A380將成為首款搭載氫燃料發動機的大型飛機
2月22日,空中客車與CFM國際公司簽署協議,雙方將于2025年前后啟動一項氫動力演示項目。
該項目旨在對氫燃料發動機進行地面測試和試飛,為零排放飛機在2035年以前投入服役做好準備。該項目將使用一架A380(MSN1)作為試飛平臺,搭載由空客研發的液氫罐,并在巡航階段對氫燃料發動機進行測試。空客還將負責制定對氫推進系統的要求,并監督試飛過程。
氫燃料測試即將進入實質性階段
這架A380機身內將安裝4個液氫罐,共攜帶400千克液氫,并配備可將氫燃料輸送到發動機的燃料分配系統。飛機駕駛艙中,將安裝額外的推力控制系統和用于監控性能的專用顯示器,以管理氫發動機的推力。機上還將安裝收集數據的傳感器,相關數據可傳回地面。這架A380計劃在2026年開始試飛。
氫燃料發動機采用GE Passport發動機改裝而來,將針對氫燃料改造燃燒室、燃料系統和控制系統。它將被安裝在A380的后機身段,以便對發動機的排放(包括尾跡)進行監測,同時,可以與飛機本身的發動機排放進行對比。
監測目標包括氮氧化物和水蒸氣的排放量。氫燃料產生的水蒸氣是傳統碳氫燃料的三倍,因此飛行中將收集相關數據,以表征不同大氣條件對凝結尾跡形成的影響。
低溫的氫燃料分配系統將需要新研發的燃料泵、管道、密封件和材料,還需要新型熱交換器,將液氫轉化為氣態氫。該熱交換器比傳統的飛機熱交換器具有更高的溫差和壓力。
氫氣的燃燒速度比噴氣燃料快10倍,因此這將需要新技術來控制火焰并穩定燃燒。因此在高空對氫燃料發動機進行點火將是A380飛行測試的關鍵項目之一。
氫氣的燃料比碳氫燃料的溫度更高,因此,改進過的Passport發動機將需要新材料和涂層,燃燒室渦輪的冷卻機制也需要重新設計。此外,更高的溫度會產生更多的氮氧化物,因此試飛將研究如何最大限度地減少其排放。
對于CFM來說,氫燃料的相關的工作隸屬于該公司的RISE計劃。該計劃于2021年6月啟動,旨在展示一套用于未來超高效動力裝置的技術,包括開式轉子發動機等。雖然RISE計劃面向凈零碳排放,并不是完全針對氫燃料發動機,但CFM將氫能視為未來碳減排的必要路線之一,因此他們提前介入,使未來飛機動力系統能夠使用SAF和氫。
CFM與空客均希望落實他們在2021年10月簽署的“航空運輸行動小組”目標文件,即通過按照既定時間表,開發和測試零排放飛機技術,致力于實現2050年實現航空業凈零碳排放的目標。
空客在氫能方面的研究
2020年6月,法國和德國政府都實施了大規模的航空工業救助計劃,同時兼顧艱巨的環保任務。通過18個月的努力,歐洲航空業已經普遍認為氫將成為未來大多數商用飛機的燃料。
為實現2035年服役的目標,空客正在研究至少4種概念架構。2020年9月,空客以“ZEROe”命名了3款概念機,其中2款采用傳統的“圓筒機身+機翼”設計,使用渦槳或渦扇發動機,第3款采用翼身混合布局。這3款飛機的都采用氫作為渦輪發動機的燃料,并帶有電力驅動功能。2020年末,空客推出的第4款氫動力概念機,使用燃料電池為動力。
空客在2020年9月推出的ZEROe的翼身融合體構型。
在上述幾種構型中,翼身融合體概念可能是最具創新性和最具未來感的。因為這種構型具有更大的內部空間,因此特別適合應用氫能動力。在剛剛結束的新加坡航展上,空客就展示了翼身融合體概念的最新模型,這個模型與空客在2020年9月發布的ZEROe翼身融合體概念有所不同。
在2022年的新加坡航展上,空客推出的改進版翼身融合體模型,其發動機布局和機翼細節有所變化。
在2020年9月空客正式發布ZEROe概念時,當時該翼身融合體采用了沿后緣的分布式混合電力推進系統。而在新加坡,新模型則采用兩臺外置雙發噴氣發動機,更類似于空客在2019年推出的BWB模型。這個BWB模型稱為Maveric,主要用于驗證飛翼布局的控制系統和機場兼容性的問題,采用了外置雙發布局。
2018年新加坡航展空客的Maveric模型。
當然,空客也明白,這樣的構型實現的難度很大。雖然有利于儲氫,但需要改變飛機現已高度成熟的結構,這對于認證和運營不利,因此,不太可能成為氫動力飛機的首種構型。
另一個挑戰可能涉及氫能的直接運營成本,采用這種方式會真有商業競爭力嗎?空客并沒有隱瞞氫能在早期運營階段不經濟的實際情況,并主張政府進行補助以幫助氫能的應用推廣。對此,空客CEO傅里曾明確表示,未來很長一段時間內,遠程寬體機都需要使用可持續航空燃料(SAF),當航程和飛機尺寸增加時,動力系統復雜性也會螺旋上升。所以,氫能在大型飛機上的應用還需要時間。
從全球角度來看,空客表示需要對此類新技術進行國際監管,避免飛機只能在世界某個特定地區銷售的情況,而這需要國際民航組織(ICAO)制定行業規則。
關鍵詞: 發動機的
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