目前，全球航空碳排放约占全球二氧化碳排放总量的2%–3%[1]，由于航空运输需求的持续增长，这一比例还在上升[2]。国际航空运输协会（IATA）在其“Fly Net Zero路线图”中明确设定了到2050年实现净零碳排放的目标[3]。中国联合发布的《绿色航空制造业发展纲要（2023-2035）》指出，发展绿色航空制造业对于应对气候变化和确保航空业的可持续发展至关重要[4]。该纲要还强调了氢动力航空关键技术的积极研发，并为航空业的脱碳提供了政策支持。在各种低碳技术路径中，氢能源具有独特优势：氢燃烧主要产生水，使用过程中几乎零碳排放[5]。氢的能量密度约为120 MJ/kg，几乎是汽油的三倍，这意味着相同质量下可以储存更多能量[6]。然而，氢储存系统的重量和体积限制可能会显著抵消这一优势，因此在飞机整体设计中必须谨慎处理这一关键权衡，以最大化可用能量密度[7]。
关于氢动力飞机的研究历史悠久。早在1991年，就有专著系统回顾了其发展历程、应用潜力、基础设施要求、关键技术及飞行验证程序[8]。使用氢作为燃料可增加发动机的净推力输出并降低燃油消耗率[9]：与煤油相比，氢燃料的燃油消耗率可降低60%以上，氢燃料发动机的涡轮入口温度可降低约40 K[10]。利用氢能源还可以减少机翼面积和翼展设计，从而可能将远程运输飞机的能耗降低约11%[11]。
20世纪50年代，美国的普拉特·惠特尼公司进一步探索了液氢在航空领域的可行性，对J-57、J-47、J-65B-3和J71-A-11等发动机进行了氢燃料喷射改造并进行了地面测试[12]。1988年，苏联通过改装图波列夫Tu-154飞机的一个发动机使用氢燃料，展示了氢推进技术的可能性[13]。2000年，由空客领导的欧盟资助的“Cryoplane”项目（涉及34家工业和研究合作伙伴）对使用液氢的飞机概念进行了全面分析[14,15]。随后，在2005年，美国的AeroVironment公司制造并测试了世界上第一架液氢动力无人机（UAV）[16]。这一时期政策支持也日益增强：日本发布了《氢能基本战略》（2017年）和《氢能利用计划》（2019年），以促进氢动力飞机的发展[17]。同时，美国能源部的《氢能计划》（2020年）将氢燃料电池、氢涡轮机以及整个氢能产业链（“生产、储存、运输和利用”）确定为关键研发方向[18]。
ZeroAviais公司正在开创氢电动解决方案，其近期目标是开发载客10-20人的飞机，航程约为800公里，计划到2025年使用600千瓦的氢电动动力系统投入商业运营[19]。空客正在评估多种配置，包括涡轮螺旋桨氢混合动力、涡轮风扇氢混合动力和混合翼身概念，目标是在2035年前推出零排放商用飞机[20,21]。研究表明，将氢应用于航空燃气涡轮发动机需要重新设计燃烧室、燃油控制系统和液氢蒸发单元等关键部件[22]。氢燃料电池不仅作为轻型飞机的动力源具有巨大潜力，还可用于辅助动力装置和地面支持设备[23]。
在氢动力航空推进技术的发展中，除了氢燃料涡轮发动机和氢燃料电池等主流方案外，氢内燃机（H?ICE）作为一种关键技术脱颖而出，尤其在通用航空领域展现出独特的应用潜力[24]。通用航空飞机通常执行短距离、低速的点对点任务，对动力系统的功率密度、瞬态响应和经济可行性有特定要求[25]。其优势在于可以利用现有的内燃机工业基础，从而降低改造成本[26]。与氢燃料电池相比，H?ICE具有更高的功率密度和更优的瞬态响应特性，更适合在起飞和爬升等功率变化较大的飞行场景中使用[27]。此外，H?ICE对氢纯度的要求较低，可以利用更具成本效益的工业副产品氢气，从而有效降低运营成本[28]。与可持续航空燃料（SAF）不同，H?ICE在飞行过程中可实现零碳排放，而SAF的生命周期减排效果有限，且受到原料供应和成本的限制[29]。
H?ICE在道路车辆和固定式发电机中的应用也越来越广泛[30]。为满足航空领域对功率密度和耐用性的高要求，直接喷射（DI）系统逐渐取代了端口燃油喷射（PFI）系统[31]。这是因为DI系统能够实现更高的充量密度并显著降低回火风险[32]。最近的高功率密度H?ICE发展，例如法拉利展示的采用化学计量燃烧和水喷射策略的140千瓦/L发动机[33]，为先进的氢推进系统提供了性能参考[34]。然而，H?ICE在航空领域的应用面临重大技术挑战，主要包括异常燃烧（如回火、提前点火和爆震）和高氮氧化物（NO?）排放[35]。但由于氢的高扩散性和极低的点火能量，特别是在高负荷和高增压条件下，氢更容易发生异常燃烧现象[36]。因此，实施先进的混合气形成、点火定时和空气管理控制策略对于充分发挥直接喷射氢发动机的性能至关重要[37,38]。对于在高海拔地区运行的稀燃H?ICE，空气密度降低会导致涡轮增压器压缩效率下降，从而限制可实现的空气质量流量。如果为保持功率输出而维持燃油流量，燃烧温度可能会高于海平面状态。在这种情况下，尽管混合气整体仍为稀燃状态，但过量氧气会导致高温，从而促进热氮氧化物的生成，这与传统稀燃柴油发动机面临的问题类似[39,40]。
为解决这些问题，稀燃是一种有效策略。它通过降低燃烧温度、抑制NO?生成并避免化学计量条件来减少异常燃烧风险。然而，稀燃需要更大的空气质量流量，因此需要先进的增压系统（如涡轮增压器）[41]。另一个关键挑战是氢燃烧废气的低焓值：与碳氢化合物燃料不同，氢燃烧不产生二氧化碳（CO?），而二氧化碳具有较高的比热容。此外，采用的稀燃策略（过量空气比λ > 1.5）导致排气温度显著降低，这使得每单位质量的排气能量减少，从而需要优化涡轮增压器设计以最大化从低焓流中提取的能量[42]。因此，增压系统需要重新匹配和重新设计，包括优化涡轮几何形状和增强热管理，以在稀燃条件下保持足够的增压压力和瞬态响应[43]。总之，虽然稀燃能有效解决异常燃烧和NO?排放问题，但同时也增加了对高效空气供应的需求，并凸显了氢排气特性与传统涡轮增压器设计之间的不匹配。这强调了需要针对氢的独特热力学特性进行发动机-涡轮增压器的集成优化。
尽管以往的研究已经探讨了H?ICE技术的个别方面，但系统性地解决航空特定条件下的燃烧稳定性、排放控制和涡轮增压器匹配问题仍缺乏。本研究通过开发一款专为通用航空应用的140千瓦H?ICE来应对这些挑战。主要改进包括将原有的燃油输送系统替换为高压直接喷射（DI）系统，从而改善混合气形成并显著抑制异常燃烧现象。为了适应氢燃烧的特性（尤其是其较低的排气焓值），涡轮增压器也进行了精心匹配。同时实施了稀燃控制策略以有效降低氮氧化物排放。此外，还整合了针对航空特性的必要改进措施，包括干式油底壳润滑系统，以确保在各种飞行姿态下的可靠运行。本研究的主要创新在于其全面系统的工程设计方法，有效克服了在航空领域使用H?ICE所面临的关键挑战。通过严格的150小时台架耐久性测试，成功验证了该发动机的稳健性和可靠性。本研究为H?ICE在通用航空领域的应用提供了可行的技术路径和实质性的实际证据，推动了绿色航空的发展，有助于低空经济的建设。
