空客公司正在研发零排放、燃料电池驱动的超导电动飞机

Airbus SAS

当前，与气候相关的工程领域所面临的最重大挑战之一，便是设计和制造一架大型的、零排放的客运飞机。在这项艰巨的任务中，没有哪家飞机制造商像空客公司这样投入巨大。

在3月24日和25日专为记者举办的空客峰会上，空客公司的高层管理人员描绘出了一幅大胆且极具科技前瞻性的愿景，关乎该公司未来几代飞机的发展（https://www.airbus.com/en/airbus-summit-2025）。从技术角度来看，其中最引人注目的是一款采用超导技术、由燃料电池驱动的客机。

空客公司的战略基于并行开展的研发工作。该公司表示，在进行研发大型燃料电池飞机所需的大量科研项目的同时，还将积极推进另一款客机的设计工作，旨在最大限度地提高基于燃烧的推进系统的效率。据空客公司未来项目负责人Bruno Fichefeux称，对于这款飞机，公司的目标是将其燃油消耗降低20%至30%。这将是一款单通道客机，旨在接替空客A320系列飞机。A320系列是市场上销量最高的客机，已交付近12000架。该公司预计这款新飞机将在2030年代后半期的某个时候投入使用。

空客公司希望通过利用喷气发动机、机翼、轻质高强度复合材料以及可持续航空燃料等领域的新兴技术进步，来实现如此大幅度的效率提升。例如，空客透露，其目前正在研发两款先进的喷气发动机，其中更具创新性的一款将配备开放式风扇，其叶片可以在没有外部发动机短舱的情况下旋转。空客正在与合作伙伴CFM国际公司（由GE Aerospace和Safran Aircraft Engines公司合资成立）开展的一个项目中对这样的发动机进行评估。

如果没有发动机短舱来包围，发动机的风扇叶片可以做得很大，这样就能实现更高水平的 “涵道比（bypass air）”。涵道比指的是被吸入发动机后部的空气（与用于燃烧燃料的空气分开），并被排出以提供推力的空气量。GE Aerospace的首席技术与运营官Mohamed Ali表示，涵道空气与燃烧空气的比例是衡量发动机性能的一个重要指标，比例越高，表明效率越高。

Ali称，如今典型的涵道比大约在11或12左右，但根据他的说法，这种开放式风扇设计能够使涵道比高达60。

Ali还补充道，合作双方已经在欧洲进行了两个不同系列的风洞测试来对开放式风扇发动机进行测试。Ali在空客公司举办的活动上表示：“测试结果非常令人鼓舞，这不仅是因为它们在性能和噪音验证方面表现非常出色，还因为它们验证了我们所做的计算分析。”

Safran Aircraft Engines

燃料电池客机是实现零排放目标的基石

在研发这款先进的燃烧动力客机的同时，空客公司在一项名为 “零排放”（ZEROe）的项目下，已经花了五年时间来研发一款燃料电池飞机。在此次峰会上，空客首席执行官Guillaume Faury放弃了在2035年前让这款飞机实现首飞的目标，他指出，目前缺乏对这类飞机进行认证的监管框架，而且以商业规模和具有竞争力的价格生产 “绿色” 氢气所需的基础设施建设速度缓慢。Faury解释说：“我们可能会面临一种类似于‘氢动力协和式飞机’的风险，即我们有了一个解决方案，但从规模上看，这并不是一个在商业上可行的方案。”

即便如此，他还是煞费苦心地重申了公司对该项目的承诺。“我们依然相信氢能的潜力，” 他宣称，“我们坚信，对于航空业来说，氢能是未来的一种能源，但仍有许多工作要做。空客公司需要付出更多努力，我们周围的其他各方也需要做更多工作，才能让这种能源实现规模化、具备竞争力，并最终取得成功，为实现脱碳目标做出重大贡献。” 全球许多主要行业，包括航空业在内，都已承诺到2050年实现温室气体净零排放，Faury和空客公司的其他高管多次提到这一事实，将其视为 “零排放”（ZEROe）项目的一个关键驱动力（https://www.iata.org/en/programs/sustainability/roadmaps/）。

在活动的后期，负责空客 “零排放”（ZEROe）项目的副总裁Glenn Llewellyn详细介绍了该项目，展示出了这一项目在技术层面令人惊叹的雄心壮志。按照设想，这款飞机将至少搭载100名乘客，航程达1000 海里（1850公里）。它将由四个燃料电池 “发动机”（每个机翼上安装两个）提供动力，每个发动机的输出功率为2兆瓦。

据空客燃料电池推进系统开发负责人Hauke Luedders称，空客公司已经在慕尼黑对一个功率为1.2兆瓦的系统进行了广泛测试，该系统是与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，该公司目前专注于低温质子交换膜燃料电池，尽管尚未最终确定采用这一技术。

但真正令人震惊的是，Llewellyn介绍了空客公司的一项全面计划，即为这款燃料电池飞机设计和测试一套完整的超导电力传动系统。Llewellyn解释道：“由于飞机上储存的氢气是在非常低的温度下，即零下253摄氏度储存的，我们可以利用这个温度和低温技术来有效地冷却整个系统中的电气设备。这将显著提高能源效率和性能。即使这是一项尚处于早期阶段的技术，但通过恰当的努力和合适的合作伙伴关系，这可能会改变我们燃料电池飞机乃至全电动飞机的格局，使我们能够设计出更大、功率更强、效率更高的飞机。”

在回答IEEE Spectrum杂志的提问时，Llewellyn进一步阐述道，电力推进系统的所有主要部件都将采用低温冷却方式：“配电系统、电子控制系统、功率转换器以及电动机”—— 具体来说，就是电动机中的线圈。他补充道：“我们正在与各个合作伙伴就每一个部件展开合作。” 低温冷却系统会冷却一种制冷剂，这种制冷剂会循环流动，以保持部件处于低温状态。

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航空领域会成为超导体的 “杀手级应用” 吗？

Llewellyn没有具体说明团队正在使用哪些超导体和制冷剂。但高温超导体很有可能被采用，因为要维持超导状态，使用高温超导体对冷却系统的要求会大幅降低。

1986年，IBM发明了基于铜氧化物的陶瓷超导体，而且在环境压力下，其不同形态能在零下238摄氏度（35开尔文）到零下140摄氏度（133开尔文）的温度范围内实现超导（https://www.ibm.com/history/high-temperature-super-conductors）。这些温度比传统超导体所需的温度要高，传统超导体需要在大约25开尔文以下的温度环境中才能实现超导。尽管如此，高温超导体的商业应用一直难以实现。

不过，一位超导领域专家、耶鲁大学的应用物理学家Yu He对空客的这一消息感到振奋。“我的第一反应是，‘真的吗？’ 而我的第二反应是，哇，这一整个研究方向，或者说应用领域，确实在不断发展，对于空客的宏伟计划我非常高兴。”

铜氧化物超导体已经在一些应用中得到了使用，不过几乎都是处于实验阶段。这些应用包括风力涡轮发电机、磁悬浮列车示范项目、短距离输电电缆、磁共振成像设备，特别值得一提的是，还用于实验性托卡马克核聚变反应堆的电磁线圈。

在一家名为Commonwealth Fusion Systems的核聚变初创公司中，托卡马克装置的应用尤为关键，因为在制造线圈时，工程师们不得不发明一种工艺，将通常易碎的铜氧化物超导材料加工成带状，以便用来制作成环形线圈，这种线圈能够承载非常大的电流，进而产生极强的磁场。

He教授表示：“使用超导体来提供如此大的电流是非常理想的，因为它不会产生热量。这意味着，首先，线圈本身直接损失的能量会少得多；其次，也不需要那么多的冷却功率来散热。”

尽管如此，技术上的障碍依然巨大。He教授说：“有人可能会提出，在电动机内部，由于空气动力学摩擦，仍然需要散掉大量的热量。那么问题就变成了，如何管理电动机内部的整体热量呢？”

Céline Sadonnet/Master Films

对于这一挑战，工程师们至少拥有一个有利的环境，即寒冷且流动快速的空气。He教授认为，工程师们将能够利用电动机及其他部件上方的 “大量气流” 来辅助散热。巧妙的设计能够 “利用气流的动能”。

Llewellyn在峰会上透露，为了测试不断发展的燃料电池推进系统，空客公司已在格勒诺布尔建造了一个独特的测试中心，名为 “液氢试验板”。他说：“我们与Air Liquide Advanced Technologies公司合作建造了这个设施。这个试验板是一个多功能测试平台，旨在模拟未来飞机架构的关键要素：储氢罐、阀门、管道和泵，使我们能够全面验证不同的配置。而且这个测试设施正在帮助我们深入了解安全性、氢气操作、储氢罐设计、加油、排气和测量等方面的关键信息。”

Llewellyn补充道：“在整个2025年，我们将继续测试完整的液氢及分配系统。到2027年，我们的目标是迈出更大的重要一步，对完整的端到端系统进行测试，包括燃料电池发动机以及液氢储存和分配系统，这将使我们能够评估实际运行中的整个系统。”

Glenn Zorpette（本文作者）作为空客公司的嘉宾前往了图卢兹。