未来的氢能源飞机为什么设计成这样

　　空中客车2020年9月份公布了全球首款零排放民用飞机的三种概念机型，并计划于2035年投入使用。这些概念机各自代表了实现零排放飞行的不同方法，探索各种技术途径和空气动力学构型，以支持空中客车在领导整个航空业脱碳方面的雄心壮志。

　　所有这些概念飞机都依靠氢能源作为主要动力。氢能源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以及许多其他行业实现其气候中立目标的解决方案。

　　全球首款零排放民用飞机由三种概念机型组成

　　首款气候中立零排放民用飞机的三款概念机都命名为 “ ZEROe” ，包括：

　　第一款采用涡轮风扇发动机的设计方案（搭载 120-200 名乘客），航程超过 2000 海里，能够进行跨大陆运行，由燃烧氢气而非传统航空燃料的改型燃气涡轮发动机提供动力。液态氢将通过位于后耐压舱壁后面的储罐进行存储和输送。

　　第二款采用涡轮螺旋桨发动机的设计方案（最多搭载 100名乘客），使用涡轮螺旋桨发动机代替涡轮风扇发动机，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，航程超过1000 海里，是短途旅行的理想选择。

　　第三款采用“翼身融合”的设计方案（最多搭载 200名乘客），机翼与机身采用融合设计，航程与涡轮风扇概念机相似。超宽的机身为氢气的储存和输送，以及客舱布局提供了多种选择。

　　咱们探讨一下第二款：

　　作为ZEROe零排放飞机正在研发中的几个概念之一，“吊舱”构型与今天我们在跑道上所看到的任何飞机都不太一样，其设计以一系列基于氢燃料电池技术的独立推进系统为特色。如今，空客正在对这一构型进行研究，以确定其能否应用于大型民用飞机。

　　S型进气道、翼梢小翼、同轴反转螺旋桨。过去50年中，航空业已经研发出让飞机飞得更高、更快以及更远的不同构型。如今，作为ZEROe项目的一部分，工程师正在研发一种能够使客机在没有排放的情况下飞得更远的全新构型。

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　　这种创新方式包括在机翼下方安装6个八桨叶的“吊舱”。虽然“吊舱式”发动机在航空领域并不是一个全新的概念，但这些发动机并不是由任何普通的推进系统驱动，氢燃料电池是其中的关键部件。

　　ZEROe 飞机架构负责人 Matthieu Thomas 解释道： “ ‘吊舱’结构本质上是一个分布式燃料电池推进系统，通过沿机翼排列的6个推进器向飞机提供推力。氢燃料电池有着非常不同的设计考虑，所以我们必须另辟蹊径。 ”

　　事实上，氢燃料电池技术还没有扩展到能够应用于一架客机大小的大型民用飞机上。能够搭载最多 20 名乘客的小型氢动力试验飞机可以采用配备两个螺旋桨的传统固定翼构型，但是更多的载客量以及更长的航程则需要另一种解决方案。空中客车目前正在研究包括 “ 吊舱 ” 在内的各种不同构型，以确定哪种构型有潜力应用于更大的飞机。

　　用于螺旋桨推进的吊舱构型

　　每个 “ 吊舱 ” 基本都是一个独立的螺旋桨推进系统，由氢燃料电池提供动力。它由下列部分组成：

　　螺旋桨

　　电动机

　　燃料电池

　　电力电子

　　液氢罐

　　冷却系统

　　配套设备

　　氢和空气供给燃料电池以产生电流，电力电子技术把电流转化为电动机的动力，随后电动机使传动轴旋转，从而带动螺旋桨产生动力。

　　“ 吊舱 ” 构型的另一个显著特点是它的可拆装性，这意味着每个 “ 吊舱 ” 都可以在短时间内拆卸并重新组装。这种方法可以为机场的维护和潜在的氢燃料补给提供实用和快速的解决方案。

　　‘吊舱’结构本质上是一个分布式燃料电池推进系统，通过沿机翼排列的6个推进器向飞机提供推力。

　　氢能源飞机新起点

　　尽管 “ 吊舱 ” 构型拥有先进的设计理念，但我们仍然需要大量的工作来确定它是否可以成为一种合适的解决方案。我们的工程师正在努力推进零排放飞机 ZEROe项目的发展 ，这种方案依然是众多技术选择中的亮点之一。

　　空中客车零排放飞机副总裁 Glenn Llewellyn 表示： “ 这种“吊舱”构型是培养进一步研究如何将氢技术应用于民用飞机的一个很好的起点。这是其中一种选择，但在我们做出最终选择（预计2025年前）之前，还有更多的选择将被概念化。 ”