普惠公布氢能源发动机最新进展，押宝2050年实现商业化

摘要：近期，美国普惠公司发布了其氢能源发动机项目“HySIITE（氢-蒸汽喷射中冷涡轮发动机）”的最新进展，并公布了部分原理示意和技术验证试验的图片。

近期，美国普惠公司发布了其氢能源发动机项目“HySIITE（氢-蒸汽喷射中冷涡轮发动机）”的最新进展，并公布了部分原理示意和技术验证试验的图片。

普惠公司在媒体发布会上强调，相较于GTF齿轮减速涡扇发动机，HySIITE系统不仅能实现飞行中碳排放为零，而且在提高35%燃料效率的同时，还可以将氮氧化物的排放减少99.3%。

普惠公司公开的HySIITE发动机原理示意图

根据普惠公司的公开信息，HySIITE项目启动于2022年，主要目标是探索一个可行的先进框架基础，并对一些高风险的前沿技术概念进行可行性测试。该项目获得了美国能源部高级研究计划署的380万美元资助，并在2024年12月结束。基于测试结果，普惠公司认为此类发动机有可能在2050年左右实现进入商业使用阶段。

从公开信息来看，HySIITE的特点在于，以一些传统氢燃机的痛点为研发核心，并给出了一些针对性的解决方案，这些解决方案在测试中得到了不同程度的验证。具体的问题和解决方案如下：

针对低温燃料，打造独特热循环模式

在氢燃料动力系统的型号适配中，对于吨位、尺寸较大的中远程飞机，必须使用液氢才能保证其储能密度水平。但氢气极低的沸点（标准大气压下-252.8℃）会使得液氢发动机在工作中必须同时处理极低和极高的温度。

这为氢燃机的热管理设计带来了巨大的挑战：既要保障发动机绝大多数部件——特别是连接固定件、柔性密封件，尽可能处于和缓有序的温度梯度中；又要合理、高效地管理热量，一方面要让传统燃机上无法利用的废热能够为液氢蒸发膨胀提供能量，另一方面要对高温部件进行有效冷却，并控制燃烧温度，减少氮氧化物产生。

赛峰集团支持下的轻型飞机发动机“油改氢”项目

为了解决这个问题，HySIITE采用了与传统轴流式涡轮燃机完全不同的构架。这不是一种基于“油改氢”思路发展出来的烷烃燃料涡轮燃机变种，而是完全针对低温液氢燃料开发的专用型号，热循环模式相当复杂。

HySIITE的基本工作原理

如图所示，氢在燃烧室中与空气混合燃烧以后产生的高温喷流，在推动涡轮做功后，并不会直接从喷管中排出成为总推力的一部分，而是进入后方的封闭结构，经过压气机的压缩和转向后向前流动。这些热气流折返向前之后，会首先流经热交换器，然后经过位于外涵道中的大尺寸冷凝器进行冷却，最后进入分离器，实现空气与水分的分离。

而获得的干燥空气在排出后与外涵道喷流混合，形成部分额外推力。冷凝水则会在离心运动中被甩到分离器的壁面上，被集中回收并用于冷却、增推等用途。

普惠公司声称，这种设计下，HySIITE发动机每3秒就能回收1加仑（约3.8升）水，但没有提及具体发动机的推力、尺寸和重量等数据。

这个过程中，热交换器负责对热气流进行初步降温，并对部分回收冷凝水进行加热，使其再度转换为蒸汽。冷凝器则一方面负责对热气流实施二次降温，另一方面也负责预热液氢燃料，使其汽化成为气态；通过外涵道气流和液氢共同吸热的过程，使热气流中的水分凝结成液态水。

至于冷凝水之后的走向，目前普惠公司没有给出精确描述，相关信息较为模糊。一种相对合理的解读是，部分冷凝水以液态形式被输送到压气机区域进行冷却增推，通过高压喷雾的形式进入不同级数的压气机叶片间，降低压缩空气的温度并增大其密度，提升发动机的整体热效率和推力。同时另一部分冷凝水，则流经热交换器成为蒸汽，随后进入燃烧室，主要负责抑制燃烧温度，避免氮气与氧气结合燃烧形成氮氧化物。

由于热循环模式的差异，HySIITE的核心部件设计与现有航空发动机差异很大。该发动机并没有多级转子结构，风扇和单级压气机-涡轮转子之间采用类似GFT发动机的齿轮减速箱连接。

针对不同燃烧特性，确保成本低、可维护性高

目前的涡轮航发“油改氢”路线存在一个难解的技术问题：氢气与压缩空气掺混燃烧的特性和航空煤油等液态烷烃燃料区别很大，通常状态更猛烈，速度更快，温度更高。这带来了一系列的问题，比如高温下氮气失去惰性参与燃烧，会产生大量氮氧化物。

解决这一问题的传统思路通常为将较大的燃油喷嘴更换为数千个尺寸非常小的氢气喷口，避免局部过热。但这必然会让发动机的结构更加复杂，成本更高，可维护性差，尤其是氢对绝大多数材料都会产生“氢脆”等影响。

而HySIITE由于引入了水/蒸汽降温，有效抑制了氮氧化物的生成，因此可以采用接近传统涡轮燃机的燃料喷嘴数量。

在普惠公司技术研究中心进行的HySIITE单喷嘴燃烧室测试

普惠展示的HyADES油改氢发动机燃烧室概念图，可以看到并没有采用大量小型喷口。但普惠公司也并未披露这方面的技术细节。

普惠公司公开了单喷嘴燃烧室的技术验证试验照片。如果类似的思路和具体设计确实在试验中被证明有效，那么HySIITE一类的氢发动机有可能做到与现有燃油涡轮航发相近的制造成本控制和可维护性水平。

综合来看，目前西方航发企业正在探寻氢燃料航空发动机的多个不同路径，并且进行实质性的试验。类似普惠HySIITE的研究项目，是针对远期未来技术路线的独立探索。

第二个方向，是在新一代发动机设计之初就强调对氢燃料的兼容性，比如CFM集团的RISE发动机。

而第三个，也是更为切近现实的方向，则是基于现有航空发动机发展“油改氢”型号，例如，普惠的另一个项目HyADES，即基于现有的PW127XT涡桨发动机“油改氢”而来。

尽管氢能源航发被看作重要的航空能源发展方向，但从现实的角度来看，氢能源飞机实用化所面临的首要困难在于配套燃料体系的建设必须广泛而系统地，在不同国家、地区实现配套。由于液态氢作为燃料不稳定性较高，其运储加注体系建设将面临着成本、技术、管理、维护等多方面的挑战。因此，人类通往未来清洁能源图景，还有很长的路要走。但历史也曾证明，在科学探索之路上，每一项发明和发现都有其自身的意义，至于人类如何看待其价值，则是人类的问题了。