网址：https://mp.weixin.qq.com/s/qdYThkOF2Zvw-XKUxwu6CQ
近期，空客公司首次向世界展示了实现零排放飞行的未来愿景，将致力于通过多个技术途径来解决航空运输的碳排放问题，有望在民用航空业有史以来最重要的转型中发挥领导作用。
引言
9月21日，空中客车公司公开展示了世界首架零排放商用飞机的3种设计概念，分别代表了实现零排放飞行的不同技术途径，旨在通过探索各种动力技术和气动布局，率先在整个民用航空业实现脱碳。引人注目的是，所有这些设计概念都选择了氢能作为主要能源，力争在2050年实现欧洲航空业碳中和的目标。
根据初步计划，空客公司的研制团队将在2021年首先研制一架氢动力地面验证机，用于解决有关氢动力生态系统特有的一些复杂技术风险。到2024年，空客公司将最终决定氢动力客机的设计方案，并准备在2025年内实现技术验证机的首次飞行。如果一切顺利，世界上首架氢动力客机有望在2035年投入运营。
一、倡导绿色航空理念
从全球气候变化的大背景来看，空客公司推出零排放客机研究计划是积极应对当前温室气体排放、减少航空运输对环境影响的一个重要举措。经过多年探索和研究，空客公司认为氢作为一种清洁的航空燃料具有广阔的前景，并很可能是航空航天和许多其他行业实现气候中和目标的解决方案。这一决策的背后是当前航空运输业持续增长的碳排放量与绿色航空理念之间存在的巨大反差。
早在2007年6月20日，欧盟委员会提出了“清洁天空”（Clean Sky）计划，旨在通过改善飞机的燃油系统等措施，降低飞机的温室气体排放和噪声，减少航空运输对环境的影响，从而建立一个创新的、具有竞争力的欧洲航空运输体系。随着“清洁天空”首批项目进入验证阶段，欧盟再次启动了第二阶段计划，预计在2024年结束。该阶段的目标更为广泛，计划将燃油消耗减少30％，将噪音排放减低75％。
为了更好地实现“清洁天空”计划的目标，欧洲航空航天公司在近年来开展了多个研究和验证项目，并积极探索和发展电动飞行技术，虽然取得了一定进展，但并未达到预期。2012年9月，由EADS等4家德国航空航天公司共同组建的包豪斯航空研究机构在柏林航展首次推出了一种称之为Ce-Liner的全电飞机概念，可以真正实现零排放。据介绍，该方案将发展出一种190座级客机，采用了16组电池来驱动2台动力装置，预计在2035年投入使用。
2015年12月12日，《联合国气候变化框架公约》近200个缔约方在巴黎气候变化大会上达成《巴黎协定》（Paris Agreement）。该协定将全球气候治理的理念进一步确定为低碳绿色发展，并为2020年后全球应对气候变化行动作出了安排。2016年4月22日，《巴黎协定》正式签署，并在当年11月4日正式生效。
从具体内容来看，《巴黎协定》并没有针对各国航空运输业规定明确的责任和义务，但是，航空运输业要满足协定提出的减碳目标，势必需要全面推进节能减排、降低污染。同样，航空制造业也面临着前所未有的巨大压力和挑战。随着《巴黎协定》签署，欧盟陆续出台了多项政策，大力推动发展清洁能源，力争在2050年实现碳中和，促使空客公司将目光转向了氢能。
二、欧盟发布多份报告
在这一背景下，氢作为一种清洁能源，在欧盟多个国家得到重视和发展，已应用于铁路等运输系统，并顺理成章地得到了航空业的关注和青睐。特别是今年以来，欧盟陆续出台多份报告，表明了氢在航空中的应用前景。
今年5月，欧盟氢能与燃料电池联合行动计划（FCH）发布了《氢动力航空》（Hydrogen-Powered Aviation）报告，主要基于当前技术评估了到2050年氢动力航空的技术发展和对经济、气候的影响。报告指出，燃料电池可将飞机对气候的影响减少75～90％，直接燃烧氢燃料减少50～75％，合成燃料减少30～60％，但是，氢能会增加凝结尾迹，可能对气候变化产生不利影响，需要更多的研究。报告重点关注了液态氢，认为液态氢更适合大多数航空领域。
最为重要的是，这项为期6个月的研究提出了到2050年的研究创新路线图及各阶段研发重点，建议分3个阶段进行氢动力航空技术研究和创新，从而在未来的航空动力中发挥核心作用。基于当前技术的可行性分析、关键成本驱动因素、不确定性和应用障碍，对氢动力航空的研究创新重点关注4个领域：氢动力推进关键组件开发；氢动力飞机的系统开发；解决基础设施障碍；建立监管框架。
欧盟委员会表示，将大力支持拟议中的科研项目，并将其与《欧盟氢能战略》联系起来。今年7月8日，欧盟委员会发布了《欧洲实现气候中和的氢能战略》（简称《氢能战略》）和《欧盟能源系统整合策略》战略文件，目的是为欧盟设置新的清洁能源投资议程，与《欧洲绿色协议》和下一代欧盟复苏计划紧密结合，以达成在2050年实现气候中和的目标，同时在相关领域创造就业，进一步刺激欧盟在后疫情时代的经济复苏。
《氢能战略》旨在通过投资、监管、市场培育以及科研创新将氢能潜力变为现实，在一体化的能源系统中更好地支持工业、交通、能源生产等领域的脱碳进程。该战略明确了两个目标，一是在2050年实现气候中和，二是在相关领域创造就业，进一步刺激欧盟在后疫情时代的经济复苏。这一战略的重点是主要依靠风能和太阳能生产可再生氢能，并计划通过3个阶段发展氢能。
为保障氢能战略的顺利实施，欧盟委员会当天还宣布成立“欧洲清洁氢联盟”，由相关产业领导者、民间机构、国家及地区能源官员和欧洲投资银行共同发起，旨在为氢能源的大量生产提供投资，满足欧盟国家对清洁氢能的需求。
无疑，欧盟大力投入和推动氢能的发展，必将在几年内有力地促进航空研究领域乃至整个航空业开始发生彻底转变。由此，空客公司意识到，随着汽车领域的氢动力技术日益成熟和氢能生产成本逐步降低，未来有望以氢能替代航空煤油化石燃料，并悄然启动了氢动力飞机的概念研究。
三、助力推进研制计划
实际上，空客公司近年来一直致力于通过新技术应用和新产品研究，全力支持欧盟委员会在其《欧洲航空愿景2050》（Flightpath2050）报告中提出的环保目标，试图通过研制一系列E-FAN飞机突破电动飞行技术。但是，电池技术的发展没有达到预期的速度，因此，空客公司把重点转向用氢来解决航空业的碳排放问题。
空客公司负责零排放飞机研制的副总裁格伦·卢埃林指出，电池在小型飞机“占有一席之地”，如针对城市地区实现短距离通勤的飞机，但它们无法支持大型商用飞机。在过去的几年中，空客公司已经为小型eVTOL飞机测试了两架全电动技术验证机。2019年，该公司完成了单座Vahana验证机的测试，并将于2020年底完成对4座CityAirbus设计的最终飞行评估。该公司尚未确认是否会继续研制一种eVTOL飞机，用于城市空中交通领域。
今年4月24日，空客公司突然宣布，与罗罗公司共同研制的E-FAN X混合动力电动飞机验证项目正式结束。E-FAN X项目在实施过程中探索了混合动力电推进系统的可行性和局限性，同时启发了对其他减排技术的研究，比如氢能源，后者将是一个巨大的机遇，也充满了新的挑战。此举表明，空客公司不愿在这些试验项目上浪费研发资金，转而将氢视为零排放航空运输的关键推动力。空客公司认为，这是将航空运输业转变为零排放乘客飞行的最快途径。在新冠疫情的背景下，法国政府出台的一项航空支持计划极大地加速了空客公司启动零排放客机的研制计划。
作为欧洲航空业领头羊，法国政府出台了一项庞大的航空业支持计划，大大加速了空客公司启动零排放客机的研究计划。6月9日，法国经济与财政部长布鲁诺·勒梅尔宣布了一项约150亿欧元的航空业支持计划，通过优先保障就业、提供经济援助、资助航空业持续创新和动员公共订单等方面举措，为航空业提供援助。值得注意的是，这项计划还明确了新的目标：2035年推出零碳排放的“绿色飞机”。法国政府在与工业界协商后，为航空业设定了环境目标，其中一个重要举措是改用氢能源作为一种主要燃料，替代当前广泛使用的化石燃料煤油。
法国能源过渡和运输部长伊丽莎白·伯恩详细介绍了通往“绿色飞机”的路线图：首先是在2030年左右推出空客A320的后继机，将燃油消耗降低30％，接着在2035年左右改用氢能。根据研制进度，首架氢动力原型机将在2026年至2028年完成研制工作。
在法国政府的大力支持下，空客公司正式推出了ZEROe研究项目，将首次在大型客机设计中采用氢动力，标志着商业航空的重大战略转变。长远来看，氢动力有望在2030年以后成为中、短途飞行的标杆。实际上，空客公司披露的设计不是原型机，只是以此为起点来探索所需技术，以便开始制造首架具有零排放的商用飞机。
四、首次公开设计概念
空客公司计划在2035年将零排放客机推向市场，这意味着需要在2025年开始确定技术路线。实际上，空客公司已经同时规划了多条路线。这是因为，没有一种技术能够满足能源需求，从而作为整个飞机类型的燃料――从飞行出租车到短程、中程和远程飞机。因此，空客公司在发展零排放商用飞机时，考虑了3种不同的设计方案，均采用了ZEROe这一项目名称。
第一种方案是较为传统的窄体客机设计。该机可以搭乘120～200名乘客，航程达3700km以上，能够实现跨洲际运营。考虑到它有可能替代当今全球航空公司最普遍使用和最受欢迎的各型窄体客机，因此，这种窄体客机可能会对民用航空产生最大的革命性影响。从总体布局来看，空客公司提出的窄体飞机概念依然采用常规的筒状机身，但设计了后掠式外机翼，设计巡航速度为马赫数0.78。该机的推进系统将基于2台由液氢提供动力的改进型涡扇发动机，与当前的窄体客机相比，它的机身要长得多，才能在后部的压力舱壁后面容纳大型液氢燃料箱。此外，该机还可能采用由燃料电池驱动的混合电动系统，作为液氢动力的补充。
与A320neo客机的6300km航程相比，这种窄体客机的航程为3700km或略远，显然要短得多，但足以覆盖整个欧洲各国的航线。而美国的跨大陆飞行将需要航程超过3700km。目前，空客公司尚待解决的问题是：氢动力飞机是否将成为当前A320neo系列的唯一继任者，还是采用另一种更常规的设计，后者将使用合成燃料来减少其碳足迹。空客公司认为，就时间或解决方案而言，两个方案可以合并，也可以独立。
第二种方案是涡桨飞机设计。该机最多可容纳100名乘客，飞行距离达到1850km以上，该机使用涡轮螺旋桨发动机代替涡扇发动机，并且还通过改进的燃气涡轮发动机中的氢燃烧来提供动力。值得注意的是，空客公司提出的氢动力涡桨客机将成为这个细分市场中最大的飞机，是短途旅行的一个理想选择。与ATR 72飞机和Dash 8-400飞机相比，其可容纳的座位大约多出20个。从航程来看，氢动力涡桨飞机的航程为1850km，ATR 72-600的航程仅为1527km，而Dash 8-400的飞行航程为2037km。
第三种方案是翼身融合体设计。按照设计，该机最多可搭载200名乘客，航程大约6300km，与窄体客机的航程相当。它采用2台氢动力涡扇发动机，通过混合电力系统驱动机身后部上表面的8个风扇。液氢燃料箱设计在机翼下方。这种方案的优点在于，超宽的机身为氢燃料的存储与分配、机舱布局提供了多种选择。这种布局方案十分引人注目，主要基于空客公司自2017年以来一直潜心研制Maveric验证机，探索这种未来风格布局的飞机所具有的节能优势，有望将油耗降低多达20％。该验证机已经在2019年6月完成了首次飞行测试，并在今年的新加坡航展上首次公开展出。
目前，首架投入运营的氢动力客机的最终构型尚未确定。空客公司在9月21日表示，这些是概念飞机，不是验证机，也不是一项研制计划，因为还不能说这些飞机是否存在一个预期的市场。这表明，空客公司将把早期研制工作的目标集中在评估最适合的一些技术方面，确定如何满足关键参数的要求，尤其是安全性。
五、亟待发展推进技术
长期以来，航空业一直认为氢是一种可行的航空燃料，但是到目前为止，在实践中得到的支持微乎其微。因此，在大型氢动力飞机实现商业化之前，空客公司仍然存在许多技术障碍，最为关键的是加快发展氢动力推进技术。
近年来，空客公司通过一系列研究认为氢可以通过不同的方式为飞机提供动力：一是可以通过改进的涡扇发动机直接燃烧氢，二是可以使用燃料电池将其转换为电能，三是氢与二氧化碳结合可用于生产合成燃料。
空客公司看好前两个方式。空客公司的首席技术官格拉齐娅·维塔迪尼认为，将这3个要素中的前2个要素结合在一起，可以通过改进的燃气轮机直接燃烧氢，并采用借助燃料电池驱动的嵌入式电动机。为了加快这条技术途径的发展，空客公司已经在一架零排放验证机上加装了管路，用于验证关键的技术，重点研究为氢动力飞机加注燃料以及在飞机上安全地存储和分配氢，以降低设计方案的风险。
此前，空客公司已经成功地证明了可持续航空燃料可以作为一种替代燃料，直接用于现有的喷气发动机。因此，现在的问题是氢是否也可能成为一种合适的燃料，直接在目前使用的发动机内稳定燃烧。罗罗公司一直在关注这一点，过去曾经在“遄达”发动机上成功地使用氢/煤油混合物。近日，罗罗公司负责民用航空航天技术和未来计划的艾伦·纽比在接受媒体采访时表示，转向采用100％氢作为燃料可能需要适当改进当前的燃气轮机设计。但是，最大的挑战将是如何管理燃烧系统中的火焰温度和稳定性。接下来的问题是，调整燃料的输送和管理系统，尤其是液态氢。他还强调，1 kg氢的能量是煤油的3倍，但更重要的是，它的存储空间是煤油的5倍。
纽比认为，当前航空发动机可以直接使用液态氢燃料，但是，不仅需要关注重新设计发动机的这些关键部件，还应将发动机视为一个从燃料箱到排气装置的完整系统，采取一种更加全面的、整体化的系统级方法。大型飞机采用氢动力在一定程度上主要受到重量和尺寸的限制，而且，因为航空运输业对于可靠性和安全性的要求很高，就需要达到很高的工程成熟度，特别是对于客运服务。
从目前来看，氢动力客机的发展将采用不同解决方案的组合，包括可持续航空燃料、电动、混合动力和更高效的燃气轮机，为不同的任务提供动力，以帮助航空运输业实现其排放目标。纽比认为，在时间方面，小型的氢动力支线飞机可能在2030年前问世。目前，空客公司在发展氢动力客机过程中面临的一个问题是让工业合作伙伴确信，现在是采用新的推进技术的时候了，这可能需要对当前的发动机进行有限的改动。毫无疑问，航空发动机工业的参与对于这个项目的成功至关重要，但目前并没有立即做出回应。许多业内人士认为，氢动力最终将成为一种解决方案，但并不在空客公司和法国政府拟定的期限内。
六、面临更多技术挑战
与此同时，空客公司在将氢动力客机成为现实之前，还面临着其他一些重大挑战。研制人员必须做出可能影响行业未来的选择，如气态氢还是液态氢、燃料电池还是涡轮发动机，而且从机场到空中交通管理都需要变革，每个决定都会对氢动力飞机和整个生态系统产生影响。
空客公司面临的挑战之一是在飞机上如何容纳液氢燃料箱。它们的大小和重量不同于煤油箱，安全地存储液态氢是一个主要障碍，安全级别必须与今天的飞机相当。对此，空客公司希望从2021年启动的机载氢气存储和分配验证计划中获得首批成果，试验将在地面和船上使用气态和液态氢。研究和技术工作将在各种尺寸的运载平台上进行，法国和德国航空航天研究委员会将为试验提供资金。
研究储存方式是计划在2021～2024年进行的一系列试验中的首批验证计划之一。空客公司正在创建各种“技术积木”，以便在2025年选择成熟的技术，并通过详细的概念分析了解这些技术如何在一种新颖的飞机架构中有机地融合在一起。同时，空客公司将通过设计办公室和风洞测试的工作优化和完善概念飞机，总体目标是在2035年交付一种采用液氢动力的商用飞机进入服务领域。
对于商用飞机来说，氢燃料系统的失效模式和影响分析还有待研究。根据空客公司执行副总裁让-布赖斯·杜蒙针对外界十分关注客机贮存氢燃料的安全性作了解释。他表示，空客公司在一架概念飞机上设计了一个“烟囱”，作为泄漏管理系统的一部分，万一发生泄漏，氢通常会变热，必须及时排出。发生此类事件的可能性很小，但我们必须考虑到这种可能性。
尽管燃料电池可以通过提供某种程度的推进混合动力来发挥作用，但空客公司正致力于在改进型涡扇发动机中燃烧液氢。据弗里称，燃料电池的动力可以帮助提供起飞时所需的能量峰值。这将使空客公司能够使发动机更小，并根据巡航飞行要求对其进行优化。
此外，空客公司面临的其他一些挑战还包括如何在极其寒冷的高空飞行环境下安全储存不稳定的液态氢。
空客公司表示，不必担心氢燃料的安全问题，并呼吁大规模投资新能源基础设施领域，以确保机场可使用脱碳的氢燃料。空客公司认为整个航空运输生态系统必须改变，并已经开始与多家未公开的航空公司、能源公司和机场合作，以解决复杂的基础设施需求，支持航空领域采用氢动力推进系统。此外，航空业还将需要与当今大不相同的一个监管机构，必须在2027年或2028年与之最终达成一致意见。
七、致力实现未来愿景
随着欧盟大力推动氢动力航空技术研究和发展，空客公司准备在氢动力技术上投资数十亿美元，以降低使用这种燃料的技术门槛，让氢动力客机飞上天空。从多个设计概念浮出水面到首架零排放客机投入运营，空客公司需要在15年时间里完成技术研究、设计选型、试制首飞和批量生产的全过程，未来几年任重而道远。
在新闻发布会上，空客公司首席执行官纪尧姆·傅里表示：“这些概念将帮助我们探索和成熟全球第一种零排放的商用飞机设计和布局，目标是到2035年投入使用。空客公司在将氢能作为这些概念飞机主要动力的过程中，需要整个航空生态系统采取果断行动。在政府和工业合作伙伴的支持下，我们可以应对这一挑战，以扩大可再生能源和氢的规模，从而实现航空业的可持续的未来。”
作为空客公司在民机领域的竞争对手，波音公司认为还存在技术不确定性和监管障碍，航空业在短期内难以推出氢动力客机，并委婉地表示，推动变革将面临巨大挑战。波音公司商务副总裁兼产品开发总经理迈克尔·辛内特指出，工业界需要花费大量时间来化解氢燃料在生产和储存方面的挑战，而且随着这种技术发展，政府监管机构如何相应地开展有关工作，都存在着一些亟待解决的问题。
目前看来，氢能不一定适合所有领域，或许在很长时间内也是如此。但是，随着世界各国陆续设定各自的碳中和时间表，航空业只有坚定地迈出不断探索的脚步，才有可能实现绿色航空的愿景。
