中國兆瓦級氫燃料航空發動機AEP100首飛成功 氫能航空邁出里程碑一步

中國在氫能航空發動機領域取得重大突破。在湖南省株洲蘆淞機場，一架設計最大起飛重量達7.5噸級的無人運輸機，日前成功搭載一部由中國航發集團旗下湖南動力機械研究所研製的兆瓦級氫燃料航空渦槳發動機AEP100完成首次試飛，標誌著中國在氫能航空發動機領域，從技術探索正式跨越至工程實踐階段。 據悉，這次試飛歷時16分鐘，飛行高度達300米，航程達36公里，創下全球首次兆瓦級氫燃料航空渦槳發動機成功試飛的紀錄。業界普遍預期，未來氫燃料航空發動機有望率先應用於支線無人貨運、海島物流等特定領域，其後逐步拓展至支線客機市場。然而，要構建完整的氫能航空生態系統，仍需克服多重挑戰，可謂任重而道遠。 面對這項技術突破，市場上不乏疑問，認為航空發動機燃料由航空煤油轉換為液態氫，或許並非想像中複雜，且兆瓦（即1000kW）級的功率在航空發動機範疇中亦屬偏小。然而，分析指出，前者顯然低估了在航空發動機上使用液態氫作為燃料的技術難度和複雜性；至於後者，則屬合理的觀察。事實上，欲將液態氫應用於航空發動機，至少需攻克三大核心技術難題。 首要挑戰是氫氣燃燒的精密控制。由於氫氣燃燒速度極快，過往多應用於高速短時的火箭發動機。若應用於慢速且飛行時間以時計的航空發動機，極易出現回火、爆震及震盪等意外，這被航空業界視為最大的「攔路虎」。過往數十年來，只有火箭發動機採用液態氫為燃料，商用航空發動機燃燒液態氫的產品可謂鳳毛麟角。 為應對此挑戰，是次成功試飛的AEP100發動機，是從燃燒航空煤油的AEP100-A型號修改而來。研發團隊為其進行了大幅度改動，包括採用多級旋流燃燒室設計，配合微孔噴射技術，並將部分關鍵零部件表面覆蓋僅厚0.3毫米的陶瓷熱障塗層，將耐熱能力提升三倍，藉此確保液態氫燃燒速度能放慢且保持穩定。 第二個難題是「冰與火」並存的極端温度跨度。在常壓下儲存液態氫，需要將温度降至攝氏零下252.87度，但航空發動機的燃燒室和渦輪温度卻動輒達1000度或以上。在飛機有限空間內同時處理這兩極温差，其技術難度甚至較火箭應用更高。 第三個關鍵技術障礙是「氫脆」問題。氫氣容易滲透金屬材料內部，導致材料變脆、強度降低，嚴重威脅發動機的結構安全。為此，研發團隊採用抗氫脆特種合金材料，為發動機的熱端零部件提供高温抗氧化及抗氫脆保護，確保發動機在長期運作下的結構可靠性。 除了技術挑戰，液態氫在物理特性上也帶來設計考量。儘管液態氫的重量能量密度約為航空煤油的三倍，意味著產生相同能量所需的重量僅為航空煤油的三分之一，但其體積能量密度卻僅為航空煤油的約25%，即所需的體積將是航空煤油的四倍。這表示雖然飛機轉用氫動力後可顯著減輕燃料重量，但液態氫儲存缸所需的龐大體積，部分抵消了輕量化的優勢。 此外，為加強絕緣效果及減少熱交換效應，液態氫儲存缸通常需採用低表面面積的圓柱體或球體形狀，無法像航空煤油油箱般設計在機翼內部。因此，現有飛機若要改用氫動力，往往需要修改設計，透過延長機身來容納液態氫儲存缸，間接導致結構重量上升。 根據中國航發集團公佈的路線圖，其氫燃料航空發動機發展將分為三步走。第一階段為「技術驗證」（2026年至2027年），目標是完成AEP100的試飛，並進一步優化其性能及可靠性。第二階段為「示範營運」（2028年至2030年），計劃在支線客機上進行試營運，主要應用於500公里內的短程航線，以驗證氫能航空的可行性和經濟性。第三階段則是「規模推廣」（2030年之後），旨在將氫燃料航空發動機應用於大型客機和幹線航線，實現規模化發展。 然而，分析人士指出，上述路線圖可能較為樂觀。目前AEP100的功率僅略超過1000kW，推動一架最大起飛重量7.5噸級、最大載重量3.5噸的無人運輸機已屬勉強夠用，估計最高時速約為300公里。即使安裝兩部AEP100，無人運輸機的最大起飛重量雖可提升至逾10噸，最大載重量超過5噸，最高時速約500公里，但仍僅限於支線運輸範疇。若要達到幹線貨機或客機的載重量和航程，例如與C919基本型（最大起飛重量72.5噸）看齊，即使將內地去年研發成功、最大功率4000至4200kW的渦槳發動機AEP400改裝成燃燒液態氫版本，單架飛機安裝兩部亦可能不足夠。此外，全球各地機場亦需投入大量資金建設相關基礎設施，例如氫氣輸送、儲存或即時生產設施，這些都是氫能航空大規模推廣的必要前提和重大挑戰。