三、氢能飞机关键技术分析
1.氢能飞机总体设计/氢能飞机与传统燃油飞机的主要区别是：

① 传统飞机多采用机翼油箱以充分利用机翼空间并降低翼载荷，但氢能飞机氢燃料的储氢装置（高压气态或液态）是压力容器或绝热容器，加之氢密度低、储氢装置占用体积大，无法采用机翼油箱布局；

② 液氢必须气化后才能用于航空发动机，而发动机自身、压气机引气及滑油有着冷却需求，需要进行有效的能量管理。因此，热管理系统、氢储装置需要与飞机结构及功能进行一体化设计，主要有改进型、创新型两种技术路径：前者简单调整机身以容纳储氢装置，利于氢能飞机尽快投入使用；后者采用全新构型，需要进行大量的数值分析和风洞试验，以实现优化的飞机总体方案与结构布局。

2.液态储氢罐:液态储氢罐的绝热结构应具有轻质结构、低传热特性，才能适应长时飞行中的增压要求，相应绝热系统方案分为主动和被动两种。大气成分中的所有气体都会在液氢温度下冻结，应抽尽绝热系统中的空气。主动系统需要利用惰性气体或者泵装置以保持真空状态;对于整体式、非整体式液态储氢罐设计，均采用一体式结构以尽量减少潜在的泄漏源。液态储氢罐的主体结构设计主要考虑绝热方式、支撑结构、安全附件等因素，制造工艺主要涉及焊接、探伤、套管等；相应试验主要从气密、耐压、低温冲击等角度考虑，以确保液态储氢罐从设计、制造到出厂检验的全过程安全。

3.氢燃料电池:氢燃料电池具有高效率、高比能的特点，是氢能通用飞机或氢能通勤飞机的良好能源形式。相应系统主要包括：燃料电池堆、氢气供应系统、空气供应系统、水热管理系统、电源管理控制系统。高性能氢燃料电池研发，主要涉及高性能催化剂、增强复合膜、高性能低铂膜电极、耐蚀薄层金属双极板、高比功率电堆、耐低温系统集成、质子交换膜高效电解水制氢等技术环节。

4.氢燃料涡轮发动机
1) 氢燃料增压泵研发:氢燃料增压泵应具有长寿命、高可靠、可维护、高效率特点，一般设计为可更换单元。增压泵工作温度极低，其轴承需适应低温环境。液氢被增压到3.172×105 Pa，后通过燃料管（带阀门）输送到高压泵；即使在最小流量条件下，液氢也应获得足够的升压。考虑到液氢的润滑性很差，具有较低润滑要求的离心泵是最佳的候选方案，工作范围较宽且失速特性良好。增压泵应基于燃料控制能力进行设计，多采用三级变速方式，因而直流电机驱动是优选。增压泵各个零件的平均故障间隔时间>2500 h，大修间隔时间>8000飞行小时，存放期>5年，具有立即可用的能力。
2) 热交换器研发:液氢发动机的热交换器一般安装在涡轮后支撑支柱来实现热交换，也可放置在喷管的内表面，起到的作用有：进入燃烧室之前的液氢燃料气化、发动机滑油冷却、压气机引气冷却、涡轮叶片冷却。液氢燃料由液氢增压泵加压后送入热交换器，液氢在热交换器中气化，温度和压力迅速升高，故热交换器主要控制温度、压力、流量等参数。
3)氢燃料燃烧室设计:氢的燃料特性不同于传统燃油，如直接使用传统燃烧室，由于燃料喷射点的数量有限导致氢燃料和空气的混合往往不充分；大规模的氢扩散火焰形成高的局部温度，造成NOx快速生成，也将阻碍氢气与空气的进一步混合。为此，氢燃料的燃烧室需要重新设计。减少NOx排放的主要方式有：降低火焰温度、消除反应区的热点、减少火焰区的持续时间与暴露时间。通常采用贫氢预混燃烧室设计方案，以提高燃烧室温度均匀性、减少NOx的生成。为了避免预混可能的早燃烧、回火危险而导致发动机结构损坏以及可靠性降低，基于微型扩散燃烧理论、具有微混合燃烧特征的非预混合方案也受到关注。
4) 氢脆:氢脆主要是由电镀工艺中携带的金属出现“氢化”现象而导致的，对于铁、镍、钛、钴及其合金能够显著发生，而对于铜、铝、不锈钢不发生。氢脆作为一种通用现象，可能显著降低氢燃料涡轮发动机的的工作寿命。在发动机结构中，需要减少金属中渗氢的数量，采用低氢扩散性、低氢溶解度的镀涂层，在镀前去应力、镀后去氢，以防止氢脆的发生。

5.氢燃料航空内燃机
1) 燃烧系统高动力及异常燃烧控制:氢气作为燃料燃烧时，具有火焰传播速度快、点火能量低的特点，使得实际做功循环更接近等容循环。等容燃烧使得升功率过高、燃烧“粗暴”且不可控，伴生了振动噪声、热负荷偏高等问题。当发动机需要达到更高的升功率时，通常采用较浓的混合气，则更容易出现回火、早燃、爆震等异常燃烧现象。应针对燃烧系统高动力及异常燃烧控制等，尽快开展深入研究。
2) 缸盖结构设计:在内燃机缸内的燃烧速度方面，氢气是汽油的7~8倍。氢气缸内燃烧的最大爆发压力进一步升高且压力升高率剧增。氢燃料内燃机缸盖在交变机械载荷与高热负荷耦合作用下发生变形，面临疲劳寿命问题，给缸盖的强度、冷却、可靠性设计带来挑战。应针对高爆压缸盖结构设计，开展理论、技术与应用研究。
3）电子控制系统（ECU）开发：ECU控制系统是氢燃料内燃机上各类控制策略的载体，在样机开发到工程应用的过程中都是动力系统的核心零部件。针对氢气的传输和燃烧特点，开发匹配的控制策略，配置可靠的执行机构，支持各类工况下氢燃料内燃机的稳定与高效运行。自主开发氢燃料内燃机ECU较为迫切。
4）低压大流量喷嘴设计及样件试制技术：动力系统是整机的核心，而喷射装置是动力系统的核心。对于氢燃料内燃机而言，喷射装置能够影响喷氢的开启及结束时刻，约束缸内混合气的质量，从而涉及各缸、各个循环之间的一致性，氢燃料内燃机的动力性、经济性和可靠性。低压大流量喷嘴设计，适应压力较低工况，可更加充分地使用储氢罐中的氢气。需要深入开展氢燃料内燃机的喷嘴设计及试制，实现氢燃料内燃机高功率、高效率、高可靠性等综合性能。
6.氢能飞机安全与适航技术：氢燃料以及储氢装置与传统的燃油特性截然不同，导致氢能飞机的安全与适航面临新的挑战，涉及安全风险识别、安全设计要求、安全性验证、安全性评估等方面。氢燃料的飞机应用可能面临安全风险，需要识别氢能飞机的典型失效风险模式，建立氢能飞机安全性规章要求。发展氢燃料发动机安全性验证技术，支持氢燃料发动机安全工作边界及安全性判据构建。发展氢能飞机系统安全性评估技术，将氢能飞机的安全水平提升至工程应用可接受层次。建立氢燃料发动机、氢能飞机的适航标准与符合性验证方法。
7.氢燃料加注基础设施：氢能飞机的规模化应用离不开氢燃料基础设施，主要包括氢能的生产、储存、运输、加注等基础设施。其中，加注基础设施是释放氢能航空应用潜力的关键因素，需要解决在尽量短的时间内加注氢燃料、飞机的停场时间、加注过程安全性及经济性等问题。在近期，重点提出新的加注策略并形成配套技术，制定专门的氢能加注安全措施，审查与传统燃油加注并行作业的潜在影响；在中长期，突破机场安装大规模液氢供应及液化装置相关的成套技术。

         随着氢气存储和运输技术的提高、氢气生产规模的扩大化，我国未来氢气价格将持续快速下降，2033年氢气价格将下降至现在的50%以下（见图7）。以此为前提，测算了2050年前我国通勤 / 短程飞机的成本情况（见图8）。氢能飞机的先期TCO更高，但随着氢气价格的持续下降而快速下降；2045年前后，通勤 / 短程氢能飞机与纯电动飞机、燃油飞机的TCO将基本持平。也要注意到，实际运营中可能存在更为复杂的情况，很多无法在当前TCO模型中被量化的因素将对未来燃油飞机的使用构成较大影响：针对燃油飞机不断收紧的排放标准将驱动燃油发动机、碳排放水平等的继续提升；政策限制可能影响飞机的采购选型，航空碳中和目标将约束燃油飞机的应用规模。

四、 我国氢能飞机产业化前景：氢能飞机具有绿色、环保、低噪音、零碳排放等突出优点，产业化前景明确且广阔。民用方面主要有初级飞行员培训、私人交通工具、旅游观光、航空摄影、航空测绘、森林消防、体育运动、飞播造林、医疗救护、电缆巡护等；军用方面主要有海上侦察、巡逻警戒、搜索反潜等。研制氢能飞机，也将攻克总体设计、高压气态储氢、集成测试、适航符合性验证等关键技术，从而推动形成我国氢能飞机的适航标准。随着我国低空空域的逐步开放，氢能飞机将具有广阔的市场空间，论证提出了我国氢能飞机产业化应用的两类典型场景。

1. 西部地区地广人稀、居住点分散，交通设施完善度不高。如果采用传统的地面交通方式，道路和加油站基础设施投入大、利用率低，尤其是管道和道路运送燃油到各个加油站的综合成本极高。然而，西部地区拥有丰富的风 / 光资源，如能充分发挥区域内新能源发电的优势开展风 / 光联合制氢，可为氢能飞机的规模化应用提供充足的燃料供应；积极发展以氢能飞机为基础的航空运输业，将能以经济、绿色的方式解决西部地区交通运输问题。

2. 南海海域岛屿众多且多数岛屿远离本土，保障需求突出而实际情况复杂，采用传统船只进行补给和巡逻，反应慢、时效差，不利于有效管控。依托当前海水直接电解技术的发展，利用风、光、潮汐能发电并开展电解水制氢，形成稳定的当地氢能供应，特别适合采用氢能飞机进行空中巡视、岛礁间运输补给，对维护海洋权益和国土安全具有重要意义。