FlyZero項目中的氫動力客機概念圖支線飛機概念FZR-1E中型飛機概念FZM-1G窄體機概念FZN-1E

中國航空報訊：在全球航空業(yè)碳減排的時代大潮中，英國通過布局氫動力飛機研究項目，希望在民用客機領(lǐng)域重奪主導權(quán)。

今年3月，英國航空航天技術(shù)研究所公布了FlyZero項目的三款氫動力客機概念，涵蓋支線、窄體和中型客機，而FlyZero項目的目標是到2030年實現(xiàn)商業(yè)航空的零碳排放。

本次信息披露的內(nèi)容包括關(guān)鍵技術(shù)路線圖、市場和經(jīng)濟預測報告，以及方案的可持續(xù)性評估。項目研究表明，氫動力飛機有潛力覆蓋100%的短途航班以及93%的現(xiàn)有長途航班。

FlyZero項目共確定了13項關(guān)鍵技術(shù)，其中6項與氫動力飛機有關(guān)，包括氫燃料發(fā)動機、低溫燃料和儲存系統(tǒng)、燃料電池、熱管理、電力推進系統(tǒng)和空氣動力學結(jié)構(gòu)。其他7項是確保氫動力飛機在商業(yè)和運營上的可行性，并提供切實可行的可持續(xù)性改進方案，包括飛機系統(tǒng)、可持續(xù)客艙設(shè)計、材料、制造、生命周期影響、更短的設(shè)計和驗證過程以及機場、航空公司和空域基礎(chǔ)設(shè)施。

報告指出，使用氫燃料的飛機在設(shè)計上與使用煤油的飛機有著本質(zhì)的不同，氫的比能較高，飛行所需的氫燃料重量更小。此外，由于燃料從液態(tài)到氣態(tài)的轉(zhuǎn)變以及相關(guān)能源管理等方面的新挑戰(zhàn)，與煤油飛機相比，氫燃料飛機在推進系統(tǒng)和機身之間可能需要做更多的集成工作。

支線機概念——FZR-1E

支線客機概念以ATR72-600（機身長27.13米，翼展27.05米）為原型，采用氫燃料電池推進系統(tǒng)，通過電動機驅(qū)動6個直徑為2.29米的螺旋槳，航程為1482千米，巡航速度為648千米/時，可搭載75名乘客。機身比ATR72-600稍寬，翼展增加了3.96米，性能與當前的ATR72及其未來的2030年改進版本相近，但起飛和著陸距離稍長，巡航高度為7620米。

報告稱，燃料電池的尺寸需滿足起飛功率的要求，因為起飛距離越短，所需功率越大，電池尺寸也就越大。隨著功率需求（相對于起飛峰值功率）的下降，燃料電池的運行效率將顯著提高。電池尺寸過大造成的飛機重量的增加可以通過減小熱管理系統(tǒng)重量和降低燃料消耗來抵消。

考慮到空間、重量和平衡的原因，燃料電池從后機艙移到了后機艙地板下方的非加壓區(qū)域。此外，還擴展了起落架整流罩的空間以容納熱、空氣和水管理系統(tǒng)。雖然更寬的機身有助于提高儲氫效率，但由于表面積與體積之比的限制，導致泡沫絕緣材料難以滿足儲罐需求（尤其是后儲罐），所以使用了真空絕緣儲罐。

由于飛行中燃料電池的溫度可能達到80℃，所以熱管理系統(tǒng)（包括短艙中用于電和燃料電池熱管理的熱交換器）非常關(guān)鍵。此外，燃料電池的副產(chǎn)物是水，所以增加了一個儲水系統(tǒng)，避免飛機在爬升階段產(chǎn)生凝結(jié)水或在跑道上留下液態(tài)水，儲水系統(tǒng)中的水在后續(xù)飛行過程中會被耗盡或用于機載系統(tǒng)。

窄體機概念——FZN-1E

窄體機概念以A320neo為原型，航程為4445千米，經(jīng)濟艙可容納180個座位，發(fā)動機采用兩臺燃氫渦扇發(fā)動機，安裝在T型尾翼下方，機身比空客A320長7米，平均機身尺寸比A320寬0.91米，但機翼和推進系統(tǒng)的效率更高，整體阻力更小，所以在跑道長度、巡航速度和高度等方面與A320基本相當。該機采用錐形機身和高展弦比機翼，翼展為39.32米，儲罐置于機艙后部。中后機艙得益于機身寬度的增加，可以布置成雙通道，這種變截面錐形機身設(shè)計便于形成自然層流，減少阻力。

這個概念的一個關(guān)鍵設(shè)計要點是機頭位置的“鴨翼”，以解決在不同飛行和載荷條件下的重心偏移問題。“鴨翼”設(shè)計提供了更好的縱向配平能力，這樣重心范圍更寬，俯仰性能更優(yōu)，還可以與尾翼結(jié)合使用，在重心偏移的情況下，最大限度地減少飛機的配平阻力。

這個概念的機翼采用干式機翼（不儲存燃料，燃料全部儲存在機身中），并采用了與波音777X類似的折疊翼尖，符合A320尺寸級別的翼展限制。采用干翼設(shè)計結(jié)構(gòu)便于針對機翼彎矩和氣動彈性進行優(yōu)化，襟翼也可以設(shè)置在機翼結(jié)構(gòu)內(nèi)，從而減少阻力。

中型機概念——FZM-1G

中型機概念以波音767-200ER為原型，可搭乘280名乘客，商載航程為9723千米，設(shè)計最大航程為10649千米，可很好地滿足窄體機和寬體機之間的中間客運市場需求。

此外，2021年12月所披露的概念和現(xiàn)在有所不同。最初的設(shè)計特點是機身前凸，機身下半部分兩側(cè)各有一個“臉頰型”低溫燃料箱，而新的概念將“三角形”油箱置于機翼前方的翼身整流罩中的非加壓區(qū)域，大部分氫燃料仍然儲存在原來機身后部的燃料箱中。

與窄體機概念一樣，中型機也采用干翼設(shè)計，機身更寬。報告指出，對于窄體機和中型機，由于氫燃料相對煤油或可持續(xù)航空燃料（SAF）較輕，在推力要求相同的情況下，可以減小發(fā)動機直徑和質(zhì)量，也可降低整體燃料消耗。所以，對氫動力飛機而言，更小、更輕的發(fā)動機是更好的選擇。在性能方面，氫動力飛機的起飛性能和初始巡航高度略有提高，巡航速度更快，但進近速度稍高，著陸長度稍長。

最后報告指出，除了概念本身之外，還需多關(guān)注其他關(guān)鍵領(lǐng)域，包括氫的生產(chǎn)和配套基礎(chǔ)設(shè)施，以及尾流凝跡對氣候變化的影響。與此同時，ATI還表示，單純依靠氫動力無法實現(xiàn)到2050年凈零碳排放的目標，還需要各方繼續(xù)投資，以加速可持續(xù)航空燃料（SAF）的研發(fā)和生產(chǎn)。

(田濤　何鵬　程文旺)

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