。与传统通过使用金属密封配件相比，可焊接特性为储罐管路系统连接提供了更简单的工艺方法。

完成全部测试工作将耗时18个月。从已经完成的测试结果看，最终目标的实现仍然很有希望。在渗透性测试中，使用碳纤维增强环氧树脂缠绕在未增强尼龙或高密度聚乙烯衬里上作为渗透屏障，已经在IV型压缩气体氢储罐中实现成功，如何在液态氢能储罐中取得成功是工作重点。从耐低温性能上看，复合材料已能够经受住储存-269℃液态氦。面临的一个关键问题是一旦结构产生微裂纹，就会发生氢渗透。层压板和材料结构越均匀，热应力越低，从而能够实现更好的机械性能。项目中的交付成果之一就是测试由丝束展开碳纤维制成的薄层材料，由于薄层数量增加，理论上能够提高结构的均匀性。研究人员还在进一步研究其中的影响因素，包括纤维类型、树脂浸润等，进一步测试的工作仍在继续。

在制造技术方面，GKN Fokker公司将专注于液态氢储罐的预浸带缠绕工艺，开展工业化和低成本技术研究。而NLR正在考虑更多地使用自动纤维铺放（AFP）技术，以此可以更容易地生产更均匀的材料结构。但过程控制和后期固化都面临较大困难。

储罐的设计挑战项目最终将生产一个配备传感器和辅助系统的全复合材料演示验证储罐，通过热循环和负载循环测试，评估其性能和耐久性。研究人员将制造一个小型储罐，容量约为80升，可更经济地重复填充液态氢。内罐和外罐的设计和制造将由NLR完成。

其中，外罐更像是一个保护壳，必须能够承受飞机着陆载荷和FAA要求的典型碰撞载荷，但它还必须通过飞机油箱和设备的火焰、烟雾和毒性（FST）防护要求，但不必像内罐那样考虑应对极低的温度环境和氢渗透。内罐另一个需要注意的关键问题是需要设计挡板来防止液体燃料晃动，并且挡板须连接到罐壁和端部圆顶。这导致浸没在低温燃料中的部件和内罐壁上与外部环境温度接触的部件之间存在较大温度差。接触内罐和外罐的燃料提取和汽化设备也面临同样的问题。

对于全复合材料储罐来说，按照适航要求还必须具备防火性，但对于大部分低温储罐来说，要求还不止于此，因此必须考虑使用不同材料，同时还要兼顾满足约10年的使用寿命要求，保持真空度和绝缘性。此外，研究人员必须与作为监管机构的EASA就安全适航性要求进行详细咨询，并依托技术更成熟的金属储罐树立设计基线。

氢动力系统的研发进展与未来计划

ArianeGroup公司将设计、生产和支持空客ZEROe验证平台开展其地面和飞行测试活动所需的液态氢燃料系统运行。空客认为现阶段的工作重点是同时推动所有必需的技术尽快成熟，为到2035年零排放飞机投入使用做好充分准备。ArianeGroup公司还是“阿丽亚娜”运载火箭的主要承包商，该运载火箭已经实现由液态氢提供燃料动力，并拥有了超过了40年的成功经验。

目前有两种主流方法可以将氢能用作飞机推进的动力源。一种是直接通过燃气轮机中的氢气燃烧产生能量；另一种是使用燃料电池将氢气转化为电能，为螺旋桨发动机提供动力。氢能涡轮机也可以直接与燃料电池相结合，而不再是混合动力架构中使用的纯电池。一段时间以来，空客公司一直在探索航空燃料电池推进系统的可能性。2020年10月，空客与ElringKlinger成立了一家合资企业Aerostack，其中ElringKlinger作为燃料电池系统和组件供应商拥有20多年的经验。2020年12月，空客曾展示了其全新设计的概念吊舱，其中包括六个可拆卸燃料电池螺旋桨推进系统。氢燃料电池，尤其将其堆叠在一起使用时，可增加功率输出，从而实现其可扩展性。此外，由氢燃料电池驱动的发动机可以实现零氮氧化物排放，从而带来额外的脱碳效益。空客公司零排放飞机副总裁Glenn Llewellyn表示，燃料电池是帮助公司实现零排放目标的潜在解决方案。空客正专注于开发和测试这项技术，以了解它是否具有可行性。从应用效率和规模上分析，如果技术目标得以实现，燃料电池发动机将能够为一架运载100名乘客的飞机提供动力，其航程约为1000海里（1852千米）。通过继续投资这项技术，公司将为未来提供更多选择。这些选择将为ZEROe飞机的架构决策提供重要信息。空客公司预计在2027年至2028年间正式推出这款零排放飞机。

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