欧洲对氢能源飞机关键技术研究和布局

企业为主体、市场为导向、产学研深度融合的技术创新体系是推动技术成果转化,提升资源利用效率,形成创新合力的重要举措。本文将以德国航空航天中心(DLR)为例,简述DLR在氢能源飞机这一创新领域与以空中客车公司为代表的航空巨头企业开展合作研究的情况,以期对国内相关合作有所启示。

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技术引领:
系统前瞻布局氢能飞机关键技术研究

DLR是德国的国家级航空航天研究机构,也是欧洲最大且最为重要的科研机构之一,致力于航空、航天、能源、运输、安全和数字化的关键性技术研究,在多个技术领域处于全球领先地位。DLR是德国国家氢能委员会的26位成员之一,在氢能的准备、储存和运输、使用以及系统与市场分析、技术评估和可持续发展领域开展了大量研究工作。在航空领域,DLR开展的主要研究工作如下:

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面向需求:
联合工业界共同开展技术研究和验证

在系统前瞻布局氢能飞机关键技术研究的同时,DLR同空客等制造商合作,在欧盟“地平线欧洲”框架下,围绕氢能源飞机研究开展了联合项目研究,利用主制造商在需求牵引、场景牵引、验证评价等方面的优势,不断提高技术成熟度。双方联合开展的相关项目总结如下表:

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服务企业:
发挥优势为企业提供技术服务
在系统前瞻布局氢能飞机关键技术研究的同时,DLR积极于空客等工业界巨头合作,针对氢能飞机技术的工程化落地开展更加深入的研究。作为欧洲最重要的航空科研机构,DLR发挥其在关键基础技术研究、试验能力和基础设施方面的优势,积极参加欧洲主要航空企业的氢能飞机研发项目。早在2003年,空客公司就与DLR在氢燃料电池飞机方面签署了合作协议并开展相关研究。2017年,空客与DLR、法国航空航天实验室(ONERA)签署三方战略合作协议,共同开发一个工业级的新通用计算流体动力学(CFD)程序以支持新一代飞机的研发;2023年,三方重新就协议进行了更新,明确将围绕空客ZEROe、EcoPulse和Open Fan等新能源飞机、直升机和航天系统的研发需求,研发可用于超大规模并行计算平台的CFD软件,以进一步扩展应用的范围并提升准确性。

2023年,DLR为ZEROe项目完成了飞行状态下使用100%氢燃料的航空发动机的地面燃烧试验,并开发了一种能够承受氢气燃烧时出现的极端温度和压力的测试装置。空客选择DLR作为合作伙伴的原因是其独有的高压燃烧室试验台(HBK1)和卓越的试验工作团队。HBK1拥有一面耐压石英窗户,可允许实验人员直接观察原本封闭的燃烧室,以更好的表征燃烧行为并确定燃烧室内的流量。同时,DLR研发的激光光学测量方法,可允许在不影响燃烧室流量的情况下即时记录反应和热释放区域,并使用流场测量技术来跟踪空气/氢气混合物和反应产物在燃烧室中的运动,使项目组可对燃烧情况、设计工具及不同调校进行有效评估。

DLR HKB1试验台

  2024年,空客公司在其位于德国施塔德的工厂设立了氢能技术零排放研发中心(ZEDC),开展低温液氢存储和分配相关技术的研究。ZEDC的首要任务是研发低成本的轻质复合材料储氢系统,包括液氢复合材料存储罐的基础零件、装配、制造和测试等环节。ZEDC所在的施塔特CFK复合材料谷集合了如DLR轻量结构系统研究所、多个中小型复合材料企业和高校在内的多个研究机构,ZEDC将借助“地利”与相关机构开展密切合作,支持空客在2035年将氢动力飞机投入使用。

 

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小结

以氢能飞机研究为例,可总结出如下几个特点:

1. DLR作为科研机构,主要发力点在战略及路线图编制、系统集成验证、关键技术攻关和依托其重要基础设施开展实验。

2. 空客作为行业巨头,主要以产品为导向,提出新一代概念飞机的整体方案和要求,联合行业合作伙伴,在政府的支持下推进型号发展。

3. 在气候中和这一目标下,欧盟与德国政府在氢能飞机这个航空领域的新赛道上对企业和科研机构予以了大力支持,或通过科研项目直接进行资助,或通过用地、税收等特殊政策予以政策扶持。