全球氢能航空发展战略对比研究：基于欧盟、英国、美国与中国政策路径的实证分析

全球航空运输业正面临着日益严峻的脱碳压力。目前，航空业贡献了全球约2.6%的二氧化碳排放量，且这一比重仍在持续增长。若不采取有效措施进行干预，预计到2050年，航空业碳排放占比可能攀升至全球总量的四分之一。面对这一挑战，国际民航组织（ICAO）及航空运输行动小组（ATAG）等国际机构提出了2050年将航空业碳排放量削减至2005年水平50%的宏伟目标，这使得寻找并规模化应用绿色、可持续的航空动力解决方案变得刻不容缓。

一、航空业脱碳压力下的氢能路径选择

在众多减碳技术路径中，氢能航空动力因其零二氧化碳排放的终极潜力，被视为实现航空业深度脱碳的颠覆性解决方案之一。氢能可通过三种主要技术路径转化为航空推力：氢涡轮动力系统、氢燃料电池动力系统以及结合两者优势的氢混合动力系统。这些技术各自适配不同的航程与机型，共同构成了未来氢能航空的技术谱系。然而，从实验室原理走向商业运营，氢能航空面临着从基础科学、关键技术、系统工程到适航认证、基础设施的全链条挑战。其中，针对氢独特物性的关键技术验证与试验，是贯穿研发全过程、决定成败的核心环节。本文将系统梳理全球主要国家与地区的氢能航空发展规划，深入分析关键技术挑战及其对应的试验需求，并评估国内外试验能力发展现状，以期为我国氢能航空动力技术的战略布局与研发实践提供参考。

二、全球主要国家氢能航空动力发展规划

为实现航空脱碳目标，世界主要航空强国和地区纷纷将氢能航空提升至国家战略层面，制定顶层规划，并通过大型国家项目牵引技术研发与产业化进程。

2.1 欧盟：系统布局与长期路线图

欧盟在氢能航空领域的布局起步早且体系完整。其战略核心是“洁净天空”（Clean Sky）系列计划。在Clean Sky项目完成初期技术探索的基础上，欧盟启动了“洁净天空2”（Clean Sky 2）及后续的“清洁航空”（Clean Aviation）联合行动计划，将氢动力飞机作为重点突破方向。2020年发布的《氢动力航空》研究报告，为欧盟氢能航空发展绘制了清晰的三阶段技术路线图：

第一阶段（2020-2028年）：聚焦基础技术研发，目标是完成通勤类氢能飞机的适航认证，并实现支线与短程飞机的成功试飞。此阶段同步推进涵盖安全、市场机制在内的全套基础工作体系建设。

第二阶段（2028-2035年）：致力于技术升级与规模化应用。研发重点是将已验证的技术组件放大并应用于中程客机，使其具备投入商业运营的条件。同时，全面推进机场氢燃料加注等地面基础设施的配套建设。

第三阶段（2035-2050年）：瞄准技术颠覆与成熟应用。开发适用于中型乃至远程客机的革命性新构型飞机原型机，并实现氢能航空的大规模商业化运行。

以空客公司为代表的欧洲航空巨头是战略落地的重要执行者。空客“ZEROe”项目计划在2026-2027年间，利用A380飞行测试平台对氢涡轮和氢燃料电池两种动力方案进行对比验证，目标是在2035年将氢动力客机投入商用。此外，由欧盟资助的“HyPoTraDe”等项目，正致力于开发与测试500千瓦级的氢燃料电池-电池混合电推进系统，旨在加速动力总成的技术成熟。

2.2 英国：聚焦零碳飞行的国家项目

英国通过国家层面的“零碳飞行”（FlyZero）项目，集中力量攻关氢能航空技术。该项目由英国航空航天技术研究院牵头，旨在2030年前完成零碳排放飞机的研制并投入商业运营。FlyZero研究证实了氢能飞机的技术可行性与潜在经济性，并提出了覆盖氢燃料涡轮发动机、氢燃料电池、低温储氢、热管理等13个关键及交叉技术领域的发展路线图。英国罗尔斯·罗伊斯公司作为核心参与方，不仅与易捷航空合作开展基于“珍珠”发动机的整机燃氢测试，还开始在美国NASA斯坦尼斯航天中心建设专用的露天氢燃料发动机试验台，为全尺寸验证铺平道路。

2.3 美国：企业主导与前沿技术探索

美国的氢能航空研发呈现出企业主导、政府支持的特点，注重前沿和颠覆性技术的探索。美国国家航空航天局发布了氢燃料混合翼身融合客机概念设计，该设计通过将低温液氢储罐集成于机身尾部，旨在系统性地提升飞机能源效率。在动力系统方面，普惠公司获得了美国能源部资助，开发名为“HySIITE”的氢蒸汽喷射间冷涡轮发动机技术。该技术集成蒸汽循环，目标不仅是实现零碳排放，还要大幅降低氮氧化物排放和燃料消耗。此外，新兴科技公司如ZeroAvia发展迅速，其600千瓦级别的氢燃料电池动力系统ZA600已计划于2025年投入市场，瞄准9-19座的通勤飞机市场。

2.4 日本：巨额投资与全产业链雄心

日本将氢能飞机视作重塑全球民机产业格局的战略机遇。日本政府近期宣布将投入5万亿日元（约合330亿美元）重启国产客机研发计划，支持三菱重工、川崎重工、石川岛播磨重工等企业进行全产业链攻关。研发范围覆盖氢能飞机概念设计、氢燃烧室、液氢储罐、氢燃料电池动力、大功率电机等几乎所有关键技术领域，目标在2035年后推出以氢能或其他新能源为动力的窄体客机，从而在全球民机市场中占据领先地位，而非仅仅作为零部件供应商。

2.5 中国：顶层设计与积极追赶

中国在氢能航空领域正加速布局。2023年10月，工业和信息化部等四部门联合印发的《绿色航空制造业发展纲要（2023—2035年）》明确指出，要“积极布局氢能航空新赛道”。该纲要设定了阶段性目标：到2025年，氢能源飞机关键技术需完成可行性验证；到2035年，使新能源航空器成为发展主流。纲要要求加快储氢装置、动力装置等核心关键技术攻关，并推进氢燃料电池、氢涡轮等不同技术路线的理论研究与技术验证。在此之前，中国商飞的“灵雀H”验证机等探索性项目已进行了初步的飞行实践。

三、氢能航空动力技术挑战与试验需求

氢的物理化学特性（如低沸点、高扩散性、宽燃烧极限、高热值）使其在航空应用上迥异于传统航空煤油，由此衍生出一系列独特且严峻的技术挑战，对试验验证提出了全新、复杂的需求。

3.1 液氢低温特性与高安全输运

输运是将氢燃料从储存装置通过工艺管路运送至燃烧室燃料总管，中途通过增压、换热、流动控制等。氢燃料输运过程中涉及低温液氢两级增压、液态/气态/超临界态氢燃料输运、安全应急工艺设计、兼容发动机氢燃料控制和热循环策略设计、氢燃料安全密封设计、管路热防护设计、多支路状态匹配设计等。与航天液氢输运时间短（几百秒）、流量恒定、无相态变化的特征相比，航空液氢输运系统需具备长期服役、流量变化快（响应时间毫秒量级）/范围宽（点火到最大推力燃料流量变化范围可达几百上千倍）、跨相态等技术特征，这对液氢泵、阀门、以及管道在功能、密封、热防护等方面提出更高的特殊要求。

液氢粘度极低、分子尺寸小，极易发生泄漏；其低温特性对储罐的绝热性能、材料低温韧性以及循环疲劳寿命提出苛刻要求。飞机在起降及巡航过程中经历剧烈的压力、温度变化，液氢储罐必须能适应从地面高温（如+85°C）到高空低温（-55°C）的严酷环境。燃料供给系统，尤其是低温液氢泵，需要在极端温差和振动环境下实现稳定、高效的输送，其设计选型高度依赖于飞机的具体任务剖面。

材料与环境适应性试验：需要能够模拟高空低压、宽温域（-253°C至+85°C）循环的环境试验舱，用于测试储罐复合材料、密封件、管路材料的力学性能、密封性能和疲劳寿命。

低温流体动力学试验：需要低温液氢（或替代工质）循环试验台，用于研究液氢的相变、两相流特性，测试低温泵、阀门、流量计等部件的性能、效率及空化特性。

安全与失效模式试验：需要具备完备安全措施（如防爆、高通风）的专用试验设施，用于模拟和验证燃料系统在泄漏、冲击、火灾等极端情况下的安全响应和缓解措施。

3.2 氢燃料高热沉特性与多介质高效换热

凭借液氢的深冷特性，氢燃料发动机通过氢冷换热循环可以显著提升发动机性能，包括预冷、间冷、回热、以及滑油换热器等，氢燃料高热沉（气化潜热约450 kJ/kg）/多介质（滑油、空气、燃气等）高效换热与热管理技术是关键，这一技术涉及材料科学、热力学、流体力学等跨学科的知识融合。面对强的换热能力、较轻的质量、低流动损失、防结冰（结霜）、结构紧凑，并且必须适应宽广的工作范围等方面的换热器特殊技术要求，需开展微尺度流动换热机理、高功重比换热器设计技术以及换热器表面抑霜防冰技术等方面的研究。

综合热管理试验台：需要能够集成氢燃料流路、多个热源（模拟发动机热部件、电子设备）和冷却回路的复杂热力系统试验台，用于验证系统级的热匹配设计、控制策略和极端工况下的热稳定性。

相变换热器性能试验：需要针对液氢气化器等关键换热部件，进行高压、大温差条件下的换热效率、流动阻力及瞬态响应特性测试。

3.3 氢燃料安全、稳定、低排放燃烧

由于氢燃料极低的点火能量（是航空煤油的1/10）和较高的火焰传播速度（是航空煤油的5倍多），这些特征使得氢燃烧面临很高的自燃、回火和燃烧不稳定等风险，严重时可能导致发动机燃烧室的损毁。与此同时，氢燃料较高的火焰温度（高于航空煤油150 K），致使氢燃料燃烧产生的NOx要比航空煤油燃烧产生的NOx高出数倍。此外相较于传统航空煤油燃烧火焰光谱，氢燃烧火焰光谱信号较弱，且主要集中在紫外光谱段，导致氢燃烧可视化测试困难。因此，氢能航空动力燃烧室在防回火/自燃、稳定燃烧以及降低污染物排放等方面面临严峻的技术挑战，需开展航空发动机燃烧室高效稳定燃烧组织方法、安全可靠点火及熄火技术、大流量变化范围下低排放燃烧技术等研究。

主要技术难点在于防止回火、控制氮氧化物（NOx） 排放以及确保燃烧稳定性。氢与空气预混极易发生回火，烧毁燃料喷嘴。高温燃烧则会产生大量NOx。目前，微混燃烧技术被视为最有前景的解决方案，它通过大量微型喷嘴将氢与空气快速混合并燃烧，形成多个微小火焰，从而降低局部火焰温度，有效抑制NOx生成。

高压燃烧室单点/ sector 试验：需要配备光学诊断（如PLIF、PIV）的高压燃烧试验台，在发动机真实压力条件下，可视化和量化研究微混喷嘴的流场、火焰结构、稳定性边界及污染物生成机理，为设计提供基础数据。

全环燃烧室高空模拟试验：需要能够模拟不同飞行高度、速度下进气条件的高空台，对1:1尺寸的全环燃烧室进行性能、排放、点火和熄火边界的地面综合测试。

新型低排放燃烧技术验证：如罗罗公司与高校合作测试的注入“Y形沸石”催化材料的燃烧技术，以及普惠HySIITE项目中的蒸汽注入技术，均需专门的部件与集成系统试验台进行可行性验证。

3.4 氢安全与系统完整性

对于氢能航空动力其涉氢安全问题不容忽视，是必须解决的关键技术。一方面表现为材料氢损伤，主要包括低温冷脆、氢脆和氢腐蚀。对于发动机液氢输送系统，液氢的极低温度（-253 ℃）会导致金属材料的韧性会显著降低，变得脆而易裂。当存在缺陷或应力集中时，容易发生低温脆性断裂。对于燃烧室、涡轮等涉及高温高压氢环境的部件，材料氢腐蚀问题则更为突出，氢腐蚀一旦发生则不可逆，因此需要研发耐高温氢腐蚀的材料。另一方面表现为氢泄漏爆燃，由于氢分子极小、渗透性强，极易从管路焊缝、接头、泵、阀门等位置泄漏。而且氢气爆炸极限范围很宽（体积浓度约4%~75%），点火能极低（仅0.017 mJ），泄漏的氢极易被引燃甚至爆炸。

必须确保飞机在全生命周期内，从地面加注、停放、维修到空中飞行的所有阶段，其氢燃料系统的完整性和安全性。这涉及泄漏探测、通风、防爆、防火、应急排放等一整套安全子系统。

氢气泄漏、扩散与积聚试验：需要在密闭或半密闭空间（模拟飞机舱段或发动机短舱）内，进行不同位置、不同速率下的氢气释放试验，研究其扩散规律，并验证泄漏探测传感器的布局有效性与响应速度。

点火与燃爆试验：在受控的安全设施内，进行氢气-空气混合物的点火试验，研究不同浓度、空间几何下的火焰传播和压力波特性，为防火防爆设计提供依据。

3.5 非常规复杂热力循环验证

氢能航空动力，特别是氢涡轮和混合动力系统，往往引入蒸汽循环、超导电力系统等非传统航空技术，形成复杂的热力循环或能量流网络。

例如，空客的“Cryoprop”验证机计划将液氢同时用于燃料电池发电和冷却超导电力传输系统。普惠的HySIITE项目则将氢涡轮与蒸汽注入循环集成。这些高度集成的复杂系统，其动态特性、控制逻辑和部件耦合作用难以仅通过仿真准确预测。

试验需求：如荷兰皇家航空航天中心（NLR）新建的“能源到推进试验设施”（EPTF），它是一个模块化的试验平台，允许将真实的燃料电池、电机、储氢罐、热管理系统等部件灵活连接，对整个推进系统或子系统进行地面集成测试，验证其功能、性能和控制策略。

动态过程与故障模拟试验：需要在试验台上模拟飞机的各种飞行剖面、加减速过程以及部件故障（如单电池失效、泵停机）等瞬态工况，验证系统的动态响应和鲁棒性。

四、国外氢能航空动力试验能力发展现状

为应对上述试验需求，欧美等航空强国已依托国家实验室、研究机构和龙头企业，建设并升级了一批具有国际先进水平的专用试验设施。

4.1 德国宇航中心：体系化的氢燃烧试验能力

德国宇航中心在氢燃烧技术试验方面处于全球领先地位。其推进技术研究所拥有从基础研究到全尺寸验证的完整试验链条：

HBK-2试验台：主要进行分级燃烧、完整的航空发动机环形燃烧室以及小型罐式燃烧系统的实验研究。该试验台最大热载荷30 MW，质量流量可达50 kg/s，压力达4 MPa，温度700 ℃。试验台可提供煤油、燃油、特殊燃油、燃气、合成燃气（H2， N2， CO， CO2， CH4）等多种形态的燃料，同时可向压力容器、热燃气部件和排气探针提供冷却水。

4.2 美国国家航空航天局与产业界：前沿探索与系统验证

NASA不仅从事前沿概念研究（如氢动力翼身融合体飞机），其所属的斯坦尼斯航天中心等大型试验基地，也为航空发动机的氢燃料改装测试提供了基础设施支持。例如，罗尔斯·罗伊斯公司选择在此建设其专用的露天氢燃料发动机试验台。

推进系统实验室高空台：该高空模拟试验设施具有PSL-3，PSL-4两个试验舱（PSL：Propulsion Systems Laboratory），两个试验舱使用两台J57发动机通过热交换来加温空气，并支持为试验件供应氢燃料。可以开展高空模拟试验、结冰试验、多轴推力测量试验、瞬态来流畸变试验、TBCC发动机试验等整机高空模拟试验。

美国企业界，如普惠、ZeroAvia等，均建立了各自的部件和系统级试验能力，专注于其核心技术（如HySIITE循环、兆瓦级燃料电池系统）的快速迭代与验证。

4.3 欧洲其他机构：模块化系统集成测试平台

荷兰皇家航空航天中心投入运营的EPTF是欧盟范围内首个专注于氢电航空推进的模块化、集成化测试设施。其核心特点是“集成”与“开放”：不仅可以测试燃料电池、电机等单个部件，更能将整个氢-电-推系统连接起来进行全系统功能验证；同时，该设施面向初创企业、中小型企业和工业伙伴开放，旨在加速创新技术的成熟。此外，由欧盟“HyPoTraDe”项目支持的500千瓦级氢燃料电池混合电推进系统地面测试，也代表了欧洲在兆瓦级以下氢电动力总成集成验证方面的先进能力。

罗·罗-拉夫堡大学技术中心的国家燃烧与空气热科学中心（NCCAT），是英国研发未来氢燃料航空发动机燃烧技术的主要研究中心，建有相对丰富的燃烧和测试试验设施，能够开展新型燃料（氢燃料）的多种试验验证，包括低排放燃烧室结构设计、燃烧不稳定性试验、激光测试与诊断技术验证、气体采样/分析系统和反应流诊断技术验证等。

4.4 日本宇宙航空研究开发机构与工业界：全产业链研发支撑

日本宇宙航空研究开发机构（Japan Aerospace Exploration Agency，简称JAXA）是日本的国家空间机构，致力于推进宇宙探索、航空技术和相关科学研究。现有涉氢试验设施包括（1）高/中压燃烧试验设备：该设施是在高温和高压条件下测试燃烧器及其部件，以精确分析燃烧现象、排放等。高压设备由A和B两种类型的高压试验台组成，中压为C型。燃烧器入口压力可达5 MPa，空气温度1 000 K，流量4 kg/s，输出气体温度2 000 K。可以开展低NOx排放特性试验、燃烧效率测试、高温耐热材料测试、氢燃料/天然气/煤油燃烧测试等发动机燃烧实验。

五、国内氢能航空动力试验进展与挑战

我国氢能航空动力研发虽起步较晚，但已在国家战略指引下快速布局，初步构建了从基础研究到部件验证的试验能力。

基础研究与机理探索层面：国内高校和科研院所已建立起一批高水平的机理研究试验台。例如，相关研究团队针对氢氧蒸汽微混燃烧这一前沿方向，已开发出能够进行0.3-1MPa高压下燃烧测试的实验系统。该系统创新性地采用再生冷却技术产生蒸汽，并集成了3D打印燃烧室、壁温监测和红外热成像等先进手段，专注于研究蒸汽稀释、喷射方式对氢氧燃烧效率和温度场的影响，为未来氢燃气轮机的燃烧室设计提供了宝贵的实验数据和方法。哈尔滨工业大学等机构在氢微混燃烧基础实验系统方面也开展了研究工作。

部件与子系统验证层面：中国科学院工程热物理研究所等国家级科研机构，已具备开展中小推力氢燃料涡轮发动机核心部件（如燃烧室、涡轮）和原理样机的试验能力。在兆瓦级氢燃料电池系统、高功率密度电机等关键子系统方面，国内依托新能源汽车领域的产业基础，也正在建设相关的性能与环境适应性测试平台。

系统集成与整机验证层面：目前仍是我国能力的短板。尚缺乏类似欧盟EPTF那样开放的、模块化的氢电推进系统集成试验平台，也缺少能够进行全尺寸氢涡轮发动机高空模拟试验的大型设施。对于液氢飞机储罐与燃料系统的全尺寸、全工况环境适应性试验和安全试验，能力也亟待建立和完善。

总体而言，我国已具备良好的基础研究和部件级试验能力，但在需要巨额投资和复杂系统工程的全系统集成试验和整机级验证试验能力方面，与欧洲、美国等领先者存在明显差距。

六、结论与展望

全球航空业向碳中和转型的竞赛已经鸣枪，氢能作为实现远程航空深度脱碳最具潜力的技术路径之一，已成为大国战略博弈的新焦点。通过对全球发展规划、技术挑战与试验能力的综合分析，可以得出以下结论：

第一，各国发展路径清晰且竞争激烈。欧盟凭借系统性的长期路线图和“清洁航空”等大科学计划，谋求体系化领先；英、美依托强大的企业创新能力和国家实验室，在具体技术突破和商业化应用上竞争；日本则以史无前例的国家投资，意图实现从部件供应商到整机引领者的跨越。我国通过《绿色航空制造业发展纲要》明确了追赶方向，但需在战略执行速度和资源投入强度上加力。

第二，技术挑战深刻且试验需求明确。氢能航空动力绝非简单的燃料替换，而是一场涉及材料、流体、热物理、燃烧、控制、安全等多学科的深刻变革。液氢储运、高效换热、低排放燃烧、复杂系统集成和氢安全是五大核心挑战，每一项都对应着从基础机理到系统集成的、多层次、高复杂度的试验验证需求。试验能力是连接理论创新与工程现实的关键桥梁，直接决定技术成熟的速度与可靠性。

第三，试验能力建设呈梯队化与专业化趋势。领先国家已形成从基础研究（光学诊断燃烧台）、到部件验证（高压燃烧室试验台）、再到系统集成（模块化动力总成试验台）和整机环境模拟（高空台、露天试车台）的完整试验能力链条。特别是类似于荷兰NLR-EPTF的开放式、模块化系统集成试验平台，对于加速产学研协同创新、降低中小企业研发门槛具有重要意义，代表了试验能力发展的新方向。

第四，我国需采取“补短”与“超前”并举的策略。面对差距，我国应一方面加快补足在全系统集成试验和大型整机验证设施方面的能力短板；另一方面，可结合自身优势，在氢微混燃烧机理、超导电推进系统、智能热管理控制等前沿交叉领域布局建设高水平的基础研究和原理验证试验装置。同时，鼓励建设国家级、开放共享的氢能航空动力试验平台，汇聚全国优势力量，加速关键技术攻关与迭代，方能在全球氢能航空的赛道上实现从并跑到领跑的跨越。

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