CIAM團(tuán)隊(duì)開發(fā)的原型混合動力

今年，俄羅斯計劃完成使用氫作為燃料電池的飛機(jī)混合動力裝置（HPU）的研究工作。該研究所的網(wǎng)站表示：“2022年的計劃包括測試Sigma-4E上的電氣部分，在下一階段，由于安裝了氫燃料電池，飛機(jī)的動力裝置將變?yōu)榛旌蟿恿?。?/p>

電動飛機(jī)“Sigma-4E”

CIAM還表示：“它的不僅將使用基于VK-2500發(fā)動機(jī)作為基礎(chǔ)，而且還將使用液態(tài)氫作為燃料和制冷劑，這有效的降低了溫度，從而使得電機(jī)功率幾乎增加了3倍，這使得整個動力裝置能同時保持重量和尺寸特性符合飛行要求?！?/p>

Aviapanorama 雜志副主編、俄羅斯榮譽(yù)軍事飛行員弗拉基米爾·波波夫（Vladimir Popov）表示，CIAM項(xiàng)目滿足了現(xiàn)代航空的當(dāng)前需求。據(jù)他介紹，研究所Baranova擁有實(shí)施這些計劃的必要基礎(chǔ)。

“氫燃料電池可以顯著提高混合動力推進(jìn)系統(tǒng)的性能，特別有希望的是它與電動機(jī)結(jié)合使用。使用氫作為燃料的效率將非常高，從而使得這類飛機(jī)的飛行范圍會顯著提高?！辈úǚ蚪忉屨f。

早些時候，聯(lián)合發(fā)動機(jī)公司宣布開始建造氫燃料飛機(jī)發(fā)動機(jī)。

聯(lián)合發(fā)動機(jī)公司總設(shè)計師尤里·什莫廷（Yuri Shmotin）在2021年國際航空和太空沙龍的間隙發(fā)表講話時表示，在航空中使用氫燃料是最有前途的領(lǐng)域之一。他說：“我們正在考慮兩種主要技術(shù)：氫燃料在改進(jìn)型航空發(fā)動機(jī)中的直接燃燒，以及使用燃料電池將燃料電化學(xué)轉(zhuǎn)化為電能?！?/p>

前蘇聯(lián)的氫客機(jī)研究

氫作為飛機(jī)燃料的開發(fā)始于幾十年前，這一領(lǐng)域的先驅(qū)者是蘇聯(lián)。在前蘇聯(lián)科學(xué)和工業(yè)界的努力下，其基于圖-154客機(jī)的基礎(chǔ)創(chuàng)建了圖-155飛行實(shí)驗(yàn)室，該飛行實(shí)驗(yàn)室配備了NK-88發(fā)動機(jī)，該發(fā)動機(jī)也能夠使用低熱值燃料，包括氫氣，當(dāng)時，蘇聯(lián)工程師研究工作在世界上其它地方?jīng)]有類似的。

如您所知，氫氣的導(dǎo)熱系數(shù)是傳統(tǒng)航空煤油的3倍，在所有氣態(tài)物質(zhì)中，該指標(biāo)處于領(lǐng)先地位。同時，氫氣被認(rèn)為是一種環(huán)保燃料，因?yàn)樵谌紵^程中它只會釋放水和少量的氮氧化物。

然而，氫氣是容易爆炸的——在環(huán)境中，氫含量濃度為4%到75%時會發(fā)生爆炸。這種氣體的儲存和運(yùn)輸只能在液態(tài)下進(jìn)行，這需要保持極低的溫度。蘇聯(lián)工程師考慮到這些情況，因此重新設(shè)計了飛機(jī)燃料管線的布局，以便圖-155可以使用低溫燃料。

圖波列夫公司設(shè)計副總經(jīng)理瓦列里·索洛佐博夫（Valery Solozobov）參與了圖-155飛行實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)建。他表示：“在飛機(jī)客艙所在的機(jī)身尾部，配備了一個密封艙，并在其中安裝了一個可容納20立方米液態(tài)氫的低溫罐，采用真空絕熱，可保持機(jī)艙內(nèi)的低溫，郵箱長期低于-253°C?！?/p>

飛行實(shí)驗(yàn)室中的液氫是使用高壓渦輪泵裝置提供的，為了確保安全，幾乎所有的電線都從低溫儲罐艙中移除，從而消除了產(chǎn)生火花的可能性。

圖-155飛行實(shí)驗(yàn)室

此外，工程師設(shè)計并安裝了一個排水系統(tǒng)，將氫氣從儲罐中排出，使其與發(fā)動機(jī)和電源保持安全距離?？偟膩碚f，液氫的使用需要創(chuàng)建30多個額外的機(jī)載系統(tǒng)。

然而，圖-155從未變成全氫飛機(jī)。在飛行實(shí)驗(yàn)室的3臺發(fā)動機(jī)中，只有一臺使用氫燃料工作。這架飛機(jī)于1988年4月15日首飛，1989年，該飛機(jī)開始使用另外一種替代燃料液化天然氣起飛。蘇聯(lián)解體后，這架極具創(chuàng)意的圖-155飛機(jī)最終沒有投入使用。

目前，在世界范圍內(nèi)，除了CIAM和UEC之外，作為世界領(lǐng)先的客機(jī)和運(yùn)輸機(jī)制造商之一空客公司也正在飛機(jī)技術(shù)中實(shí)施氫技術(shù)。該公司有信心，未來的航班一定會使用所謂的綠色氫作為燃料，人類對實(shí)現(xiàn)碳中和寄予厚望。

然而，迄今為止，還沒有開發(fā)出用于提取“綠色氫”的最佳方法，目前仍然依賴在電解過程中形成的，從財務(wù)角度來看，這是一種能源密集型且成本高昂的過程。在俄羅斯，俄羅斯國家能源研究所正在努力降低成本，在德國，西門子公司也正在進(jìn)行類似努力，兩家公司都主要在改進(jìn)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)方面看到了出路。

國家能源研究所副所長亞歷山大弗羅洛夫表示：“目前的議程表明，人類正在努力轉(zhuǎn)向綠色氫，但到目前為止，增加其產(chǎn)量在經(jīng)濟(jì)上并不是很可行。要使氫成為綠色，電力必須來自可再生能源——風(fēng)電或太陽能?！?/p>

氫燃料基礎(chǔ)設(shè)施

盡管如此，空客公司還是看好綠色氫氣提取技術(shù)的發(fā)展，其預(yù)計隨著氫產(chǎn)量規(guī)模的不斷發(fā)展，電解成本將下降。因此，到2050年，綠色氫有望成為地球上最常見的能源載體之一。預(yù)計到2035年，這種燃料驅(qū)動的飛機(jī)將推向市場。

2020年10月，空客公司發(fā)布了3款前景廣闊的不同尺寸的氫飛機(jī)概念圖。為了制造氫飛機(jī)，該公司計劃采用已經(jīng)使用氫氣的汽車和航天工業(yè)相關(guān)技術(shù)。此外，空客工程師必須解決儲氫問題，減少新燃料運(yùn)行設(shè)備的質(zhì)量并降低其成本。

空客公司認(rèn)為，未來機(jī)場將從自己的電解廠接收氫氣，氫氣也將冷卻至安全的液態(tài)。

 空客公司的氫燃料飛機(jī)概念圖

英國工業(yè)界也醞釀了雄心勃勃的氫航空發(fā)展計劃。去年12月，英國航空航天技術(shù)研究所提出了FlyZero項(xiàng)目，該項(xiàng)目提供了一種可容納279名乘客的氫燃料寬體客機(jī)。

假設(shè)與圖-155一樣，該飛機(jī)將使用儲存在油箱中的液態(tài)氫，溫度約為-250°C。據(jù)英國專家預(yù)測，從本世紀(jì)30年代中期開始，氫動力飛機(jī)的性能將優(yōu)于傳統(tǒng)航空客機(jī)。

根據(jù)波波夫的說法，氫燃料使用技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展確實(shí)可以導(dǎo)致氫動力飛機(jī)在許多參數(shù)上超過傳統(tǒng)燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的客機(jī)。盡管如此，在未來15到20年內(nèi)，在氫航空領(lǐng)域取得具體實(shí)際成果仍然充滿了挑戰(zhàn)。

“氫燃料與強(qiáng)大的高性能電池結(jié)合使用的前景看起來很有希望。但應(yīng)該理解，很多技術(shù)問題必須解決。這里最重要的是安全。工程師們需要制造出這樣一種飛機(jī)，在這種飛機(jī)中，火災(zāi)和爆炸危險的各個方面都將得到最高水平的考慮?！辈úǚ驈?qiáng)調(diào)說。

弗羅洛夫認(rèn)為，目前尚未積累足夠的技術(shù)基礎(chǔ)來制造具有競爭力的氫動力飛機(jī)。專家表示，除了確保安全之外，氫氣的運(yùn)輸和儲存等問題尚未解決，也是氫能航空發(fā)展的障礙。

“我很難想象與空中交通相關(guān)的氫基礎(chǔ)設(shè)施將如何組織起來。但我可以假設(shè)，隨著氫能系統(tǒng)本身的發(fā)展，大量技術(shù)（工程）問題將會被一一解決。如何這個假設(shè)成立，在我看來，氫航空發(fā)展確實(shí)挺著急?！备チ_洛夫總結(jié)道。