航空氨動力發(fā)展分析

得益于氨燃料的諸多理化特性優(yōu)勢，航空氨動力有望在航空業(yè)可持續(xù)發(fā)展進程中發(fā)揮積極的作用，是快速實現(xiàn)現(xiàn)有航空動力系統(tǒng)零碳排放不容忽視的備選技術(shù)路線。不過隨著對其市場前景和技術(shù)瓶頸認識的不斷深入，未來航空氨動力能否在與氫動力以及其他新能源動力的競爭中脫穎而出仍難下定論。在綠色航空這一時代主題下，世界各國都在積極探索新一代能源技術(shù)，氫動力已成為航空業(yè)實現(xiàn)零碳排放發(fā)展目標的重要途徑。鑒于當前氫能航空發(fā)展受到技術(shù)、成本和安全性等一系列因素的困擾與制約，氨能的比較優(yōu)勢開始得到業(yè)界的關(guān)注。氨是一種能量密度較高、易于儲存和運輸、產(chǎn)業(yè)鏈非常成熟的氫合成物，氨和氫之間可相互轉(zhuǎn)化，二者融合發(fā)展有助于解決氫能航空產(chǎn)業(yè)配套的瓶頸問題，更為關(guān)鍵的是，氨還能夠以燃料的形式直接或間接應(yīng)用，有效減少航空動力系統(tǒng)碳排放，是航空氫動力系統(tǒng)衍化發(fā)展的重要形式，有望成為未來航空業(yè)可持續(xù)發(fā)展的又一能源選項。從氫到氨氨可以利用可再生的電力、水和空氣制備，在化肥、環(huán)保和制冷等領(lǐng)域有著極為廣泛的應(yīng)用，是關(guān)系國計民生的基礎(chǔ)化工原料和潛在的新型燃料。氨的體積能量密度約為液氫的1.7倍，儲存溫度和壓力要求遠低于氫，在標準大氣壓下-33℃的低溫即可液化后儲存，綜合運輸成本僅相當于液氫的1%～5%，同時火災(zāi)危險性僅為乙類，爆炸極限范圍（16%～25%）比氫（4%～76%）更窄更安全。如此的理化特性意味著氨不只是一種較為理想的儲運介質(zhì)，也是其能夠作為無碳燃料在航空發(fā)動機上應(yīng)用的核心因素，氨儲罐的容積和隔熱需求明顯低于氫儲罐，經(jīng)過簡單改造在機翼內(nèi)部直接儲存氨燃料是完全可行的，既無須像液氫那樣在機翼外布置單獨的儲罐，也無須對現(xiàn)有機體的總體設(shè)計架構(gòu)進行大的調(diào)整。氫、氨和航空煤油在儲存條件下的特性比較（來源：ATI）雖然管理氨燃料的復雜性大大降低了，但由于純氨燃燒不穩(wěn)定、點火延遲長、火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊?，有必要將氨與氫混合后再用于航空動力裝置。這里的氫來自氨的裂解反應(yīng)，即將氨分解為氫和氮。對于燃料電池系統(tǒng)，氨需要100%裂解并讓氫以非常高的純度接入電池陽極，此時的氨只是單純的一種氫燃料媒介；對于燃氣渦輪系統(tǒng)，裂解比例可能在30%左右，此時氨氫物質(zhì)的量之比為1.5，氫主要用來改善氨的燃燒特性而不是作為燃料提供能量。為了使裂解反應(yīng)能夠快速進行，在選取合適的催化劑的同時，還需要專門的外部熱源為裂解提供足夠高的反應(yīng)溫度（一般在650℃以上），這意味輕質(zhì)化乃至一體化的換熱器和裂解裝置將是未來航空氨動力系統(tǒng)的重要組成部分。30%的裂解比例只是使氨動力系統(tǒng)具有與燃氣渦輪發(fā)動機類似的燃燒性能和功率水平的舉措之一。例如，氨氫混合燃料的熱值低于傳統(tǒng)航空燃料，單位質(zhì)量的燃燒放熱也會發(fā)生變化，需要根據(jù)能量匹配關(guān)系在保持燃燒室進出口溫度不變的情況下對氨和氫的流量進行精細調(diào)節(jié)與控制。考慮到氨燃燒的化學反應(yīng)速率較慢、燃燒很難充分完全進行，不但會有部分氨直接排出，而且極易部分氧化生成氮氧化物（NOx），對環(huán)境的破壞性影響比二氧化碳更大。為此，除了在氨氫混合燃料中添加燃燒促進劑從而調(diào)節(jié)氨的反應(yīng)動力學特性外，一些當前主要應(yīng)用于電力、煤炭等能源行業(yè)的脫硝（DeNOx）技術(shù)也有望移植到氨動力系統(tǒng)中起到減少非碳污染物排放的效果。技術(shù)進展2021年1月，雷神公司宣布從美國能源部能源預先研究項目局（APRA-E）獲得260萬美元的資金支持，以開展零碳氨動力渦電混合動力系統(tǒng)（ZAPturbo）關(guān)鍵技術(shù)研究。整個混合動力系統(tǒng)為串聯(lián)構(gòu)架，儲存在機翼燃料箱中的液氨燃料首先進入增壓泵加壓，然后被加熱轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，接著進入裂解裝置分解為氫和氮，燃燒做功驅(qū)動齒輪箱和發(fā)電機，最后由電動機和螺旋槳系統(tǒng)為飛行器提供動力。從雷神技術(shù)公司2022年年中披露的信息來看，第一階段的工作主要集中在氨燃料的安全處理與材料兼容性研究，以及高溫高壓環(huán)境下氨裂解催化劑的選取、裂解裝置耐久性測試，與氨燃燒相關(guān)研究將在后續(xù)第二階段進行。在ZAPturbo項目推進的同時，雷神技術(shù)公司還通過美國能源部資助的另一個項目驗證在FT4000航改燃氣輪機中使用氨氫混合燃料的可行性。ZAPturbo項目總體方案概念對美國國家航空航天局（NASA）來說，氨動力系統(tǒng)并不是一個很新的概念。NASA早在20世紀50年代就研發(fā)了X-15高超聲速驗證機，以液氨和液氧為燃料的XLR99-RM-2火箭發(fā)動機創(chuàng)造了迄今為止有人駕駛飛行器的最高速度紀錄，對之后的航空氨動力技術(shù)發(fā)展起到了巨大的引領(lǐng)示范作用。2022年1月，NASA授予由中佛羅里達大學（UCF）領(lǐng)銜的產(chǎn)學聯(lián)合體一份為期5年、總投資1000萬美元的研究合同，以波音787-8飛機動力需求為牽引開發(fā)全新的氨燃料航空發(fā)動機。該項目的負責人希望能夠在2040—2050年左右實現(xiàn)商業(yè)化的氨動力飛行，并呼吁業(yè)界進一步重視氨相較于氫的魯棒性優(yōu)勢，畢竟不可能指望每個機場都像肯尼迪航天中心那樣建立大型低溫液氫使用系統(tǒng)。X-15高超聲速驗證機類似地，一些初創(chuàng)公司也對航空氨動力的市場前景持樂觀態(tài)度。2021年11月，在第26屆聯(lián)合國氣候變化大會期間，英國反應(yīng)發(fā)動機公司（REL）宣布與英國科學技術(shù)設(shè)施委員會（STFC）和IP集團成立合資公司共同推動航空氨動力的發(fā)展。REL認為“航空氨動力系統(tǒng)可以基于目前的航空發(fā)動機改造而成，氨燃料并不會完全顛覆已有的飛機設(shè)計，低成本快速過渡到氨動力飛行的未來是可能的”，研發(fā)與發(fā)動機高度集成的輕質(zhì)緊湊型裂解裝置將是當下的工作重點。通過將REL在吸氣式協(xié)同火箭發(fā)動機（SABRE）項目上開發(fā)的先進換熱技術(shù)、STFC的高效氨催化裂解技術(shù)以及IP集團在資金保障和風險管理上的優(yōu)勢整合起來，預計兩年后即可完成航空氨動力系統(tǒng)的地面測試，2035年前有望實現(xiàn)商業(yè)運營。反應(yīng)發(fā)動機公司航空氨動力系統(tǒng)設(shè)計構(gòu)架2022年5月，在經(jīng)過幾個月的方案論證之后，澳大利亞公司選擇基于氨燃料的渦扇發(fā)動機作為未來無碳飛行的最佳動力途徑，將對達索公司的“獵鷹”50公務(wù)機進行氨動力改造，位于垂尾底部的燃氣渦輪發(fā)動機首先會被氨動力系統(tǒng)替換，最終全部3臺發(fā)動機將采用氨燃料。公司強調(diào)了使用現(xiàn)有的技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施的重要性，希望通過對現(xiàn)有動力系統(tǒng)的升級改造，使那些已經(jīng)購買“獵鷹”50公務(wù)機的客戶無須再次購買新機即可從燃油切換到氨燃料。2022年11月,公司開始對航空氨動力系統(tǒng)進行初步的測試、比較油轉(zhuǎn)氨后的性能變化，并稱改造后的“獵鷹”50公務(wù)機將在2024年進行飛行驗證，一旦試飛成功公司將謀求上市，以便獲取更多資金從而加速產(chǎn)品適航認證和商業(yè)化進程。AviationH2公司航空氨動力系統(tǒng)設(shè)計構(gòu)架市場前景

航空氨動力到底能不能完全覆蓋氫動力的市場需求，二者之間將是一種怎樣的市場關(guān)系？這是航空氨動力系統(tǒng)發(fā)展無法回避的問題。根據(jù)業(yè)界較為普遍的觀點，未來氫能航空發(fā)動機可為支線飛機、窄體飛機和中小型寬體飛機提供動力支持，其中窄體飛機和中小型寬體飛機也是長期以來商用航空市場的絕對主體。然而，雖然按體積計算氨攜帶的能量比液氫多70%，但氨的質(zhì)量能量密度約為液氫的五分之一，會對氨動力飛行的最大航程和有效載荷產(chǎn)生極大限制。以英國航空航天技術(shù)研究院（ATI）零碳飛行（FlyZero）項目的研究結(jié)論為例，按照當前飛機起飛質(zhì)量中燃料占比中位數(shù)20%估算，采用氨燃料后的航程將限制在1600km左右（氫燃料對應(yīng)值在6000km以上），甚至還不如一些支線飛機的運載能力。不同質(zhì)量比例下幾種無碳燃料對應(yīng)的飛行航程范圍（

來源：ATI

）事實上，即便是REL也承認配裝其研發(fā)的氨動力系統(tǒng)后，像A320這樣的機型的航程可能會從如今的6700km下降到2000km，如果想要增大航程只能對現(xiàn)有飛機結(jié)構(gòu)進行更多調(diào)整與改變。此外，隨著業(yè)界對氨動力系統(tǒng)理解的深入，一些之前未引起足夠關(guān)注的技術(shù)問題也開始顯現(xiàn)，并可能會對氨動力系統(tǒng)的大型商業(yè)應(yīng)用產(chǎn)生一定的負面影響。例如，為滿足適航要求氨動力系統(tǒng)必須要解決NOx排放問題，過高的尾流溫度使得現(xiàn)有DeNOx技術(shù)難以直接應(yīng)用到氨燃料渦扇發(fā)動機排放后的處理上。活塞式發(fā)動機或渦軸/渦槳發(fā)動機雖然更容易安裝DeNOx裝置，不過也會把氨動力系統(tǒng)進一步限制在支線乃至通用航空市場，在此將面臨常規(guī)動力電池和氫燃料電池動力系統(tǒng)的激烈市場競爭。從歐美國家公開的綠色航空頂層戰(zhàn)略來看，氨動力發(fā)展路線并未像電推進、氫動力和可持續(xù)航空燃料（SAF）那樣被顯著提及，給予的資金和項目支持總體上還是零敲碎打、規(guī)模不大，如ATI等研究機構(gòu)也對市場應(yīng)用前景給出了較為消極的評價。從某種程度上說，氨燃料的降碳潛力、相比氫燃料的一些優(yōu)勢毋庸置疑，特別是在車輛和船舶等其他交通運輸領(lǐng)域已取得的巨大成功更是有目共睹，然而航空應(yīng)用的特殊性可能使得氨動力的發(fā)展存在較大不確定性。一方面，航空氨動力似乎更像是航空氫動力發(fā)展過程中的一種過渡形態(tài)，能否從市場服務(wù)能力有限的小眾產(chǎn)品真正變成航空綠色轉(zhuǎn)型的重要力量，將與氫能航空的成熟速度有很大關(guān)系；另一方面，航空氨動力發(fā)展的技術(shù)問題不應(yīng)被低估，在提升氨混合比例的同時降低NOx和未反應(yīng)氨排放水平的困擾始終存在，對現(xiàn)有機隊的氨動力改造也許并不會像某些市場參與者想象的那么簡單容易。結(jié)束語

為盡快實現(xiàn)零碳排放這一宏偉愿景，關(guān)于航空氨動力系統(tǒng)的討論正在升溫。與氫燃料相比，氨大大簡化了燃料儲存運輸?shù)扰涮篆h(huán)