空客聯手CFM建造飛行試驗台以評估氫氣燃燒噴氣發動機
空客(Airbus)跟CFM International(GE和Safran Aircraft Engines的合資公司)正在合作開發一個名為ZEROe演示器的A380飛行試驗台,以此來研究如何利用氫氣燃燒來驅動渦輪風扇噴氣發動機。
從環境的角度來看,對於承諾到2050年實現無碳化的航空部門來說,氫氣是一種有吸引力的傳統噴氣航空燃料的替代品。在氣態形式下,它幾乎跟天然氣一樣容易處理,它容易燃燒且相對乾淨並只留下水和比煤油少90%的氮氧化物排放。
從表面上看,它似乎是一個理想的替代品,但仔細一看,在我們看到燃燒氫氣的噴氣式客機滑行到登機口之前還有很長的路要走。比如我們總是很容易地說出它擺脫了化石燃料,但在工業規模上生產的大部分氫氣都是通過蒸汽甲烷工藝來自石油。因此,使用氫氣作為綠色燃料將意味著生產上的巨大轉變以及這種轉變所帶來的所有基礎設施問題。
如果這還不夠的話,氫氣還有其他問題。雖然它的比能量是煤油的2.5倍,但它的能量密度卻要低得多,所佔體積為煤油的四倍。這意味著,如果將氫氣跟傳統燃料進行一比一的交換,那麼意味著飛機只能飛1/4的距離。
為了抵消這一點,氫氣必須轉為低溫狀態,在那裡它被轉換成-420°F(-250°C)的液體,這將要求它被裝在特殊的絕緣罐中,其體積將是目前罐子的四倍。這將需要飛機有一個球狀的外觀或設計成機翼和機身合二為一的混合體。
這就帶來了新的問題,因為這些氫氣飛機將有一個更大的表面體積比,這意味著更多的空氣動力阻力和降低燃料效率。然而氫氣將比傳統燃料更輕,這將引入一個交易。
另一種選擇可能就顯得簡單了,即忍受較短的航程,但這是一個問題,因為生產和處理低溫氫氣是非常危險和昂貴的,所以最好是在任何特定路線上需要盡可能少的加油點。
另一方面,可以設計出一種氫動力飛機–它保留了大部分傳統的控制系統和基本的噴氣發動機配置,這樣認證就不會構成一個全新級別的飛機所帶來的重大問題。
此外,在噴氣發動機中使用氫氣並不是一個新的想法。1937年製造的第一台德國噴氣發動機在地面測試中使用了氫氣,1957年Martin B-57B Canberra轟炸機在氫氣上飛行了20分鐘。從那時起,已經有許多關於使用氫氣作為噴氣燃料的替代形式的研究。一些汽車製造商也在探索氫氣內燃機為車輛提供動力的潛力。
現在,空客和CFM International正在研究氫氣噴氣發動機的示範機,預計將在未來幾年內飛行並可能導致在2035年之前推出零排放的飛機。
根據新的協議,空客將提供一架A380飛機,然後其將被改裝成ZEROe示範機的飛行試驗台,機身上回安裝尾部氫氣罐。另外還將確定試驗發動機的系統要求,該發動機將是一台GE Passport渦輪風扇,燃燒器由CFM公司改進,用於燃燒氫氣。
新發動機將不會為A380提供動力,A380將使用傳統發動機。相反,氫氣發動機將被安裝在機身上,朝向機尾。這將使工程師們能在巡航模式下監測氫氣發動機的排放,而不受安裝在機翼下的發動機的干擾。
“這是自2020年9月我們發布ZEROe概念飛機以來,空客為開創氫動力飛行的新時代所採取的最重要步驟,”空客首席技術官Sabine Klauke說道,“通過利用美國和歐洲發動機製造商的專業知識,在氫氣燃燒技術方面取得進展,這種國際夥伴關係發出了一個明確的信息,即我們的行業致力於使零排放飛行成為現實。”