全球首架载人液氢飞机来了！可飞 1500 公里

摘要：

飞机使用氢作为动力来源，具有热值高、无污染、资源来源广泛等优点，H2FLY试飞为航空级液氢燃料电池系统用于可持续商业航空扫清了最后的障碍。

撰文 | 小博

编辑 | 小棠

这是《环球零碳》的第776篇原创

2023年，被称为氢能飞机元年。全球氢能航空领域的探索非常活跃，不断传出技术突破的好消息。

今年3月，我国自主研制的四座氢燃料内燃机飞机验证机成功首飞；在英国，一架19座的氢电动力飞机实现试飞，时长约10分钟；美国一架40座的氢动力飞机完成试飞，时长约15分钟。

最新一个里程碑消息是，9月7日，德国的氢电飞机动力总成系统开发商 H2FLY 宣布，已成功完成世界上首次使用液氢的电动飞机载人飞行。

值得一提的是，本次是使用液氢的电动载人飞机的首飞，有几个重要意义：

一是全球试飞中功率最大的燃料电池载人飞机；二是使用液氢替代气态氢；三是最大航程增加一倍，从750公里增加到1500公里。

该公司创始人约瑟夫·卡洛（Josef Kallo）说，此次试飞为航空级液氢燃料电池系统用于可持续商业航空扫清了最后的障碍。

这次试飞结果标志着航空业向零排放、中长途商用飞机迈出了关键一步。

图说：H2Fly正在进行地面液氢加注测试。 来源：H2Fly

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H2FLY是什么公司

H2FLY 是一家总部位于德国斯图加特的公司，于2015 年由斯图加特德国航空航天中心和乌尔姆大学的五名工程师创立。

该公司专门从事氢电动航空技术（更具体地说是液氢）的开发，希望成为首批向市场提供合格推进系统的公司之一。2021 年，H2FLY 被加州公司 Joby Aviation 收购，后者正在开发一种电动垂直起降飞行器（eVTOL），以提供空中出租车服务。

与其他零排放航空企业相比，H2FLY 已经创造了多个第一。例如，其 HY4 氢电动飞机早在 2016 年就完成了首飞，并在 2022 年打破世界纪录，在横跨德国 77 英里的旅程中翱翔于 7000 英尺的高空。

凭借近十年的经验，H2FLY 获得了德国多个部委以及 "天堂项目"（Project HEAVEN）的资金支持。

“天堂项目”是一个欧洲多国政府支持的合作研究项目，旨在证明在飞机上使用液态低温氢的可行性。该联盟由 H2FLY 公司牵头，成员包括法国的液化空气集团、斯洛文尼亚的Pipistrel Vertical Solutions公司（蝙蝠飞机公司子公司）、德国航空航天中心 (DLR)、EKPO 燃料电池技术公司和意大利的Fundación Ayesa。

除了天堂项目之外，这项工作还得到了德国联邦经济事务和气候行动部、德国联邦数字和交通部以及乌尔姆大学的资助。

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氢动力飞机用了什么黑科技

H2FLY公司的本次试飞是世界上首次使用液氢的电动飞机载人飞行，但不是液氢飞机的首飞，1988年前苏联使用一架改装的图154飞机使用液氢作为燃料直接供喷气发动机燃烧使用，是液氢作为燃料的首次飞行。

当前主流的飞机氢动力技术路线通常有三种：

其一是氢燃料电池，通过化学反应产生电能，驱动电动机产生推力。

其二是氢燃料内燃机，类似于传统汽油内燃机，但燃料改为了液氢。

第三种选择是与现有涡扇发动机的推进方式相仿——通过点燃更大流量的氢气以驱动涡轮、产生动力，从而使发动机获得更大的功率密度。这种适合更大的民航客机。

H2FLY使用的是第一种，即氢燃料驱动电动机产生推力。

HY4机体由蝙蝠飞机公司制造，是将两架蝙蝠飞机公司的“大金牛” G4双座动力滑翔机的机身组合在一起，是目前实际飞行的载重最大、座位数最多的氢燃料电池载人飞机。

图说：HY4机体是将两架蝙蝠飞机公司的“大金牛” G4双座动力滑翔机的机身组合在一起。 来源：H2FLY

这种机身组合也是一个创新布局，这样飞行员可坐在右侧机身，而燃油系统则保持隔离在左侧机身。与此同时，电力推进系统和氢转换燃料电池都安装在中间的中央机舱中。

H2FLY 的动力系统由储氢装置、120kW 燃料电池能量转换器和电动机组成。自 2016 年以来，以氢电混合动力的 HY4 一直在飞行，但今年夏天取得了突破，使用液态氢而不是气态氢作为燃料。

液态氢比气态氢具有更高的能量密度，可以显著降低油箱重量和体积。在航空运输领域，特别是在改装飞机时，这等于不必去掉太多乘客座位或减少货物空间，即有效载荷。但更重要的是，其解锁了更大的航程。对于 HY4 试验机来说，使用气态氢可以飞 750 公里，而使用液态氢可以飞 1500 公里，也就是两倍的距离。

不过，液态氢需要低温（约-253 C），这增加了运输和加注的复杂性。常温标准大气压下，氢分子以密度很小的气态形式存在，同等能量下体积约是航空煤油的2750倍。不管是气态氢还是液态氢，对密封性的要求都比传统燃油系统更复杂。这是由于氢分子远小于航空煤油，更容易从管路缝隙中逃逸。

对于液氢储存，还必须考虑恒温条件的实现问题，否则升温气化后体积膨胀的氢有可能导致燃料箱内压强骤增而直接爆炸。

HY4 采用的是玻璃纤维和碳纤维制成的储氢罐，这种新型复合材料可以极大地减少其重量并增加有效容积。碳纤维复合材料燃料罐，同等容积下比现有最先进的航天低温罐减少了75%的重量。

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商业化之路

这次试飞，有两名飞行员参加，在空中飞行了 3 小时 1 分钟，消耗了 10 公斤的氢。该飞机的最大储存容量为 24 公斤，可以持续飞行 8 小时。

其中一名飞行员 Johannes Garbino-Anton 在飞行后称：“感觉真是太棒了，这是完美的团队合作成果，这项技术“运行完美”，和普通飞机最大的不同是没有振动和噪音。当然，还有没有二氧化碳排放。”

随着HEAVEN项目飞行测试的完成，H2FLY将专注于商业化之路。今年6月，H2FLY宣布开发出新型H2F-175燃料电池系统，该系统将能够在高达27,000英尺（约 8229 米）的飞行高度提供全功率，标志着从低空可行性飞行演示到真实飞行的道路上迈出了重要一步。

通过与 Deutsche Aircraft 合作，他们打算用 H2FLY 的氢电燃料电池改装一架 30 座的 Dornier 328 示范机，并计划在 2025 年开始试飞。

H2FLY公司创始人约瑟夫·卡洛教授表示，他预计到2030年，升级后的系统将能够为一架40座、航程约2000公里的支线飞机提供动力。

卡洛还补充说，到目前为止的测试表明，氢动力飞机有可能扩大到4兆瓦+4兆瓦的动力总成，这可以推动更大的飞机容纳80到100名乘客。他也不排除新制造商的全新飞机设计，例如包括混合机翼机身。

当前，全球航空业产生的二氧化碳排放量约占全球碳排放总量的2.5%。飞机使用氢作为动力来源，具有热值高、无污染、资源来源广泛等优点，是航空业尽早实现碳中和目标的途径之一。

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参考资料：

[1]https://newatlas.com/aircraft/h2fly-first-liquid-h2-flight/

[2]https://www.aerohome.com.cn/hangjiahao/125686.html

[3]https://www.ithome.com/0/718/149.htm

[4]https://electrek.co/2023/09/07/h2fly-completes-worlds-first-piloted-flight-liquid-hydrogen-electric-aircraft-video/

[5]https://www.ccedia.com/statute_detail/2861.html

[6]https://hydrogen-central.com/worlds-first-crewed-liquid-hydrogen-plane-takes-tnw/

[7]https://www.chinaerospace.com/article/show/1650c644546c652cdb2faba5e00887dd

首图来源：H2Fly

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