空客公司正在研發(fā)零排放、燃料電池驅(qū)動的超導(dǎo)電動飛機

Airbus SAS

當前，與氣候相關(guān)的工程領(lǐng)域所面臨的最重大挑戰(zhàn)之一，便是設(shè)計和制造一架大型的、零排放的客運飛機。在這項艱巨的任務(wù)中，沒有哪家飛機制造商像空客公司這樣投入巨大。

在3月24日和25日專為記者舉辦的空客峰會上，空客公司的高層管理人員描繪出了一幅大膽且極具科技前瞻性的愿景，關(guān)乎該公司未來幾代飛機的發(fā)展（https://www.airbus.com/en/airbus-summit-2025）。從技術(shù)角度來看，其中最引人注目的是一款采用超導(dǎo)技術(shù)、由燃料電池驅(qū)動的客機。

空客公司的戰(zhàn)略基于并行開展的研發(fā)工作。該公司表示，在進行研發(fā)大型燃料電池飛機所需的大量科研項目的同時，還將積極推進另一款客機的設(shè)計工作，旨在最大限度地提高基于燃燒的推進系統(tǒng)的效率。據(jù)空客公司未來項目負責人Bruno Fichefeux稱，對于這款飛機，公司的目標是將其燃油消耗降低20%至30%。這將是一款單通道客機，旨在接替空客A320系列飛機。A320系列是市場上銷量最高的客機，已交付近12000架。該公司預(yù)計這款新飛機將在2030年代后半期的某個時候投入使用。

空客公司希望通過利用噴氣發(fā)動機、機翼、輕質(zhì)高強度復(fù)合材料以及可持續(xù)航空燃料等領(lǐng)域的新興技術(shù)進步，來實現(xiàn)如此大幅度的效率提升。例如，空客透露，其目前正在研發(fā)兩款先進的噴氣發(fā)動機，其中更具創(chuàng)新性的一款將配備開放式風扇，其葉片可以在沒有外部發(fā)動機短艙的情況下旋轉(zhuǎn)。空客正在與合作伙伴CFM國際公司（由GE Aerospace和Safran Aircraft Engines公司合資成立）開展的一個項目中對這樣的發(fā)動機進行評估。

如果沒有發(fā)動機短艙來包圍，發(fā)動機的風扇葉片可以做得很大，這樣就能實現(xiàn)更高水平的 “涵道比（bypass air）”。涵道比指的是被吸入發(fā)動機后部的空氣（與用于燃燒燃料的空氣分開），并被排出以提供推力的空氣量。GE Aerospace的首席技術(shù)與運營官Mohamed Ali表示，涵道空氣與燃燒空氣的比例是衡量發(fā)動機性能的一個重要指標，比例越高，表明效率越高。

Ali稱，如今典型的涵道比大約在11或12左右，但根據(jù)他的說法，這種開放式風扇設(shè)計能夠使涵道比高達60。

Ali還補充道，合作雙方已經(jīng)在歐洲進行了兩個不同系列的風洞測試來對開放式風扇發(fā)動機進行測試。Ali在空客公司舉辦的活動上表示：“測試結(jié)果非常令人鼓舞，這不僅是因為它們在性能和噪音驗證方面表現(xiàn)非常出色，還因為它們驗證了我們所做的計算分析。”

Safran Aircraft Engines

燃料電池客機是實現(xiàn)零排放目標的基石

在研發(fā)這款先進的燃燒動力客機的同時，空客公司在一項名為 “零排放”（ZEROe）的項目下，已經(jīng)花了五年時間來研發(fā)一款燃料電池飛機。在此次峰會上，空客首席執(zhí)行官Guillaume Faury放棄了在2035年前讓這款飛機實現(xiàn)首飛的目標，他指出，目前缺乏對這類飛機進行認證的監(jiān)管框架，而且以商業(yè)規(guī)模和具有競爭力的價格生產(chǎn) “綠色” 氫氣所需的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)速度緩慢。Faury解釋說：“我們可能會面臨一種類似于‘氫動力協(xié)和式飛機’的風險，即我們有了一個解決方案，但從規(guī)模上看，這并不是一個在商業(yè)上可行的方案。”

即便如此，他還是煞費苦心地重申了公司對該項目的承諾。“我們依然相信氫能的潛力，” 他宣稱，“我們堅信，對于航空業(yè)來說，氫能是未來的一種能源，但仍有許多工作要做。空客公司需要付出更多努力，我們周圍的其他各方也需要做更多工作，才能讓這種能源實現(xiàn)規(guī)模化、具備競爭力，并最終取得成功，為實現(xiàn)脫碳目標做出重大貢獻。” 全球許多主要行業(yè)，包括航空業(yè)在內(nèi)，都已承諾到2050年實現(xiàn)溫室氣體凈零排放，F(xiàn)aury和空客公司的其他高管多次提到這一事實，將其視為 “零排放”（ZEROe）項目的一個關(guān)鍵驅(qū)動力（https://www.iata.org/en/programs/sustainability/roadmaps/）。

在活動的后期，負責空客 “零排放”（ZEROe）項目的副總裁Glenn Llewellyn詳細介紹了該項目，展示出了這一項目在技術(shù)層面令人驚嘆的雄心壯志。按照設(shè)想，這款飛機將至少搭載100名乘客，航程達1000 海里（1850公里）。它將由四個燃料電池 “發(fā)動機”（每個機翼上安裝兩個）提供動力，每個發(fā)動機的輸出功率為2兆瓦。

據(jù)空客燃料電池推進系統(tǒng)開發(fā)負責人Hauke Luedders稱，空客公司已經(jīng)在慕尼黑對一個功率為1.2兆瓦的系統(tǒng)進行了廣泛測試，該系統(tǒng)是與Liebherr Group、ElringKlinger公司、Magna Steyr公司和Diehl公司等合作伙伴共同打造的。Luedders表示，該公司目前專注于低溫質(zhì)子交換膜燃料電池，盡管尚未最終確定采用這一技術(shù)。

但真正令人震驚的是，Llewellyn介紹了空客公司的一項全面計劃，即為這款燃料電池飛機設(shè)計和測試一套完整的超導(dǎo)電力傳動系統(tǒng)。Llewellyn解釋道：“由于飛機上儲存的氫氣是在非常低的溫度下，即零下253攝氏度儲存的，我們可以利用這個溫度和低溫技術(shù)來有效地冷卻整個系統(tǒng)中的電氣設(shè)備。這將顯著提高能源效率和性能。即使這是一項尚處于早期階段的技術(shù)，但通過恰當?shù)呐秃线m的合作伙伴關(guān)系，這可能會改變我們?nèi)剂想姵仫w機乃至全電動飛機的格局，使我們能夠設(shè)計出更大、功率更強、效率更高的飛機。”

在回答IEEE Spectrum雜志的提問時，Llewellyn進一步闡述道，電力推進系統(tǒng)的所有主要部件都將采用低溫冷卻方式：“配電系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)、功率轉(zhuǎn)換器以及電動機”—— 具體來說，就是電動機中的線圈。他補充道：“我們正在與各個合作伙伴就每一個部件展開合作。” 低溫冷卻系統(tǒng)會冷卻一種制冷劑，這種制冷劑會循環(huán)流動，以保持部件處于低溫狀態(tài)。

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航空領(lǐng)域會成為超導(dǎo)體的 “殺手級應(yīng)用” 嗎？

Llewellyn沒有具體說明團隊正在使用哪些超導(dǎo)體和制冷劑。但高溫超導(dǎo)體很有可能被采用，因為要維持超導(dǎo)狀態(tài)，使用高溫超導(dǎo)體對冷卻系統(tǒng)的要求會大幅降低。

1986年，IBM發(fā)明了基于銅氧化物的陶瓷超導(dǎo)體，而且在環(huán)境壓力下，其不同形態(tài)能在零下238攝氏度（35開爾文）到零下140攝氏度（133開爾文）的溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)超導(dǎo)（https://www.ibm.com/history/high-temperature-super-conductors）。這些溫度比傳統(tǒng)超導(dǎo)體所需的溫度要高，傳統(tǒng)超導(dǎo)體需要在大約25開爾文以下的溫度環(huán)境中才能實現(xiàn)超導(dǎo)。盡管如此，高溫超導(dǎo)體的商業(yè)應(yīng)用一直難以實現(xiàn)。

不過，一位超導(dǎo)領(lǐng)域?qū)＜摇⒁敶髮W(xué)的應(yīng)用物理學(xué)家Yu He對空客的這一消息感到振奮。“我的第一反應(yīng)是，‘真的嗎？’ 而我的第二反應(yīng)是，哇，這一整個研究方向，或者說應(yīng)用領(lǐng)域，確實在不斷發(fā)展，對于空客的宏偉計劃我非常高興。”

銅氧化物超導(dǎo)體已經(jīng)在一些應(yīng)用中得到了使用，不過幾乎都是處于實驗階段。這些應(yīng)用包括風力渦輪發(fā)電機、磁懸浮列車示范項目、短距離輸電電纜、磁共振成像設(shè)備，特別值得一提的是，還用于實驗性托卡馬克核聚變反應(yīng)堆的電磁線圈。

在一家名為Commonwealth Fusion Systems的核聚變初創(chuàng)公司中，托卡馬克裝置的應(yīng)用尤為關(guān)鍵，因為在制造線圈時，工程師們不得不發(fā)明一種工藝，將通常易碎的銅氧化物超導(dǎo)材料加工成帶狀，以便用來制作成環(huán)形線圈，這種線圈能夠承載非常大的電流，進而產(chǎn)生極強的磁場。

He教授表示：“使用超導(dǎo)體來提供如此大的電流是非常理想的，因為它不會產(chǎn)生熱量。這意味著，首先，線圈本身直接損失的能量會少得多；其次，也不需要那么多的冷卻功率來散熱。”

盡管如此，技術(shù)上的障礙依然巨大。He教授說：“有人可能會提出，在電動機內(nèi)部，由于空氣動力學(xué)摩擦，仍然需要散掉大量的熱量。那么問題就變成了，如何管理電動機內(nèi)部的整體熱量呢？”

Céline Sadonnet/Master Films

對于這一挑戰(zhàn)，工程師們至少擁有一個有利的環(huán)境，即寒冷且流動快速的空氣。He教授認為，工程師們將能夠利用電動機及其他部件上方的 “大量氣流” 來輔助散熱。巧妙的設(shè)計能夠 “利用氣流的動能”。

Llewellyn在峰會上透露，為了測試不斷發(fā)展的燃料電池推進系統(tǒng)，空客公司已在格勒諾布爾建造了一個獨特的測試中心，名為 “液氫試驗板”。他說：“我們與Air Liquide Advanced Technologies公司合作建造了這個設(shè)施。這個試驗板是一個多功能測試平臺，旨在模擬未來飛機架構(gòu)的關(guān)鍵要素：儲氫罐、閥門、管道和泵，使我們能夠全面驗證不同的配置。而且這個測試設(shè)施正在幫助我們深入了解安全性、氫氣操作、儲氫罐設(shè)計、加油、排氣和測量等方面的關(guān)鍵信息。”

Llewellyn補充道：“在整個2025年，我們將繼續(xù)測試完整的液氫及分配系統(tǒng)。到2027年，我們的目標是邁出更大的重要一步，對完整的端到端系統(tǒng)進行測試，包括燃料電池發(fā)動機以及液氫儲存和分配系統(tǒng)，這將使我們能夠評估實際運行中的整個系統(tǒng)。”

Glenn Zorpette（本文作者）作為空客公司的嘉賓前往了圖盧茲。