FlyZero項(xiàng)目中的氫動(dòng)力客機(jī)概念圖支線飛機(jī)概念FZR-1E中型飛機(jī)概念FZM-1G窄體機(jī)概念FZN-1E

中國(guó)航空?qǐng)?bào)訊：在全球航空業(yè)碳減排的時(shí)代大潮中，英國(guó)通過(guò)布局氫動(dòng)力飛機(jī)研究項(xiàng)目，希望在民用客機(jī)領(lǐng)域重奪主導(dǎo)權(quán)。

今年3月，英國(guó)航空航天技術(shù)研究所公布了FlyZero項(xiàng)目的三款氫動(dòng)力客機(jī)概念，涵蓋支線、窄體和中型客機(jī)，而FlyZero項(xiàng)目的目標(biāo)是到2030年實(shí)現(xiàn)商業(yè)航空的零碳排放。

本次信息披露的內(nèi)容包括關(guān)鍵技術(shù)路線圖、市場(chǎng)和經(jīng)濟(jì)預(yù)測(cè)報(bào)告，以及方案的可持續(xù)性評(píng)估。項(xiàng)目研究表明，氫動(dòng)力飛機(jī)有潛力覆蓋100%的短途航班以及93%的現(xiàn)有長(zhǎng)途航班。

FlyZero項(xiàng)目共確定了13項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，其中6項(xiàng)與氫動(dòng)力飛機(jī)有關(guān)，包括氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)、低溫燃料和儲(chǔ)存系統(tǒng)、燃料電池、熱管理、電力推進(jìn)系統(tǒng)和空氣動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)。其他7項(xiàng)是確保氫動(dòng)力飛機(jī)在商業(yè)和運(yùn)營(yíng)上的可行性，并提供切實(shí)可行的可持續(xù)性改進(jìn)方案，包括飛機(jī)系統(tǒng)、可持續(xù)客艙設(shè)計(jì)、材料、制造、生命周期影響、更短的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證過(guò)程以及機(jī)場(chǎng)、航空公司和空域基礎(chǔ)設(shè)施。

報(bào)告指出，使用氫燃料的飛機(jī)在設(shè)計(jì)上與使用煤油的飛機(jī)有著本質(zhì)的不同，氫的比能較高，飛行所需的氫燃料重量更小。此外，由于燃料從液態(tài)到氣態(tài)的轉(zhuǎn)變以及相關(guān)能源管理等方面的新挑戰(zhàn)，與煤油飛機(jī)相比，氫燃料飛機(jī)在推進(jìn)系統(tǒng)和機(jī)身之間可能需要做更多的集成工作。

支線機(jī)概念——FZR-1E

支線客機(jī)概念以ATR72-600（機(jī)身長(zhǎng)27.13米，翼展27.05米）為原型，采用氫燃料電池推進(jìn)系統(tǒng)，通過(guò)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)6個(gè)直徑為2.29米的螺旋槳，航程為1482千米，巡航速度為648千米/時(shí)，可搭載75名乘客。機(jī)身比ATR72-600稍寬，翼展增加了3.96米，性能與當(dāng)前的ATR72及其未來(lái)的2030年改進(jìn)版本相近，但起飛和著陸距離稍長(zhǎng)，巡航高度為7620米。

報(bào)告稱(chēng)，燃料電池的尺寸需滿足起飛功率的要求，因?yàn)槠痫w距離越短，所需功率越大，電池尺寸也就越大。隨著功率需求（相對(duì)于起飛峰值功率）的下降，燃料電池的運(yùn)行效率將顯著提高。電池尺寸過(guò)大造成的飛機(jī)重量的增加可以通過(guò)減小熱管理系統(tǒng)重量和降低燃料消耗來(lái)抵消。

考慮到空間、重量和平衡的原因，燃料電池從后機(jī)艙移到了后機(jī)艙地板下方的非加壓區(qū)域。此外，還擴(kuò)展了起落架整流罩的空間以容納熱、空氣和水管理系統(tǒng)。雖然更寬的機(jī)身有助于提高儲(chǔ)氫效率，但由于表面積與體積之比的限制，導(dǎo)致泡沫絕緣材料難以滿足儲(chǔ)罐需求（尤其是后儲(chǔ)罐），所以使用了真空絕緣儲(chǔ)罐。

由于飛行中燃料電池的溫度可能達(dá)到80℃，所以熱管理系統(tǒng)（包括短艙中用于電和燃料電池?zé)峁芾淼臒峤粨Q器）非常關(guān)鍵。此外，燃料電池的副產(chǎn)物是水，所以增加了一個(gè)儲(chǔ)水系統(tǒng)，避免飛機(jī)在爬升階段產(chǎn)生凝結(jié)水或在跑道上留下液態(tài)水，儲(chǔ)水系統(tǒng)中的水在后續(xù)飛行過(guò)程中會(huì)被耗盡或用于機(jī)載系統(tǒng)。

窄體機(jī)概念——FZN-1E

窄體機(jī)概念以A320neo為原型，航程為4445千米，經(jīng)濟(jì)艙可容納180個(gè)座位，發(fā)動(dòng)機(jī)采用兩臺(tái)燃?xì)錅u扇發(fā)動(dòng)機(jī)，安裝在T型尾翼下方，機(jī)身比空客A320長(zhǎng)7米，平均機(jī)身尺寸比A320寬0.91米，但機(jī)翼和推進(jìn)系統(tǒng)的效率更高，整體阻力更小，所以在跑道長(zhǎng)度、巡航速度和高度等方面與A320基本相當(dāng)。該機(jī)采用錐形機(jī)身和高展弦比機(jī)翼，翼展為39.32米，儲(chǔ)罐置于機(jī)艙后部。中后機(jī)艙得益于機(jī)身寬度的增加，可以布置成雙通道，這種變截面錐形機(jī)身設(shè)計(jì)便于形成自然層流，減少阻力。

這個(gè)概念的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)要點(diǎn)是機(jī)頭位置的“鴨翼”，以解決在不同飛行和載荷條件下的重心偏移問(wèn)題。“鴨翼”設(shè)計(jì)提供了更好的縱向配平能力，這樣重心范圍更寬，俯仰性能更優(yōu)，還可以與尾翼結(jié)合使用，在重心偏移的情況下，最大限度地減少飛機(jī)的配平阻力。

這個(gè)概念的機(jī)翼采用干式機(jī)翼（不儲(chǔ)存燃料，燃料全部?jī)?chǔ)存在機(jī)身中），并采用了與波音777X類(lèi)似的折疊翼尖，符合A320尺寸級(jí)別的翼展限制。采用干翼設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)便于針對(duì)機(jī)翼彎矩和氣動(dòng)彈性進(jìn)行優(yōu)化，襟翼也可以設(shè)置在機(jī)翼結(jié)構(gòu)內(nèi)，從而減少阻力。

中型機(jī)概念——FZM-1G

中型機(jī)概念以波音767-200ER為原型，可搭乘280名乘客，商載航程為9723千米，設(shè)計(jì)最大航程為10649千米，可很好地滿足窄體機(jī)和寬體機(jī)之間的中間客運(yùn)市場(chǎng)需求。

此外，2021年12月所披露的概念和現(xiàn)在有所不同。最初的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是機(jī)身前凸，機(jī)身下半部分兩側(cè)各有一個(gè)“臉頰型”低溫燃料箱，而新的概念將“三角形”油箱置于機(jī)翼前方的翼身整流罩中的非加壓區(qū)域，大部分氫燃料仍然儲(chǔ)存在原來(lái)機(jī)身后部的燃料箱中。

與窄體機(jī)概念一樣，中型機(jī)也采用干翼設(shè)計(jì)，機(jī)身更寬。報(bào)告指出，對(duì)于窄體機(jī)和中型機(jī)，由于氫燃料相對(duì)煤油或可持續(xù)航空燃料（SAF）較輕，在推力要求相同的情況下，可以減小發(fā)動(dòng)機(jī)直徑和質(zhì)量，也可降低整體燃料消耗。所以，對(duì)氫動(dòng)力飛機(jī)而言，更小、更輕的發(fā)動(dòng)機(jī)是更好的選擇。在性能方面，氫動(dòng)力飛機(jī)的起飛性能和初始巡航高度略有提高，巡航速度更快，但進(jìn)近速度稍高，著陸長(zhǎng)度稍長(zhǎng)。

最后報(bào)告指出，除了概念本身之外，還需多關(guān)注其他關(guān)鍵領(lǐng)域，包括氫的生產(chǎn)和配套基礎(chǔ)設(shè)施，以及尾流凝跡對(duì)氣候變化的影響。與此同時(shí)，ATI還表示，單純依靠氫動(dòng)力無(wú)法實(shí)現(xiàn)到2050年凈零碳排放的目標(biāo)，還需要各方繼續(xù)投資，以加速可持續(xù)航空燃料（SAF）的研發(fā)和生產(chǎn)。

(田濤　何鵬　程文旺)

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