空客在利用A380开展氢能动力测试

采用具有低温储存功能的氢动力燃料电池发动机架构的全新零排放飞机将于2035年投入运营。接下来的四年时间里，空中客车将推进这种兆瓦级推进系统的设计、制造和验证等工作。

两年前，空中客车发布了几种潜在的概念飞机，统称为“ZEROe”，这些概念有助于定义将于2035年前投入运营的世界首款零排放民用客机。虽然这些概念在各种尺寸类别、空气动力学布局和推进系统架构方面进行了探索，但它们都有一个共同点：均由氢燃料提供动力。在这些概念中，其中三种拥有使用氢燃料来驱动燃气轮机的发动机，这与现在的涡轮风扇发动机和涡轮螺旋桨发动机燃烧煤油的方式相似，但不像后者排放二氧化碳和颗粒物。

与此同时，第四种ZEROe概念飞机是一款100座级的高翼支线客机，其发动机吊舱上装有6个八叶螺旋桨，这是空中客车最近获得的一项专利构型。虽然从外表上看类似于涡轮螺旋桨发动机，但这些吊舱实际上包含氢燃料电池，这些氢燃料电池通过电化学反应为电动机提供动力。正是在这种背景下，空中客车始终在进行可行性研究和实验室测试，以期推出功能完备的兆瓦级燃料电池发动机和验证机，从而能够在这一个十年中期（2026年左右）进行飞行测试。

在2022年11月30日举行的空客峰会上，空客首次对外宣布该原型机将采用其多模式飞行测试平台，即标志性的A380 MSN001号原型机。该架飞机将进行外部改装，加装携带燃料电池的发动机吊舱。同时，飞机机身后部的客舱里将安装一个独特的低温储罐，以储存液氢。

工作原理

对于这种尚处于概念验证阶段的原型机来说，来自低温储罐的液氢被会被转化为气态。然后，通过与储罐相连的供应管线以及机身外部的空气动力学承重支撑结构与发动机吊架接口相连，最后分配到燃料电池中。

气态氢从这里进入吊舱内的燃料电池，在燃料电池内，还有通过受控空气流（来自周围大气）提供的氧（O2）分子。因此，燃料电池内部会发生反应，产生直流电（DC），然后再通过逆变器转换成交流电（AC）。之后，吊舱前部附近的电机通过将扭矩传递给减速齿轮箱，将电能转化为机械能。在推进链的末端，由螺旋桨提供推力。燃料电池产生的热能通过液体冷却系统输送到热交换器，随后散发到周围空气中。水也会作为电化学反应的副产品产生，并从吊舱后部的出口排出。

改装A380

A380飞机非常适合用作氢燃料电池发动机的验证机。空客ZEROe验证机和测试工作负责人Mathias Andriamisaina表示：“A380的内部空间大，能够容纳我们所需要的一切装置，并且能够测试多种构型，不受任何限制。”“从空气动力学的角度来说，A380是一款非常稳定的飞机。因此，通过挂架把吊舱与后机身进行连接不会造成太大问题。此外，来自吊舱及其螺旋桨的气流不会影响A380尾翼表面的气流。”他补充道。“对我们来说，A380的测试仪器配备齐全。飞行测试仪器（FTI）是这个项目的重要组成部分，从成本和规划方面考虑，也有着很大的优势。所以，MSN001非常适合我们。”团队确定的总体概念是要尽可能少地对A380内部进行结构改造。他指出：“我们仅仅加固了机身的两个框架，然后在外部安装挂架，再安装一个经过特别改装的吊架，将吊舱的结构与挂架相连。总的来说，这种构造能承受持续高强度的静态和动态载荷。”虽然大部分设备都安装在飞机外部，但在飞机内部，有一个10米长、4米宽、横截面呈抛物线形的外壳，团队称之为“帐篷”，由南特技术中心的空中客车大西洋团队使用碳纤维制造。该结构内可容纳多达四个装有液氢的低温储罐。在飞行测试期间，帐篷内的实际气压将与飞机外部的气压相同。换句话说，安装在帐篷内的设备只能“感受到”非加压的大气环境。与储罐相连的氢气供应管线直接从帐篷连接到挂架（也由南特制造），然后与外部的吊舱相连（将在位于图卢兹圣埃洛伊的空中客车工厂组装）。Mathias解释道：“使用这种方法可以避免氢气进入A380的增加客舱中，因为来自储罐的所有氢燃料管线也将在这个保护性的帐篷环境内。另外，还设有紧急通风管线，如果需要的话，我们可以将氢气从紧急管线中排出。”

空客的其他“首创”

“与分配中心和电机控制器装置方面相关的所有设备都是由空中客车制造，这是一项空中客车主导的活动。”Mathias满腔热情地表示，“此外，推进系统、相关的齿轮箱以及变桨控制都是由我们的空中客车直升机以及防务和航天部门的同事们负责研发。这是空中客车第一次自己制造这样的发动机，这是一项巨大的挑战。”空中客车的其他“首创”还包括采用高达1000伏直流电的高压分布式电气架构，以及创建定制的发动机控制系统，可以把机组人员指令的推力转化为实际的轴功率。

燃料电池发动机模型

下一步

空中客车正在广泛地开展地面测试活动，例如电气试验台、热管理系统和数个燃料电池集成试验台。从2024年起，将有更多的集成试验台出现，例如：配备一个200千瓦燃料电池堆和一个气候室的燃料电池系统集成试验台；用于发动机控制系统的功能集成试验台（FIB），以验证真实接口和作动器；推进器集成试验台（PIB）。后者将探索螺旋桨变桨驱动齿轮箱集成、齿轮箱耐久性和部分叶片脱离测试。同时，新研发的燃料电池飞行验证机的电力中心和电源逆变器将与A380“铁鸟”试验台相连，以便将其整合进A380 ATA 24章电源系统。

2024年晚些时候还将有一个“铁质吊舱”。这个试验台将首次将两台使用的800千瓦燃料电池的电动机、电动机控制装置、齿轮箱、全新高压电力分配和转换系统以及飞行中的空气供应和液体冷却系统等各种关键元件集成到一起。到2026年，如果各种集成实验台的测试进展顺利，团队就能在集成测试试验台（ITB）上对整个系统进行测试，包括配备一套包括螺旋桨在内的完整系统，并且符合飞行标准的燃料电池吊舱。ITB将于2024年建成，并与一套和A380 MSN001上完全相同的飞行测试仪器相连，并将在同一个地方配备一个用于飞行机组培训的控制室。“从现在到2026年的飞行测试，不论是在设计还是测试方面，我们都将面临着很多挑战！” Mathias表示。