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來(lái)源：前瞻網(wǎng)
9月22日，全球知名飛機(jī)制造商空客公司公布了一項(xiàng)堪稱可以改變未來(lái)航空業(yè)游戲規(guī)則的決定。作為雄心勃勃的“零排放”計(jì)劃一部分，他們宣布，將在2035年正式將氫動(dòng)力客機(jī)送上藍(lán)天。
在氣候問(wèn)題已經(jīng)成為全球政治重要議題的情況下，空客此舉無(wú)疑是踩在了大趨勢(shì)的關(guān)鍵點(diǎn)上?？湛妥约簩⑵湫稳轂椤霸撔袠I(yè)有史以來(lái)最重要的轉(zhuǎn)型”，并將計(jì)劃公布稱為“這是一個(gè)歷史性時(shí)刻”。在言語(yǔ)中，他們對(duì)這次轉(zhuǎn)型抱有強(qiáng)烈的希冀，意圖在未來(lái)的航空業(yè)中獲得領(lǐng)導(dǎo)地位。
當(dāng)然，“打嘴炮”的事誰(shuí)都會(huì)，而空客并不只是嘴上說(shuō)說(shuō)而已，他們還拿出了自己的階段性成果——項(xiàng)目“ZEROe”和3張PPT……錯(cuò)了，應(yīng)該說(shuō)是3張概念圖，展示了構(gòu)想中的3種不同飛機(jī)。3架概念機(jī)的圖片如下：
渦扇噴氣概念機(jī)：可以乘坐120-200名乘客，航程2000海里，能夠跨大陸飛行，燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。
渦槳概念機(jī)：可搭載100名乘客，使用螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)，可航行1000海里以上，是短途旅行的完美選擇。
混合翼體”概念機(jī)：可容納200名乘客，機(jī)翼與飛機(jī)的主體合并，其續(xù)航里程約2000海里。
可能很多人看到上面的圖片，第一反應(yīng)是：咦，怎么除了第3架，其他2架和現(xiàn)在的飛機(jī)好像沒(méi)什么不同?
再一看介紹，“渦扇”、“渦漿”，這不都是傳統(tǒng)飛機(jī)上的發(fā)動(dòng)機(jī)么?說(shuō)好的新能源、零排放呢?蒙誰(shuí)呢?另外，波音2008年就試飛過(guò)一架氫能源飛機(jī)，比空客早十幾年，憑什么由他們來(lái)“改變游戲規(guī)則”?
這就是值得說(shuō)道的地方。
關(guān)于“氫能源”或者“氫動(dòng)力”，我們已經(jīng)聽(tīng)得很多了，其中最常見(jiàn)的應(yīng)該就是當(dāng)下火熱的“新能源汽車(chē)”概念中的重要分支——燃料電池汽車(chē)。
同為新能源技術(shù)，可能很多人并不知道燃料電池的具體原理，而是把它當(dāng)做和普通鋰離子電池供電等差不多的技術(shù)。但實(shí)際上，燃料電池?zé)o論是和過(guò)去的內(nèi)燃機(jī)，還是和主流純電動(dòng)汽車(chē)的鋰離子電池供電相比，都有不同。
過(guò)去的燃油車(chē)，是由汽油、柴油等燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃燒產(chǎn)生內(nèi)能，推動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)與之相連的汽車(chē)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng);鋰離子電池則是把外部輸入的電能儲(chǔ)存起來(lái)，要用的時(shí)候驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)再帶動(dòng)汽車(chē)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。
燃料電池雖然和鋰離子電池同屬新能源技術(shù)，但是其原理更像是內(nèi)燃機(jī)，是一個(gè)產(chǎn)能機(jī)構(gòu)而非儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)。
它的結(jié)構(gòu)和電池一樣，同樣有正極、負(fù)極和電解質(zhì)，但是它的正負(fù)極并不是負(fù)責(zé)傳輸能量的活性物質(zhì)，而是催化劑，只負(fù)責(zé)催化外部輸入的燃料和氧化劑進(jìn)行反應(yīng)，產(chǎn)出能量。
氫燃料電池作為燃料電池的一種，主要特點(diǎn)是以氫作為燃料。中學(xué)化學(xué)課曾講過(guò)電解水試驗(yàn)：在水中插入直流電路的陽(yáng)極和陰極，然后通電，水就會(huì)分解成氧氣和氫氣。氫燃料電池的原理則是反過(guò)來(lái)：氫氣和氧氣在催化劑的催化下發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生電能和水。
所以，氫燃料電池本身其實(shí)是一個(gè)發(fā)電機(jī)，輸出電能帶動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。
當(dāng)然，它只是原理類似于內(nèi)燃機(jī)，但是其內(nèi)部反應(yīng)非常安靜，比內(nèi)燃機(jī)燃料燃燒和機(jī)械運(yùn)動(dòng)緩和得多。因此造成汽車(chē)以后，氫燃料電池汽車(chē)同純電動(dòng)汽車(chē)一樣，也是非常安靜的。
“安靜”也是大多數(shù)人對(duì)燃料電池和氫動(dòng)力的理解。
正因如此，很多人可能很難想象，氫動(dòng)力會(huì)和飛機(jī)上震耳欲聾的渦扇、渦漿發(fā)動(dòng)機(jī)有什么交集。
實(shí)際上，除了通過(guò)燃料電池反應(yīng)發(fā)電以外，氫氣還有一種用法——直接燒。
和汽油、柴油一樣，氫本身就是一種燃料，和氧氣混合后會(huì)燃燒發(fā)熱。因此從理論上說(shuō)，氫完全可以直接替代汽油、柴油，注入內(nèi)燃機(jī)中燃燒產(chǎn)能。之所以現(xiàn)在不這么做，而是采用燃料電池的方法，是因?yàn)閮?nèi)燃機(jī)有其固有缺陷。
內(nèi)燃機(jī)經(jīng)過(guò)了內(nèi)能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)化，存在一種卡諾循環(huán)限制，其熱效率有極限，目前普遍結(jié)論是氫內(nèi)燃機(jī)的效率不太可能超過(guò)30%。
而燃料電池是通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)把燃料化學(xué)能中的吉布斯自由能部分轉(zhuǎn)換成電能，不受卡諾循環(huán)效應(yīng)的限制。理論上它的發(fā)電效率可達(dá)到85-90%，即便考慮到工作時(shí)各種極化的限制，目前燃料電池的能量轉(zhuǎn)化效率依然能達(dá)到約40-60%。
不過(guò)，在飛機(jī)使用的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)上，燒氫氣就不存在這種問(wèn)題。當(dāng)然，這個(gè)問(wèn)題并不是消失了，作為一種熱機(jī)，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)同樣存在卡諾循環(huán)的限制，其熱效率甚至還低于汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)。
但是作為截然不同的2種機(jī)械，飛機(jī)要考慮的問(wèn)題和汽車(chē)并不同。
首先，從根本上說(shuō)，噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和內(nèi)燃機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理不同。內(nèi)燃機(jī)通過(guò)將燃料燃燒產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能工作。在汽車(chē)上，這個(gè)機(jī)械能驅(qū)動(dòng)車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng);在采用內(nèi)燃機(jī)(活塞式發(fā)動(dòng)機(jī))的飛機(jī)上，這個(gè)機(jī)械能驅(qū)動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，汽車(chē)、飛機(jī)的動(dòng)力和內(nèi)燃機(jī)的效率直接相關(guān)，因此一般用發(fā)動(dòng)機(jī)功率作為關(guān)鍵指標(biāo)。
而噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的原理是將吸入的空氣經(jīng)過(guò)壓縮和加熱，向后噴出。根據(jù)牛頓第三定律——作用力和反作用力，發(fā)動(dòng)機(jī)噴出的力會(huì)帶來(lái)推動(dòng)飛機(jī)向前的力。飛機(jī)飛得好不好，要看這個(gè)推力大不大，所以一般用推力作為噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵指標(biāo)。
而在噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)推力形成的過(guò)程中，燃料燃燒膨脹只是其中一部分，其他諸如壓氣機(jī)的壓縮效率、進(jìn)氣道的進(jìn)氣效率影響也很大。
因此，其燃料燃燒的熱效率并不是噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)首要考慮的。
或許有人會(huì)問(wèn)，那為什么要在飛機(jī)上燒氫氣，而不干脆也像汽車(chē)一樣使用燃料電池呢?事實(shí)上，使用燃料電池的飛機(jī)是有的。前面說(shuō)到，波音2008年試飛的氫燃料飛機(jī)，就是一架單座的小型氫燃料電池飛機(jī)。不過(guò)，氫燃料電池主要也只適合于這種低速小型飛機(jī)。
除了燃料電池本身的體積和重量外，影響這種選擇主要還是前面說(shuō)到的推進(jìn)原理不同。由于依靠氣流推進(jìn)，噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的效率和氣流速度息息相關(guān)，在低速下，其效率會(huì)大幅下降。因此，一些航速在700km/h以下的中小型飛機(jī)，往往會(huì)選擇以螺旋槳拉力為主要?jiǎng)恿Φ臏u槳發(fā)動(dòng)機(jī)甚至是活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，它們就是未來(lái)燃料電池的替換目標(biāo)。
但總體上說(shuō)，噴氣動(dòng)力才是未來(lái)大型高速商用飛機(jī)的首選。同理，使用氫燃料的噴氣式飛機(jī)，才能稱得上“改變游戲規(guī)則”。
那么，相較于過(guò)去的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃料，氫有什么優(yōu)勢(shì)呢?為什么如今又遲遲得不到大規(guī)模應(yīng)用?
氫的優(yōu)勢(shì)說(shuō)起來(lái)很簡(jiǎn)單，就是熱值高和環(huán)保。
氫和氧的燃燒產(chǎn)物只有水，不產(chǎn)生二氧化碳，對(duì)于減少碳排放十分有利。而化石能源均為碳?xì)浠衔?，在燃燒后?huì)造成大量碳排放。
其次，氫的熱值非常高，達(dá)到1.4X10^8焦/千克，比所有化石燃料都高，是傳統(tǒng)航空煤油的3倍。換句話說(shuō)，要提供同樣的能量，所需的氫只是過(guò)去燃料的三分之一，這對(duì)于在重量上錙銖必較的飛機(jī)來(lái)說(shuō)是非常重要的。僅憑這一點(diǎn)，就值得全行業(yè)奮勇追逐這種能源。
至于說(shuō)目前為什么沒(méi)有大規(guī)模應(yīng)用，主要也在氫本身的性質(zhì)上。
氫在常溫下是氣態(tài)，密度非常小，如果要使用氫氣作為燃料，那么恐怕需要數(shù)倍于飛機(jī)大小的儲(chǔ)存罐，才能運(yùn)輸和過(guò)去同等重量的燃料，因此現(xiàn)在普遍使用液氫作為燃料。即便如此，液氫的密度依然只有70 kg/m^3，不到煤油密度的十分之一，依然需要一個(gè)10倍于過(guò)去的儲(chǔ)存空間才能存放。
更大的問(wèn)題是液氫的存儲(chǔ)。液氫沸點(diǎn)是-252.78℃，從離開(kāi)保溫設(shè)備那一刻起，它就在不停地蒸發(fā)，因此要不斷向火箭內(nèi)補(bǔ)充。于此同時(shí)，灌注燃料的速度還不能太快，以避免儲(chǔ)存罐內(nèi)液氫揮發(fā)地太多，使罐內(nèi)壓力過(guò)大。
因此，當(dāng)初同樣采用液氫動(dòng)力的長(zhǎng)征五號(hào)發(fā)射時(shí)，發(fā)射場(chǎng)的液氫灌注工作一直持續(xù)到發(fā)射前幾分鐘才停止。而在民用機(jī)場(chǎng)上，這對(duì)地勤人員和設(shè)備提出了很高的要求。
此外，氫的分子小，存在小分子滲透現(xiàn)象，一旦逸散到容器外，其易燃性會(huì)給飛機(jī)帶來(lái)巨大危險(xiǎn)。因此，氫的儲(chǔ)存需要專業(yè)且昂貴的設(shè)備，目前的經(jīng)濟(jì)性還比較差，主要還是用在不計(jì)成本的航天領(lǐng)域。
或許正是因?yàn)檫@些問(wèn)題的存在，空客將他們的目標(biāo)放到了2035年，其他航空公司的高管則有的認(rèn)為要2040年才能實(shí)現(xiàn)。在對(duì)外表態(tài)時(shí)，空客CEO也呼喊“政府和工業(yè)合作伙伴的支持”。同時(shí)，他們也表露了信心，稱不必?fù)?dān)心氫的安全問(wèn)題
