氢是宇宙中最丰富的元素，氢能源是未来实现零碳排放、可持续发展的战略能源，以氢燃料作为能源的氢能飞机是推动实现航空领域碳达峰、碳中和（“双碳”）目标的重要形式之一。

氢作为清洁能源，所产生的推力是航空煤油的3倍，但所释放的二氧化碳量为零，氮氧化物也为超低排放，具有污染小、安全可用等优点，成为了实现航空“脱碳”的重要手段。

2024年3月，国务院发布的《推动大规模设备更新和消费品以旧换新行动方案》也赋予了氢能绿色航空设备任务。

那么什么是氢能飞机？氢能飞机有哪些种类？氢能飞机发展到现在到了什么阶段？氢能汇（微信公众号：h2-2005）下面为您详细介绍一下。

氢能飞机的定义

氢能飞机是一种使用氢气作为主要动力源的航空器。这种飞机通过氢燃料电池或氢内燃机等技术，将氢转化为电能或热能，从而驱动飞机飞行。

氢燃料用作航空动力有两种基本途径：一是通过对传统涡轮发动机进行改进，使其能够燃烧氢燃料；二是通过氢燃料电池发电，由电机带动推进器（风扇或螺旋桨）产生动力。

氢能飞机的设计旨在减少传统航空业中的碳排放，实现更环保的飞行方式。与传统的航空燃料相比，氢能具有零碳排放高效、清洁、可持续的特点。

氢能飞机的关键技术

氢能飞机的关键技术主要包括以下几个方面：

（一） 机身技术

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。

（二） 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。

（三） 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。

（四） 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。

（五） 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。

（六） 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。

（七） 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。

这些关键技术共同构成了氢能飞机的动力系统，使其能够在空中高效、环保地运行。

氢能飞机的种类

氢能飞机类型多样，涵盖了不同的应用场景和技术特点。以下是几种主要的氢能飞机类型：

（一）氢燃料飞机：这些飞机依赖于使用氢作为燃料的喷气式动力发动机，液态或气态氢在燃气涡轮发动机中燃烧以产生推力。具有代表性的是：CL-400 “黝黑”飞机。“黝黑”是美国空军在20世纪50年代开展的一个计划，旨在开发一种使用液氢燃料的高空高速战略侦察机。该计划是在莱特空军发展中心的支持下进行的，液氢动力雷克斯发动机是该计划的核心。

（ “黝黑”图来源翁玮译《臭鼬工厂：75年尖端飞行器研发图史》）

（二）氢燃料电池飞机：氢用于在燃料电池内发电，然后作为电力推进来转动螺旋桨。这可能用于小型飞机。具有代表性的是：2021年11月，巴航工业推出Energia飞机系列研发计划，包括两种氢动力机型。

(图片来源：海空科讯)

E19-H2FC飞机将于2035年推出，采用氢燃料电池推进，最多可搭载19名乘客，具有零二氧化碳排放。

(图片来源：海空科讯)

E50-H2GT飞机计划在2040年投放市场，将采用纯氢或SAF/传统JetA油料均适用的双燃料涡轮发动机推进，能够容纳35-50名乘客，最多可减少100%二氧化碳排放。

（三）二者结合，氢气涡轮机和氢燃料电池系统的混合系统可以兼具涡轮发动机的高功率与燃料电池系统的高效率以及受气候影响较小。例如：空客Zeroe氢能飞机和Zeroavia公司氢燃料商用飞机。空客公司设立了到2035年开发世界上第一架零排放商用飞机的目标。2020年9月，空客在行业内发布了3款代号为ZEROe的氢能源概念飞机，分别为涡扇氢混合动力、涡桨氢混合动力和翼身融合氢混合动力。通过氢燃烧由改进的燃气涡轮发动机提供动力，使用液氢作为燃料，同时使用氢燃料电池产生补充电力，从而形成高效的混合动力推进系统。

  (图片来源：海空科讯)

涡扇氢混合动力型：使用两台氢燃料涡扇发动机，液氢储罐位于机翼下方，预计能搭载120-200名乘客，航程为3700公里左右。涡桨氢混合动力型：使用两台氢燃料涡桨发动机，液氢储存和分配系统位于后增压舱，搭载乘客约100名，适用于短程飞行市场。翼身融合型：采用“翼身融合”设计，最多可搭载200名乘客，航程与涡扇概念机相似。Zeroavia公司氢燃料商用飞机，HyFlyer项目试飞机是一架六座Piper M350飞机，使用燃料电池和电动机。2020年7月，美国氢能航空公司ZeroAvia宣布完成了当时全球最大的氢动力飞机的第一阶段试飞。这是该公司推进的HyFlyer项目的一部分。试飞验证机是一架六座Piper M350飞机，6月在英国克兰菲尔德机场完成了首飞，2021年4月坠毁。

 (图片来源：海空科讯)

这些飞机类型代表了氢能技术在航空领域的多种应用，每种型号都有其独特的设计和用途，旨在满足不同的航线需求和乘客容量。

氢能飞机的优点

氢能飞机作为一种绿色交通工具，具有许多显著的优点。以下是氢能飞机的主要优点：

高能量密度和长航程潜力

氢能源具有较高的能量密度，这意味着在相同的质量和体积限制下，氢能源能够储存更多的能量。这对于飞机这种需要长途飞行的交通工具来说，是一个关键优势。例如，一些大型氢能源飞机概念设计中，凭借氢燃料的高能量密度，有望实现洲际飞行而无需频繁中途加油，大大提高了航空运输的效率和便捷性。

快速加注

氢能源飞机在加注氢燃料时，其加注速度相对较快。特别是液态氢的加注过程，如果基础设施完善，可以在较短的时间内完成加注，类似于传统航空燃油的加注过程。这对于航空公司的运营效率至关重要，能够减少飞机在地面的停留时间，提高飞机的利用率。

可提供高功率输出

氢能源飞机可以通过氢涡轮发动机或者氢燃料电池 - 电动混合动力系统来提供强大的动力。氢涡轮发动机在技术成熟后，能够提供与传统燃油涡轮发动机相当甚至更高的功率输出，这对于大型飞机的起飞、爬升和高速巡航等性能要求至关重要。

零碳排放

氢能源飞机燃烧氢气产生的主要是水，也是清洁的能源。这对于减少航空业对环境的影响，特别是在城市和环境敏感地区的飞行，具有重要意义。

长航程飞行

氢能源飞机的高能量密度使得它在长航程飞行方面具有明显的优势，能够覆盖更广泛的航线网络。

动力和负载潜力大

氢能源飞机在动力和负载能力方面有更大的发展潜力，能够适应更大型飞机的需求。这些优点使得氢能飞机成为未来航空领域的一个重要发展方向，尤其是在推动航空业向更环保、高效的方向发展方面展现出巨大的潜力。

氢能飞机存在的问题

氢能源未来将以替代燃油的方式率先在交通运输系统中获得规模化应用，航空业将是代表性领域，但以氢能为动力源实现航空领域绿色发展仍面临诸多挑战。具体在以下几个方面：

存储和运输技术要求高

氢气的存储需要特殊的低温、高压条件。液态氢需要在极低的温度下保存，这对存储容器的绝热性能要求极高。同时，氢气的运输也面临挑战，无论是通过管道运输还是车载运输，都需要特殊的设备和安全措施，以防止氢气泄漏和爆炸。

大规模建设成本高且难度大

要实现氢能源飞机的广泛应用，需要建设庞大的氢燃料生产、储存和加注基础设施。建设氢燃料生产厂需要高额的投资，并且需要解决氢气的来源问题，如通过水电解制氢需要大量的电力资源。同时，在机场建设氢燃料加注设施也面临诸多技术和安全规范方面的挑战。

制氢和设备成本高昂

目前，制氢成本较高，特别是绿色制氢（如水电解制氢）需要大量的电能，导致氢气的生产成本居高不下。此外，氢能源飞机所需的特殊设备，如氢涡轮发动机、液氢储存罐等，研发和制造成本也很高，这使得氢能源飞机的总体成本远远高于传统燃油飞机。

氢能飞机噪音大

氢能源飞机虽然也有可能通过优化发动机设计等方式降低噪音，但由于其涉及到氢的燃烧或者燃料电池 - 电动混合动力系统的复杂运行，在噪音控制方面可能面临更多的挑战。

我国氢能飞机发展现状

随着全球范围内对氢能飞机关注度的持续提升，我国氢能航空领域兴起了新一轮研究热潮，相关工作集中在氢能航空和氢能飞机发展态势、低碳减排、商业化运行探讨等方面。那我国氢能飞机发展现状是什么呢？我国与国际上氢能飞机发展趋势同步，氢能飞机研发工作正在展开，形成了①辽宁通用航空研究院（氢燃料电池飞机技术攻关）、②北京航空航天大学（燃油涡桨发动机PT6的氢燃料改型论证）、③中国航天科技集团有限公司第六研究院第一〇一研究所（氢制取/液氢生产和存储、轻质高效液氢燃料储装置）等优势研究机构，综合技术水平接近国际先进，同时，④中国科学院大连化学物理研究所、⑤中国商飞、⑥沈阳航空航天大学、⑦北京理工大学也在氢动力航空领域开展相关的研究。

2017年，沈阳航空航天大学、中国科学院大连化学物理研究所联合研制了我国首架2座氢燃料电池试验机并完成试飞。

（氢燃料电池试验机 图片来源：双碳领航）

2023年，沈阳航空航天大学研制的4座氢燃料内燃机飞机（搭载了2 L氢燃料内燃机）完成首飞，成为我国首架以氢内燃机为动力的通航飞机；飞机采用上单翼、低平尾、前置螺旋桨、前三点式不可收放起落架的总体布局，翼展为13.5m，机长为8.2m，巡航速度为180km/h，留空时间>1 h；携带的高压气态储氢为4.5kg，氢内燃机最大热效率>43%、综合热效率>40%。

（4座氢内燃机飞机验证机 图片来源：双碳领航）

2019年，中国商飞北京民用飞机技术研究中心研制的“灵雀H”燃料电池验证机完成首飞，标志着民机主制造商在新能源飞机探索方面的实质性进展。验证机采用氢燃料电混合动力，旨在验证以氢燃料电池为主、锂电池为辅的混合动力技术在飞机上应用的适当性。

（“灵雀H”燃料电池验证机 图片来源：双碳领航）

氢能飞机产业链

氢能飞机在航空领域应用前景广泛。发动机和燃料可看作飞机的心脏和血液，该领域的颠覆性发展将深刻变革未来航空形态。随之而来也带动了氢能飞机产业链发展。

燃料电池产业链

现阶段，相关科研院所对氢动力航空燃料电池进行研发，成功的应用于氢动力航空飞行器，典型代表为中国科学院大连化学物理研究所。

2017年1月，由中国科学院大连化学物理研究所制造的20千瓦燃料电池系统提供动力的国内首架载人燃料电池飞行器已经完成了它的首次成功试飞，这一成就代表着中国在航空领域燃料电池技术上实现了重大突破，并成为继美国和德国之后，全球第三个掌握该领域技术的国家。

氢内燃机产业链

现阶段，氢内燃机产业链尚处于萌芽阶段，一汽集团开启我国氢动力飞机内燃机生产先河，其生产的内燃机是基于“红旗”汽油机研发的国内首款2.0L零排放增压直喷氢内燃机，最大热效率>43%、综合热效率>40%，于2024年1月完成首飞的由沈阳航空航天大学研制的全球首款新能源四座氢能飞机RX4HE原型机（120kW）的内燃机来源于一汽集团。

储氢装置

储氢瓶是氢能飞行器的核心部件之一，既是压力容器，也是绝热容器，需采用轻量化的材质。目前中国航天科技集团有限公司第六研究院第一〇一研究所在轻质高效液氢燃料储氢装置开展研究、哈尔滨工程大学和佛吉亚斯林达安全科技(沈阳)有限公司在高压气态储氢装置开展研究。

氢能飞机体产业链

氢动力机体分为乘用机机体、无人机机体。现阶段，中国乘用机机体尚处于示范验证阶段，还没有实际应用于民用航空领域。

素材来源：香橙会研究院 双碳领航 海空科讯等