靠3张PPT就说“改变游戏规则”，空客氢动力飞机凭什么？

9月22日，全球知名飞机制造商空客公司公布了一项堪称可以改变未来航空业游戏规则的决定。作为雄心勃勃的“零排放”计划一部分，他们宣布，将在2035年正式将氢动力客机送上蓝天。

在气候问题已经成为全球政治重要议题的情况下，空客此举无疑是踩在了大趋势的关键点上。空客自己将其形容为“该行业有史以来最重要的转型”，并将计划公布称为“这是一个历史性时刻”。在言语中，他们对这次转型抱有强烈的希冀，意图在未来的航空业中获得领导地位。

当然，“打嘴炮”的事谁都会，而空客并不只是嘴上说说而已，他们还拿出了自己的阶段性成果——项目“ZEROe”和3张PPT……错了，应该说是3张概念图，展示了构想中的3种不同飞机。3架概念机的图片如下：

涡扇喷气概念机：可以乘坐120-200名乘客，航程2000海里，能够跨大陆飞行，燃气涡轮发动机提供动力。

涡桨概念机：可搭载100名乘客，使用螺旋桨发动机，可航行1000海里以上，是短途旅行的完美选择。

混合翼体”概念机：可容纳200名乘客，机翼与飞机的主体合并，其续航里程约2000海里。

可能很多人看到上面的图片，第一反应是：咦，怎么除了第3架，其他2架和现在的飞机好像没什么不同?

再一看介绍，“涡扇”、“涡浆”，这不都是传统飞机上的发动机么?说好的新能源、零排放呢?蒙谁呢?另外，波音2008年就试飞过一架氢能源飞机，比空客早十几年，凭什么由他们来“改变游戏规则”?

这就是值得说道的地方。

关于“氢能源”或者“氢动力”，我们已经听得很多了，其中最常见的应该就是当下火热的“新能源汽车”概念中的重要分支——燃料电池汽车。

同为新能源技术，可能很多人并不知道燃料电池的具体原理，而是把它当做和普通锂离子电池供电等差不多的技术。但实际上，燃料电池无论是和过去的内燃机，还是和主流纯电动汽车的锂离子电池供电相比，都有不同。

过去的燃油车，是由汽油、柴油等燃料在发动机内燃烧产生内能，推动发动机的机械结构运动，带动与之相连的汽车传动结构运动;锂离子电池则是把外部输入的电能储存起来，要用的时候驱动电机，电机再带动汽车传动结构运动。

燃料电池虽然和锂离子电池同属新能源技术，但是其原理更像是内燃机，是一个产能机构而非储能机构。

它的结构和电池一样，同样有正极、负极和电解质，但是它的正负极并不是负责传输能量的活性物质，而是催化剂，只负责催化外部输入的燃料和氧化剂进行反应，产出能量。

氢燃料电池作为燃料电池的一种，主要特点是以氢作为燃料。中学化学课曾讲过电解水试验：在水中插入直流电路的阳极和阴极，然后通电，水就会分解成氧气和氢气。氢燃料电池的原理则是反过来：氢气和氧气在催化剂的催化下发生反应，产生电能和水。

所以，氢燃料电池本身其实是一个发电机，输出电能带动电机运动。

当然，它只是原理类似于内燃机，但是其内部反应非常安静，比内燃机燃料燃烧和机械运动缓和得多。因此造成汽车以后，氢燃料电池汽车同纯电动汽车一样，也是非常安静的。

“安静”也是大多数人对燃料电池和氢动力的理解。

正因如此，很多人可能很难想象，氢动力会和飞机上震耳欲聋的涡扇、涡浆发动机有什么交集。

实际上，除了通过燃料电池反应发电以外，氢气还有一种用法——直接烧。

和汽油、柴油一样，氢本身就是一种燃料，和氧气混合后会燃烧发热。因此从理论上说，氢完全可以直接替代汽油、柴油，注入内燃机中燃烧产能。之所以现在不这么做，而是采用燃料电池的方法，是因为内燃机有其固有缺陷。

内燃机经过了内能到机械能的转化，存在一种卡诺循环限制，其热效率有极限，目前普遍结论是氢内燃机的效率不太可能超过30%。

而燃料电池是通过电化学反应把燃料化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制。理论上它的发电效率可达到85-90%，即便考虑到工作时各种极化的限制，目前燃料电池的能量转化效率依然能达到约40-60%。

不过，在飞机使用的喷气发动机上，烧氢气就不存在这种问题。当然，这个问题并不是消失了，作为一种热机，飞机发动机同样存在卡诺循环的限制，其热效率甚至还低于汽车内燃机。

但是作为截然不同的2种机械，飞机要考虑的问题和汽车并不同。

首先，从根本上说，喷气发动机和内燃机的驱动原理不同。内燃机通过将燃料燃烧产生的热能转化成机械能工作。在汽车上，这个机械能驱动车轮转动;在采用内燃机(活塞式发动机)的飞机上，这个机械能驱动螺旋桨转动，汽车、飞机的动力和内燃机的效率直接相关，因此一般用发动机功率作为关键指标。

而喷气发动机的原理是将吸入的空气经过压缩和加热，向后喷出。根据牛顿第三定律——作用力和反作用力，发动机喷出的力会带来推动飞机向前的力。飞机飞得好不好，要看这个推力大不大，所以一般用推力作为喷气发动机的关键指标。

而在喷气发动机推力形成的过程中，燃料燃烧膨胀只是其中一部分，其他诸如压气机的压缩效率、进气道的进气效率影响也很大。

因此，其燃料燃烧的热效率并不是喷气发动机首要考虑的。

或许有人会问，那为什么要在飞机上烧氢气，而不干脆也像汽车一样使用燃料电池呢?事实上，使用燃料电池的飞机是有的。前面说到，波音2008年试飞的氢燃料飞机，就是一架单座的小型氢燃料电池飞机。不过，氢燃料电池主要也只适合于这种低速小型飞机。

除了燃料电池本身的体积和重量外，影响这种选择主要还是前面说到的推进原理不同。由于依靠气流推进，喷气发动机的效率和气流速度息息相关，在低速下，其效率会大幅下降。因此，一些航速在700km/h以下的中小型飞机，往往会选择以螺旋桨拉力为主要动力的涡桨发动机甚至是活塞发动机，它们就是未来燃料电池的替换目标。

但总体上说，喷气动力才是未来大型高速商用飞机的首选。同理，使用氢燃料的喷气式飞机，才能称得上“改变游戏规则”。

那么，相较于过去的喷气发动机燃料，氢有什么优势呢?为什么如今又迟迟得不到大规模应用?

氢的优势说起来很简单，就是热值高和环保。

氢和氧的燃烧产物只有水，不产生二氧化碳，对于减少碳排放十分有利。而化石能源均为碳氢化合物，在燃烧后会造成大量碳排放。

其次，氢的热值非常高，达到1.4X10^8焦/千克，比所有化石燃料都高，是传统航空煤油的3倍。换句话说，要提供同样的能量，所需的氢只是过去燃料的三分之一，这对于在重量上锱铢必较的飞机来说是非常重要的。仅凭这一点，就值得全行业奋勇追逐这种能源。

至于说目前为什么没有大规模应用，主要也在氢本身的性质上。

氢在常温下是气态，密度非常小，如果要使用氢气作为燃料，那么恐怕需要数倍于飞机大小的储存罐，才能运输和过去同等重量的燃料，因此现在普遍使用液氢作为燃料。即便如此，液氢的密度依然只有70 kg/m^3，不到煤油密度的十分之一，依然需要一个10倍于过去的储存空间才能存放。

更大的问题是液氢的存储。液氢沸点是-252.78℃，从离开保温设备那一刻起，它就在不停地蒸发，因此要不断向火箭内补充。于此同时，灌注燃料的速度还不能太快，以避免储存罐内液氢挥发地太多，使罐内压力过大。

因此，当初同样采用液氢动力的长征五号发射时，发射场的液氢灌注工作一直持续到发射前几分钟才停止。而在民用机场上，这对地勤人员和设备提出了很高的要求。

此外，氢的分子小，存在小分子渗透现象，一旦逸散到容器外，其易燃性会给飞机带来巨大危险。因此，氢的储存需要专业且昂贵的设备，目前的经济性还比较差，主要还是用在不计成本的航天领域。

或许正是因为这些问题的存在，空客将他们的目标放到了2035年，其他航空公司的高管则有的认为要2040年才能实现。在对外表态时，空客CEO也呼喊“政府和工业合作伙伴的支持”。同时，他们也表露了信心，称不必担心氢的安全问题