向巧院士：保持戰(zhàn)略定力推進(jìn)氫能航空動(dòng)力科技創(chuàng)新發(fā)展

原文發(fā)表于《科技導(dǎo)報(bào)》2026 年第3 期 《 保持戰(zhàn)略定力推進(jìn)氫能航空動(dòng)力科技創(chuàng)新發(fā)展 》

氫能作為零碳、高熱值的清潔能源，被視為航空業(yè)脫碳的關(guān)鍵路徑，主要航空強(qiáng)國已紛紛布局氫能航空技術(shù)研發(fā)。《科技導(dǎo)報(bào)》邀請(qǐng)?zhí)袑?shí)驗(yàn)室向巧院士撰寫文章，系統(tǒng)闡述了氫能在航空領(lǐng)域應(yīng)用的必要性與可行性：氫能可助力航空業(yè)實(shí)現(xiàn)零碳排放、提升飛行性能，并已通過多項(xiàng)歷史驗(yàn)證與當(dāng)代工程研究證實(shí)其技術(shù)潛力和發(fā)展前景。全球氫能航空正從概念研究邁向工程應(yīng)用，產(chǎn)業(yè)鏈與生態(tài)系統(tǒng)加速構(gòu)建。然而，氫能航空仍面臨儲(chǔ)氫技術(shù)、燃燒控制、燃料電池功率密度、試驗(yàn)設(shè)施不足、產(chǎn)業(yè)鏈不完善及缺乏頂層統(tǒng)籌等挑戰(zhàn)。對(duì)此，建議保持戰(zhàn)略定力，打造氫能航空國家戰(zhàn)略科技力量，創(chuàng)新科研組織模式，構(gòu)建全產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新生態(tài)，并通過國家重大專項(xiàng)推動(dòng)技術(shù)、政策與基礎(chǔ)設(shè)施協(xié)同發(fā)展。

氫能是無限能源、清潔能源和優(yōu)質(zhì)能源。氫元素是宇宙中分布最廣泛的物質(zhì)，主要以化合態(tài)形式存在于自然界中。氫能可通過電解水、化石燃料重整或工業(yè)副產(chǎn)等方式制取，具有可循環(huán)、零排放、可儲(chǔ)能、能源互聯(lián)等特點(diǎn)，被視為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉矗艿绞澜绺鲊鴱V泛關(guān)注。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，大自然中儲(chǔ)藏著豐富的氫能資源。2025年5月，牛津大學(xué)、杜倫大學(xué)與多倫多大學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，全球多地可能存在氫儲(chǔ)層，或可滿足人類17萬年的能源需求。2024年，阿爾巴尼亞蛇綠巖中發(fā)現(xiàn)大型氫儲(chǔ)層，計(jì)算獲得的年均氫氣排放量高達(dá)200 t以上。氫燃燒或氫電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物只有水，可徹底擺脫碳排放；在相同質(zhì)量下，氫的能量密度是航空煤油的2.8倍，在相同當(dāng)量比條件下，氫燃料燃燒溫度高出航空煤油100 K以上。

氫用于航空并非新鮮事物。早在1852年，法國人亨利·吉法爾（Henry Giffard）便制造了以氫氣為浮升氣體的世界上首架動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的可駕駛飛艇。20世紀(jì)50年代至21世紀(jì)初，出于提升軍用飛機(jī)性能和能源安全的考慮，人類開始利用氫氣高熱值、高比熱等特性，開展將氫氣作為燃料的氫動(dòng)力飛機(jī)技術(shù)研究。近年來，隨著全球航空業(yè)碳減排形勢(shì)的日趨嚴(yán)峻，氫的綠色零碳特性被認(rèn)為是航空業(yè)脫碳的重要途徑，氫能航空發(fā)展受到各國政府、機(jī)構(gòu)和航空企業(yè)的高度關(guān)注。在2025年3月召開的“2025空客峰會(huì)”上，空客公司再次確認(rèn)了將商業(yè)化可行的氫能源飛機(jī)推向市場(chǎng)的承諾，并公布了新修訂的氫動(dòng)力飛機(jī)發(fā)展計(jì)劃，認(rèn)為氫能航空是一條最有前途的發(fā)展路徑。當(dāng)然，氫能航空發(fā)展仍面臨技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、基礎(chǔ)設(shè)施、政策等多方面的挑戰(zhàn)。

1 氫能在航空領(lǐng)域應(yīng)用的必要性

1.1 氫是航空業(yè)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇

傳統(tǒng)化石能源產(chǎn)生的溫室效應(yīng)與空氣污染，已對(duì)人類社會(huì)和自然環(huán)境構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，加快能源轉(zhuǎn)型、實(shí)現(xiàn)綠色化發(fā)展已成為必然趨勢(shì)。氫能具有零碳排放、高熱值、高比熱、高燃燒效率、高熱沉、靈活變電、易獲取等諸多優(yōu)勢(shì)。氫能航空動(dòng)力發(fā)展對(duì)燃燒技術(shù)、材料、燃料電池與電機(jī)水平、精密加工等的要求很高，氫能在航空領(lǐng)域應(yīng)用將促進(jìn)氫內(nèi)燃機(jī)、氫燃料電池、儲(chǔ)氫等關(guān)鍵核心技術(shù)的突破，是航空業(yè)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇，對(duì)推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型和制造業(yè)高端化、智能化、綠色化發(fā)展也將發(fā)揮極大的帶動(dòng)作用，并產(chǎn)生輻射效應(yīng)。

1.2 氫是航空業(yè)實(shí)現(xiàn)零碳目標(biāo)的理想選擇

自古以來，人類減碳的努力從未停止過，從“柴、煤、油、氣”到“風(fēng)、光、核、氫”，人類能源發(fā)展史就是不斷減碳的歷史。近年來，全球航空業(yè)每年碳排放量已超過10億t，占碳排放總量的2%~3%（圖1）。一架典型民航客機(jī)一年的碳排放量可高達(dá)3600 t，相當(dāng)于90萬棵樹1年吸收的二氧化碳，或800輛轎車1年的碳排放量。如不加控制，到2050年，全球25%的碳排放將來自航空業(yè)。據(jù)國際清潔運(yùn)輸委員會(huì)（International Council on Clean Transportation，ICCT）統(tǒng)計(jì)，干線飛機(jī)的碳排放量占全球客運(yùn)航空碳排放量的93%，是脫碳的關(guān)鍵。

航空業(yè)碳排放的98%來自飛機(jī)使用階段，79%來自航空燃料的燃燒過程。全球航空業(yè)正在從基于通過提高燃油效率減少碳排放的漸進(jìn)式改革，向開發(fā)低碳、零碳航空動(dòng)力技術(shù)的革命性變革方向轉(zhuǎn)變，以期從根本上解決碳排放問題。氫元素是宇宙中分布最廣泛的物質(zhì)，構(gòu)成宇宙質(zhì)量的75%。氫能是通過電解水、化石燃料重整或工業(yè)副產(chǎn)品等方式制取的清潔能源，具有可循環(huán)、零排放、可儲(chǔ)能、能源互聯(lián)等特點(diǎn)，采用氫能作為航空動(dòng)力可完全實(shí)現(xiàn)零碳排放。國外研究認(rèn)為，氫能飛機(jī)不僅技術(shù)上可行，且具備全部短途航線和93%遠(yuǎn)程航線的能力，是航空業(yè)實(shí)現(xiàn)零碳目標(biāo)的理想選擇。

圖1 全球航空業(yè)每年碳排放量

1.3 氫是改善飛機(jī)飛行性能的優(yōu)質(zhì)能源

氫燃燒層流火焰?zhèn)鞑ニ俣仁呛娇彰河偷?0倍，有利于燃燒室聯(lián)焰，在更高來流速度下火焰也能穩(wěn)定燃燒（圖2），適用于更高的飛行速度條件。洛馬公司研究表明，高超聲速飛機(jī)為實(shí)現(xiàn)高速巡航飛行，最好的選擇是采用氫燃料渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)或變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)；氫的可燃極限是航空煤油的近10倍，采用氫燃料可在更小的燃料?空氣質(zhì)量比條件下穩(wěn)定燃燒，且不需要燃料霧化過程，可提升燃燒室燃燒邊界，進(jìn)一步拓寬發(fā)動(dòng)機(jī)工作包線；同時(shí)，氫燃料為氣態(tài)且點(diǎn)火能量小，在發(fā)動(dòng)機(jī)高空惡劣條件下仍能快速可靠點(diǎn)燃，可提升發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)和燃燒穩(wěn)定性，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)高空工作能力；此外，液氫的可用熱沉遠(yuǎn)高于航空煤油，作為優(yōu)質(zhì)冷源可用于飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合熱管理，既可通過預(yù)冷/間冷等方式參與發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)，進(jìn)一步提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能，還可用于飛機(jī)熱沉的消耗，有利于高速下熱防護(hù)，聯(lián)合飛行平臺(tái)開展一體化、機(jī)載儲(chǔ)氫新構(gòu)型等設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)飛行器馬赫數(shù)10以上的飛行（圖3）。

圖2 氫燃料與航空煤油穩(wěn)定燃燒范圍對(duì)比

圖3 氫能飛機(jī)的優(yōu)勢(shì)

1.4 氫能飛機(jī)未來應(yīng)用前景廣闊

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2024年全球氫飛機(jī)市場(chǎng)規(guī)模價(jià)值11.3億美元。據(jù)Precedence Research預(yù)測(cè)，氫飛機(jī)市場(chǎng)規(guī)模到2034年將達(dá)到288.9億美元左右（圖4）。按載客量計(jì)算，100座以下的細(xì)分市場(chǎng)在2024年貢獻(xiàn)了最高的市場(chǎng)份額；從航程看，短途細(xì)分市場(chǎng)在2024年占據(jù)最大市場(chǎng)份額。

圖4 2024—2034年氫飛機(jī)市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)

（數(shù)據(jù)來源：https://www.precedenceresearch.com/hydrogen-aircraft-market）

據(jù)國際航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)（International Air Transport Association，IATA）統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前，美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）、波音、空客、洛克希德·馬丁、克蘭菲爾德大學(xué)、德國航空航天中心（German Aerospace Center，DLR）、英國航空航天技術(shù)研究所（Aerospace Technology Institute，ATI）等開展的氫能航空動(dòng)力項(xiàng)目可覆蓋各種用途和大小的飛機(jī)（圖5）。據(jù)ATI預(yù)測(cè)，在21世紀(jì)30年代，由于可持續(xù)航空燃料（sustainable aviation fuel，SAF）提供動(dòng)力的升級(jí)窄體飛機(jī)將占據(jù)主導(dǎo)，從而推遲零碳窄體飛機(jī)的到來，圖6為ATI預(yù)測(cè)的開發(fā)氣態(tài)氫和液態(tài)氫動(dòng)力飛機(jī)的時(shí)間表。目前，支線級(jí)氣氫飛機(jī)及一些小型液氫飛機(jī)正在開展飛行試驗(yàn)，為未來大型商用飛機(jī)技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)，ATI提出下一代氫飛機(jī)很可能將液氫燃?xì)鉁u輪與燃料電池相結(jié)合作為推進(jìn)源，預(yù)計(jì)將在21世紀(jì)40年代投入使用。

圖5 全球氫能航空動(dòng)力研究項(xiàng)目

圖6 英國航空航天技術(shù)研究所預(yù)測(cè)的氫飛機(jī)開發(fā)時(shí)間表

2 氫能在航空領(lǐng)域應(yīng)用的可行性

2.1 氫能在航空領(lǐng)域應(yīng)用的可行性已得到驗(yàn)證

從20世紀(jì)30年代的用氫測(cè)試，到20世紀(jì)50年代NASA氫動(dòng)力軍用飛機(jī)研究，再到20世紀(jì)80年代蘇聯(lián)氫動(dòng)力超聲速客機(jī)飛行，氫能在航空領(lǐng)域應(yīng)用的可行性已得到驗(yàn)證。2020年前，氫能航空技術(shù)研究經(jīng)歷了2個(gè)活躍期。第1個(gè)時(shí)期是在1950—1960年，以提高軍機(jī)性能需求為目的。當(dāng)時(shí)，美國空軍啟動(dòng)了“Suntan”項(xiàng)目，資助了洛克希德公司Ma2.5的偵察機(jī)CL?400換氫，研究氫作為燃料來提高高空偵察機(jī)性能。美國還同步開展了其他仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究，探索氫推進(jìn)、燃料系統(tǒng)、儲(chǔ)存和安全性等方面的技術(shù)。這一時(shí)期對(duì)氫能航空的探索由于技術(shù)成熟度不高和政府的擔(dān)憂而終止。第2個(gè)時(shí)期是在1980—2000年，以解決石油危機(jī)和能源短缺問題為目的。美國洛克希德公司再次獲得NASA的資助，研究使用氫氣為亞聲速和超聲速運(yùn)輸飛機(jī)提供燃料，對(duì)燃?xì)錅u輪發(fā)動(dòng)機(jī)、氫燃料系統(tǒng)、燃料密封系統(tǒng)和飛機(jī)方案開展計(jì)算研究，因預(yù)算有限沒有深入展開。石油危機(jī)減弱后，當(dāng)時(shí)的氫能航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究也沒有進(jìn)一步進(jìn)行。目前，氫能航空動(dòng)力技術(shù)正處于從實(shí)驗(yàn)室走向商業(yè)化的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn)，盡管仍面臨技術(shù)、成本和基礎(chǔ)設(shè)施等多重挑戰(zhàn)，但發(fā)展前景依然樂觀，有望重塑全球航空業(yè)新格局。

2.2 氫能航空發(fā)展已從概念研究轉(zhuǎn)向工程應(yīng)用

近年來，氫能航空進(jìn)入快速發(fā)展新時(shí)期，主要發(fā)達(dá)國家紛紛發(fā)布?xì)淠芎娇瞻l(fā)展相關(guān)戰(zhàn)略規(guī)劃和計(jì)劃，如歐盟《航跡2050》《氫動(dòng)力航空：到2050年氫技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和氣候影響》、美國《氫能計(jì)劃發(fā)展規(guī)劃》《氫能經(jīng)濟(jì)路線圖》、日本《航空脫碳化新技術(shù)路線圖》等。2018年9月，歐盟啟動(dòng)ENABLEH2（氫基無二氧化碳空氣運(yùn)輸）項(xiàng)目，專注于提高燃料系統(tǒng)熱管理技術(shù)的成熟度，提出利用低溫液氫冷卻壓氣機(jī)進(jìn)口氣流，從而減少壓氣機(jī)的壓縮功，提升循環(huán)效率；利用低溫液氫與渦輪冷卻空氣進(jìn)行換熱，從而提高渦輪進(jìn)口溫度，提升循環(huán)效率；利用氫燃料與發(fā)動(dòng)機(jī)高溫排氣進(jìn)行換熱，提高氫燃料的焓值，從而降低燃料消耗（圖7）。2020年9月，空客公司發(fā)布了名為ZEROe的研究計(jì)劃，提出了3種氫能飛機(jī)概念，分別采用上單翼布局翼吊液氫燃料渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)、常規(guī)布局翼吊液氫燃料渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)及翼身融合布局液氫燃料分布式動(dòng)力。2021年，歐盟啟動(dòng)清潔航空（Clean Aviation）計(jì)劃，首批計(jì)劃包括6個(gè)氫動(dòng)力飛機(jī)項(xiàng)目，總經(jīng)費(fèi)為2.1億歐元；第二批計(jì)劃新增8個(gè)項(xiàng)目，包括混合動(dòng)力、氫動(dòng)力技術(shù)研究項(xiàng)目等。2021年，巴西啟動(dòng)Energia計(jì)劃，計(jì)劃開發(fā)低排放飛機(jī)，包括開發(fā)氫燃料電池驅(qū)動(dòng)的19座飛機(jī)和35~50座燃?xì)錅u輪發(fā)動(dòng)機(jī)客機(jī)。

圖7 ENABLEH2 項(xiàng)目中基于間冷回?zé)嵫h(huán)的氫能航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究

2021年12月，ATI啟動(dòng)了FlyZero項(xiàng)目，公布了采用2臺(tái)氫燃料渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的液氫燃料遠(yuǎn)程中型飛機(jī)概念。2022年5月，日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）宣布，將在“綠色創(chuàng)新投資計(jì)劃”下與川崎重工合作，開發(fā)以液氫為燃料的下一代氫能飛機(jī)核心技術(shù)。2023年4月，瑞士初創(chuàng)公司Destinus宣布，正在開發(fā)能夠在高度超過50 km、馬赫>5飛行的氫動(dòng)力超聲速客機(jī)。2025年6月，美國NASA在“創(chuàng)新先進(jìn)概念計(jì)劃”（NASA Innovative Advanced Concepts，NIAC）支持下開展氫混電推進(jìn)技術(shù)研究與驗(yàn)證，提出航空可持續(xù)系統(tǒng)的氫混合動(dòng)力（Hydrogen Hybrid Propulsion for Aviation Sustainable Systems，Hy2PASS）（圖8），通過解耦壓氣機(jī)與渦輪的機(jī)械聯(lián)動(dòng)，使能量轉(zhuǎn)化效率提升40%以上。高空巡航時(shí)，由氫燃料電池供電；緊急爬升時(shí)，由燃料電池+渦輪雙動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。現(xiàn)已完成原理驗(yàn)證，下一階段將改裝小型公務(wù)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。

圖8 Hy2PASS系統(tǒng)概念圖

目前，國外氫能航空發(fā)展已從概念研究轉(zhuǎn)向工程應(yīng)用：燃?xì)錅u輪發(fā)動(dòng)機(jī)即將從氣氫、部件級(jí)地面驗(yàn)證向液氫、整機(jī)級(jí)試驗(yàn)過渡。2021年6月，CFM國際（CFM International）公司啟動(dòng)了可持續(xù)發(fā)動(dòng)機(jī)革新技術(shù)（revolutionary innovation for sustainable engines，RISE）驗(yàn)證計(jì)劃，將直接燃燒氫作為重要研究?jī)?nèi)容，計(jì)劃2025年完成氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)地面和飛行試驗(yàn)。2022年2月，普拉特·惠特尼集團(tuán)公司（Pratt&Whitney Group，P&W）獲美國能源部（United States Department of Energy，DOE）支持，在氫?蒸汽噴射間冷渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)（HySIITE）計(jì)劃下研發(fā)高效氫燃料推進(jìn)技術(shù)（圖9），使用該技術(shù)有望使下一代單通道飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)氮氧化物排放減少80%，燃料消耗減少35%，計(jì)劃到2035年后配裝飛機(jī)投入使用。2022年11月，英國羅爾斯?羅伊斯公司完成了AE2100?A渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)氫燃燒地面試驗(yàn)，計(jì)劃2030年前后為中小型飛機(jī)提供動(dòng)力；2023年9月，又完成了“珍珠”700渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)全環(huán)形燃燒室純氫燃燒試驗(yàn)，驗(yàn)證了氫燃料在最大起飛推力狀態(tài)下燃燒的技術(shù)可行性；2024年6月，驗(yàn)證了低溫液氫泵技術(shù)，并與德宇航首次模擬發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)工況，對(duì)燃燒室中氫燃燒進(jìn)行了光學(xué)觀察和測(cè)量。通用電氣（GE）公司于2023年7月完成了純氫燃燒室部件試驗(yàn)。賽峰集團(tuán)在2024年1月成功測(cè)試了具有高性能回?zé)嵫h(huán)的氫燃料渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)TP?R90，使用氣氫燃料驗(yàn)證了發(fā)動(dòng)機(jī)和燃油控制系統(tǒng)在所有使用工況的工作能力；2025年1月，賽峰集團(tuán)完成了基于超高效回?zé)嵫h(huán)、使用液氫燃料的航空發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)。

圖9 普拉特·惠特尼集團(tuán)公司氫蒸汽噴射間冷渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)（HySIITE）概念

2.3 氫能航空生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)是未來發(fā)展的關(guān)鍵

氫能航空產(chǎn)業(yè)鏈長，技術(shù)研究領(lǐng)域與學(xué)科跨度大且高度交叉融合，氫能航空生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)尤為重要，其關(guān)鍵要素包括政府、機(jī)場(chǎng)、航空公司、飛機(jī)制造商、發(fā)動(dòng)機(jī)制造商和能源企業(yè)。國外氫能航空發(fā)展是通過政府主導(dǎo)下的多利益攸關(guān)方協(xié)同模式，其核心是政府機(jī)構(gòu)作為戰(zhàn)略引導(dǎo)者和資金啟動(dòng)方，通過國家項(xiàng)目牽引，將行業(yè)內(nèi)頂尖企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)組成聯(lián)合團(tuán)隊(duì)。

歐洲通過歐盟委員會(huì)的強(qiáng)力牽引，由空客公司主導(dǎo)的跨國團(tuán)隊(duì)和產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟實(shí)施了“凈潔天空”“清潔航空”等計(jì)劃，共同制定氫能航空愿景，研究氫供應(yīng)鏈及其挑戰(zhàn)，評(píng)估市場(chǎng)需求，制定政策、法規(guī)和激勵(lì)措施，聯(lián)合開展技術(shù)攻關(guān)，合作開發(fā)氫動(dòng)力飛機(jī)機(jī)場(chǎng)，法國通過多個(gè)主體參與的戰(zhàn)略合作，構(gòu)建了全球氫能合作網(wǎng)絡(luò)。美國氫能航空主要由NASA主導(dǎo)的“創(chuàng)新生態(tài)”、國防部的需求驅(qū)動(dòng)和初創(chuàng)公司的敏捷競(jìng)爭(zhēng)來推進(jìn)，NASA通過設(shè)定宏大的技術(shù)目標(biāo)，通過創(chuàng)新項(xiàng)目的方式資助企業(yè)和大學(xué)等開展前沿研究；國防部則基于能源和安全需求，推動(dòng)氫能航空技術(shù)的應(yīng)用；初創(chuàng)公司ZeroAvia、Joby等公司利用風(fēng)險(xiǎn)投資和資本市場(chǎng)快速進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證和原型機(jī)試飛，加速了創(chuàng)新進(jìn)程。英國主要通過代表政府的ATI與工業(yè)界共同資助氫能航空項(xiàng)目，ATI明確技術(shù)路線，羅爾斯?羅伊斯公司攻關(guān)動(dòng)力系統(tǒng)，克蘭菲爾德大學(xué)開展氫能航空機(jī)理與實(shí)驗(yàn)研究。

2.4 中國氫能航空動(dòng)力技術(shù)研究開始起步

2016年以來，中國已陸續(xù)出臺(tái)16項(xiàng)政策或規(guī)劃，支持綠色低碳?xì)溲芯繎?yīng)用與發(fā)展。在氫能航空發(fā)展上，國務(wù)院分別在2016、2021和2024年發(fā)布的《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》和《推動(dòng)大規(guī)模設(shè)備更新和消費(fèi)品以舊換新行動(dòng)方案》中，對(duì)氫能航空技術(shù)、產(chǎn)品、產(chǎn)業(yè)發(fā)展分別做出了規(guī)劃和部署。2023年10月，工業(yè)和信息化部、科學(xué)技術(shù)部、財(cái)政部和中國民用航空局發(fā)布《綠色航空制造業(yè)發(fā)展綱要（2023—2035年）》，明確規(guī)劃布局氫能航空新賽道，支持探索氫內(nèi)燃機(jī)技術(shù)、氫渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)、氫渦輪混合電推進(jìn)技術(shù)等氫能源飛機(jī)關(guān)鍵技術(shù)。2024年12月，工業(yè)和信息化部、發(fā)展和改革委員會(huì)、國家能源局聯(lián)合印發(fā)《加快工業(yè)領(lǐng)域清潔低碳?xì)鋺?yīng)用實(shí)施方案》，明確推進(jìn)氫燃料電池、氫內(nèi)燃機(jī)、氫渦輪等動(dòng)力裝置理論研究與技術(shù)驗(yàn)證，計(jì)劃到2027年在航空等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)示范應(yīng)用。

2021年以來，中國航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)（中國航發(fā)）開展了燃?xì)錅u輪發(fā)動(dòng)機(jī)需求分析、方案設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)研究，加快氫能航空動(dòng)力基礎(chǔ)理論創(chuàng)新和關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，在氫燃燒、氫控制、氫密封等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域取得了階段性進(jìn)展。2021年，中國航發(fā)“微小尺度的氫燃料混合組織燃燒”技術(shù)研究啟動(dòng)，將200 kg推力級(jí)燃油渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)改造為燃?xì)浒l(fā)動(dòng)機(jī)，于2024年8月成功完成整機(jī)地面驗(yàn)證，目前正在攻克氫氣計(jì)量難題；2025年6月，千牛級(jí)氫燃料渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)成功完成國內(nèi)首次氫燃料航空渦輪動(dòng)力飛行驗(yàn)證，采用70 MPa氣氫儲(chǔ)控/加注系統(tǒng)，成功開展了多高度氫渦噴空中起動(dòng)點(diǎn)火、氫渦噴主動(dòng)力巡航飛行、氫渦噴空中加減速測(cè)試等項(xiàng)目，最大飛行高度為海拔3 km；2025年11月，中國航發(fā)兆瓦級(jí)氫燃料渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)亮相亞洲通用航空展，提出了“對(duì)撞射流微混燃燒室技術(shù)”，是突破氫燃料航空發(fā)動(dòng)機(jī)“爆震”與“高NOx”難題的關(guān)鍵核心技術(shù)，該發(fā)動(dòng)機(jī)已完成60 h持續(xù)摸底試驗(yàn)。2023年，中國航空工業(yè)集團(tuán)有限公司的氫燃料電池混合動(dòng)力驗(yàn)證機(jī)“靈雀?H”成功試飛，航程突破200 km。遼寧通用航空研究院、沈陽航空航天大學(xué)、中國商飛北京民用飛機(jī)技術(shù)研究中心、浙江氫航客機(jī)有限公司等也在積極研發(fā)氫燃料電池動(dòng)力。

3 氫能航空動(dòng)力發(fā)展仍面臨諸多挑戰(zhàn)

盡管氫能在航空領(lǐng)域應(yīng)用的可行性已得到驗(yàn)證，但氫能飛機(jī)技術(shù)尚未發(fā)展成熟，距離實(shí)際應(yīng)用仍需時(shí)日。目前，氫渦輪噴氣飛機(jī)技術(shù)成熟度為4級(jí)，仍處在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證階段，而氫渦槳飛機(jī)的技術(shù)成熟度為6級(jí)，開始在使用環(huán)境下驗(yàn)證關(guān)鍵技術(shù)（圖10）。2025年2月，空客公司宣布將氫動(dòng)力飛機(jī)投入使用時(shí)間表推遲5~10年，主要原因是部分關(guān)鍵技術(shù)的成熟度提升速度低于預(yù)期，同時(shí)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)展緩慢，規(guī)模化可再生能源制氫的供應(yīng)能力有限。

圖10 氫能在不同領(lǐng)域應(yīng)用的技術(shù)成熟度等級(jí)

3.1 產(chǎn)業(yè)鏈有待完善，關(guān)鍵技術(shù)尚待突破

氫能航空產(chǎn)業(yè)鏈上游涉及制氫產(chǎn)業(yè)。當(dāng)前的化石燃料制氫和工業(yè)副產(chǎn)品制氫的碳排放量高，產(chǎn)出多為灰氫和藍(lán)氫；電解水制氫是最佳的綠氫生產(chǎn)方式，但受電力價(jià)格的影響，制氫成本高；需要加快布局利用可再生能源電解水制氫產(chǎn)業(yè)。產(chǎn)業(yè)鏈中游主要涉及氫儲(chǔ)運(yùn)產(chǎn)業(yè)。目前，無論航空公司還是機(jī)場(chǎng)配套設(shè)施，都不適合氫能飛機(jī)商業(yè)化運(yùn)行，需要重新搭建基礎(chǔ)與配套設(shè)施。產(chǎn)業(yè)鏈下游涉及氫能應(yīng)用領(lǐng)域。需要加快發(fā)展適應(yīng)低儲(chǔ)氫體積占比的飛機(jī)新構(gòu)型，攻克氫能航空動(dòng)力技術(shù)，以及機(jī)載儲(chǔ)氫與氫加注、氫燃料交叉供給和傳輸、氫加壓/吹洗和應(yīng)急排放等技術(shù)。以儲(chǔ)氫技術(shù)為例，在航空領(lǐng)域，其儲(chǔ)氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)有嚴(yán)苛的要求，必須克服包括高存儲(chǔ)容量、輕質(zhì)量、高循環(huán)穩(wěn)定性和完全可逆性等挑戰(zhàn)。由于飛機(jī)載荷有限，對(duì)儲(chǔ)氫系統(tǒng)的質(zhì)量?jī)?chǔ)氫比提出要求，研究表明，當(dāng)通勤飛機(jī)、短程飛機(jī)和遠(yuǎn)程飛機(jī)的液氫燃料儲(chǔ)供系統(tǒng)質(zhì)量?jī)?chǔ)氫比分別超過20%、35%和38%時(shí)，液氫動(dòng)力飛機(jī)在經(jīng)濟(jì)性上比傳統(tǒng)煤油飛機(jī)更具優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，液氫的存儲(chǔ)溫度是?253℃，輕質(zhì)儲(chǔ)罐構(gòu)型和高效絕熱材料是難點(diǎn)。固態(tài)儲(chǔ)氫安全性高，是未來機(jī)載儲(chǔ)氫的重要發(fā)展方向，但現(xiàn)階段燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為1.5%~7%，需要進(jìn)一步優(yōu)化材料質(zhì)量占比，同時(shí)還面臨低溫環(huán)境下釋氫速度慢的問題。

氫能航空動(dòng)力發(fā)展不僅僅是把燃油替換成氫，還需要解決在工程約束下的系統(tǒng)布局，以及應(yīng)用帶來的其他技術(shù)挑戰(zhàn)，是涉氫技術(shù)全體系的技術(shù)創(chuàng)新。對(duì)航空動(dòng)力本身而言，需要突破氫循環(huán)技術(shù)、氫換熱技術(shù)、氫控制技術(shù)、機(jī)載氫傳輸技術(shù)、氫能飛機(jī)與動(dòng)力的一體化等總體匹配與系統(tǒng)集成技術(shù)，氫燃燒技術(shù)、適氫葉輪機(jī)技術(shù)、適氫匹配先進(jìn)單元體技術(shù)。例如，液氫從儲(chǔ)罐到發(fā)動(dòng)機(jī)的流動(dòng)過程極其脆弱，需要使用專門設(shè)計(jì)的低溫泵將?253℃的液氫加壓輸送，同時(shí)保持低溫狀態(tài)以防止液氫氣化，管道必須具備極佳的真空絕熱層，需要配備主動(dòng)/被動(dòng)防潮裝置，防止冷凝水積聚導(dǎo)致腐蝕，在進(jìn)入燃燒室前，液氫需通過換熱器快速氣化，并精確計(jì)量流量，這一過程涉及復(fù)雜的瞬態(tài)操作管理；一旦液氫沒有完全氣化并形成氣液兩相流，容易在管路中使氫達(dá)到臨界速度進(jìn)而引發(fā)管路擁塞；氫燃料燃燒時(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤欤魢娮斐隹诹魉俨蛔阋钥朔鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣龋鹧鏁?huì)竄回噴嘴內(nèi)，導(dǎo)致燃燒室損壞；氫的導(dǎo)熱性約是空氣的7.5倍，高導(dǎo)熱性會(huì)導(dǎo)致燃燒室局部溫度波動(dòng)迅速傳遞，容易激發(fā)高頻壓力脈動(dòng)；因此，對(duì)于燃?xì)錅u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，需要在氫燃燒室、燃料管路、氫控制、熱管理系統(tǒng)等方面進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，突破氫穩(wěn)定燃燒、回火控制等關(guān)鍵技術(shù)。此外，還要解決油改氫后相關(guān)零部件在高溫水氧環(huán)境下的適應(yīng)性改進(jìn)、安全用氫帶來的系統(tǒng)復(fù)雜性和重量增加等問題；高含濕排氣的噴流航跡云凝結(jié)機(jī)理等基礎(chǔ)研究也缺少研究數(shù)據(jù)；需要開展系統(tǒng)性功能集成、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔設(shè)計(jì)、輕量化研究、高溫水氧和高含濕環(huán)境對(duì)關(guān)鍵零部件影響的機(jī)理研究等；油改氫后，氫能航空動(dòng)力的運(yùn)行維護(hù)也與使用煤油的傳統(tǒng)航空動(dòng)力有所區(qū)別，這也是氫能航空動(dòng)力投入使用前需要攻克的技術(shù)難題。此外，還需特別關(guān)注液氫泄漏可能帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)于航空氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)，雖然其具有高能量密度（33.3 kWh/kg，約為航油的3倍）、高能量轉(zhuǎn)換效率（≥55%）、低噪聲等優(yōu)勢(shì)，但燃料電池的功率較低，當(dāng)前最先進(jìn)的航空燃料電池堆的功率約為1.5~2.5 kW/kg，這與渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)相差一個(gè)數(shù)量級(jí)，嚴(yán)重限制了燃料電池動(dòng)力在支線、干線客機(jī)中的應(yīng)用。對(duì)于質(zhì)子交換膜燃料電池，其催化劑“鉑”成本過高，效率較低（35%~40%），工作溫度范圍窄（約25~120 K）；對(duì)于固體燃料電池，目前發(fā)展尚不成熟，其功率密度低于1 kW/kg；此外，完整的燃料電池系統(tǒng)除了電堆，還包括復(fù)雜的氣體管理系統(tǒng)、水管理系統(tǒng)、功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)等，這就意味著氫燃料電池系統(tǒng)的質(zhì)量必須盡可能輕，這對(duì)材料提出極高的要求。

3.2 特有試驗(yàn)設(shè)施和條件缺乏，試驗(yàn)體系不完備

試驗(yàn)是揭示科學(xué)機(jī)理、驗(yàn)證關(guān)鍵技術(shù)的必要手段，航空發(fā)動(dòng)機(jī)是設(shè)計(jì)出來的，也是制造出來的，更是試驗(yàn)出來的。洛克希德公司發(fā)現(xiàn)，由于氫能航空技術(shù)研究的開創(chuàng)性，幾乎每前進(jìn)一步都必須進(jìn)行大量的試驗(yàn)來驗(yàn)證理論分析的正確性。氫能航空動(dòng)力涉及循環(huán)、燃燒、換熱、傳輸、測(cè)控、安全、涉氫材料等關(guān)鍵核心技術(shù)，每項(xiàng)技術(shù)都有必須要完成的試驗(yàn)（圖11）。

圖11 氫能航空動(dòng)力關(guān)鍵核心技術(shù)與試驗(yàn)

雖然氫能在航天領(lǐng)域早有應(yīng)用，但與航空領(lǐng)域使用條件差異較大。研究選取了幾個(gè)典型發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)據(jù)，大致分析了液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)與氫能航空動(dòng)力的試驗(yàn)裝置的差異（表1），其試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)無法直接用于航空領(lǐng)域，例如，試驗(yàn)時(shí)長量級(jí)的差異會(huì)影響很多問題的處理思路，如供氣方式、噪音、污染排放等；介質(zhì)壓力、流量、節(jié)流需求的量級(jí)差異會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)管閥無法直接兼容；氧化劑供應(yīng)方式的差異使試驗(yàn)配套設(shè)施的需求不同。

表1 航空與航天領(lǐng)域氫能動(dòng)力試驗(yàn)裝置的差異

DLR、美國NASA格林研究中心、俄羅斯中央航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院（Central Institute of Aviation Motors，CIAM）等研究機(jī)構(gòu)在20世紀(jì)就已布局面向航空發(fā)動(dòng)機(jī)的氫燃料試驗(yàn)裝置，已建成涵蓋氫燃燒、換熱、測(cè)控、安全等氫能航空動(dòng)力試驗(yàn)設(shè)施，在關(guān)鍵技術(shù)研究方面發(fā)揮了重大作用。而目前中國滿足氫能航空動(dòng)力技術(shù)研究要求的試驗(yàn)設(shè)備僅6臺(tái)套，主要集中在高校，且只有極少量氣氫機(jī)理級(jí)別試驗(yàn)器，燃燒室試驗(yàn)臺(tái)技術(shù)參數(shù)也偏低，缺乏面向工程應(yīng)用的部件試驗(yàn)、整機(jī)試驗(yàn)和測(cè)試能力，難以滿足氫能航空動(dòng)力研究需求。

建設(shè)開放共享的氫能航空動(dòng)力試驗(yàn)裝置，滿足氫能航空動(dòng)力科學(xué)問題驗(yàn)證和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)需求，是氫能航空動(dòng)力研發(fā)的必要條件。

3.3 行業(yè)優(yōu)勢(shì)力量分散，缺乏頂層設(shè)計(jì)與引領(lǐng)

當(dāng)前，中國氫能航空領(lǐng)域雖已匯聚了航空工業(yè)集團(tuán)、中國航發(fā)集團(tuán)、航天科技集團(tuán)、重點(diǎn)高校及一批創(chuàng)新企業(yè)的研發(fā)力量，但在國家層面尚未形成清晰有力的戰(zhàn)略牽引與系統(tǒng)性布局。研究資源呈現(xiàn)出“點(diǎn)狀分布”特征：各單位基于自身技術(shù)積累，分別在燃?xì)錅u輪發(fā)動(dòng)機(jī)、氫內(nèi)燃機(jī)、燃料電池電堆、輕型儲(chǔ)氫罐等細(xì)分方向獨(dú)立推進(jìn)，彼此間技術(shù)路線各異，研發(fā)目標(biāo)分散。這種產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)資源整合不夠的現(xiàn)狀，導(dǎo)致寶貴的科研資金與人才投入難以匯聚形成合力，重復(fù)性預(yù)研與低水平競(jìng)爭(zhēng)時(shí)有發(fā)生。

氫能航空橫跨航空制造、能源化工、新材料與電力電子等多個(gè)重大產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展亟需超越單個(gè)部門或企業(yè)的宏觀規(guī)劃與協(xié)調(diào)。然而，目前缺乏一個(gè)權(quán)威的頂層架構(gòu)來定義中國氫能航空的階段性發(fā)展目標(biāo)、主導(dǎo)技術(shù)路徑與分工協(xié)同網(wǎng)絡(luò)，使得基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、集成驗(yàn)證與適航審定等環(huán)節(jié)銜接松散；尚未建立由國家主導(dǎo)，能夠統(tǒng)籌科技、工業(yè)、能源、民航等部門的專項(xiàng)決策與協(xié)調(diào)機(jī)制；也缺乏類似國家重大科技專項(xiàng)那樣的長期、穩(wěn)定、集中的資源投入渠道。這種頂層設(shè)計(jì)的缺位，不僅使國內(nèi)技術(shù)路線長期徘徊在分歧與不確定中，難以像空客ZEROe計(jì)劃那樣清晰地向產(chǎn)業(yè)界傳遞未來飛機(jī)的技術(shù)愿景，也使得中國在氫能航空國際標(biāo)準(zhǔn)制定方面話語權(quán)薄弱，只能被動(dòng)跟隨。

4 建議

1）保持氫能航空發(fā)展戰(zhàn)略定力。當(dāng)前，氫動(dòng)力飛機(jī)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，正成為全球航空領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，主要航空制造商正在加緊構(gòu)建氫能產(chǎn)業(yè)鏈。中國已明確未來氫能航空發(fā)展戰(zhàn)略方向與技術(shù)路線，作為世界最大制氫國，中國在制氫、氫儲(chǔ)運(yùn)、燃料電池等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域已取得顯著進(jìn)展，具備從基礎(chǔ)研究到工程應(yīng)用的協(xié)同創(chuàng)新能力。因此，應(yīng)堅(jiān)定氫能航空發(fā)展信心、保持戰(zhàn)略定力，做好頂層規(guī)劃，保持政策連續(xù)性和投入穩(wěn)定性。

2）創(chuàng)新氫能航空發(fā)展組織模式。依托正在建設(shè)的氫能航空重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，完善氫能航空動(dòng)力試驗(yàn)設(shè)施設(shè)備，補(bǔ)齊試驗(yàn)體系，發(fā)揮國家實(shí)驗(yàn)室和領(lǐng)軍企業(yè)作用，引導(dǎo)各類創(chuàng)新主體及用戶，形成對(duì)氫能航空發(fā)展的科學(xué)認(rèn)知與共識(shí)，打造氫能航空國家戰(zhàn)略科技力量；創(chuàng)新氫能航空科研組織模式，通過專業(yè)化分工、體系化協(xié)同，系統(tǒng)組織開展氫能航空全鏈條顛覆性科技創(chuàng)新。

3）構(gòu)建氫能航空創(chuàng)新發(fā)展生態(tài)。制定《中國氫能航空全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展綱要》，明確階段目標(biāo)、技術(shù)路徑、重點(diǎn)任務(wù)和責(zé)任主體；構(gòu)建氫能航空創(chuàng)新聯(lián)合體，充分發(fā)揮國家戰(zhàn)略科技力量作用，探索“創(chuàng)新鏈+產(chǎn)業(yè)鏈”雙鏈融合管理模式，推動(dòng)科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新深度融合，建立“制氫—儲(chǔ)運(yùn)—加注—飛機(jī)/動(dòng)力研發(fā)—運(yùn)營—適航—維護(hù)”的氫能航空全鏈創(chuàng)新生態(tài)。

4）實(shí)施氫能航空國家重大專項(xiàng)。實(shí)施國家重大科技專項(xiàng)，系統(tǒng)規(guī)劃氫能航空技術(shù)發(fā)展，分階段推進(jìn)軍民用氫能航空技術(shù)研究，制定短期（5~10年）、中長期（10~20年）氫能航空應(yīng)用場(chǎng)景和技術(shù)路線，同步推動(dòng)技術(shù)、政策和基礎(chǔ)設(shè)施“三位一體”發(fā)展。

本文作者：向巧

作者簡(jiǎn)介：向巧，太行實(shí)驗(yàn)室，研究員級(jí)高級(jí)工程師，中國工程院院士，研究方向?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)。

文章來 源 ： 向巧. 保持戰(zhàn)略定力推進(jìn)氫能航空動(dòng)力科技創(chuàng)新發(fā)展[J]. 科技導(dǎo)報(bào), 2026, 44(3): 66?75 .

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