再接再厉！日本政府押宝氢能源航空

前言

2024年3月27日，日本经济产业省公布了下一代氢动力飞机研究计划，将投资5万亿日元（当时汇率约合330亿美元），采用公私合作的方式共同开发下一代氢动力飞机，目标是在2035年实现商业化。该计划是MRJ支线飞机项目失败后日本政府再次涉足民航飞机领域。MRJ项目正式启动于2008年，终止于2023年，由三菱重工独自领导。日本经济产业省在计划公布的同日召开了MRJ项目的总结分析会。经济产业省副大臣岩田和亲表示，日本政府将充分吸取MRJ项目的经验教训，避免风险集中在单一企业上，氢动力飞机项目将通过公共部门和私营部门之间的合作来分担风险，这种合作也会拓展到日本之外的其他国家。

2015年11月11日，日本第一款国产喷气式支线客机MRJ从名古屋机场起飞。（图源：新华社）

NEDO绿色创新基金支持日本新能源航空技术发展

作为经济产业省的下属机构，日本新能源和工业技术开发组织（NEDO）于2020年启动了为期10年、总投资2万亿日元的绿色创新基金。在经济产业省于2024年3月公布下一代氢动力飞机计划后，NEDO宣布将在2024到2030财年通过绿色创新基金对日本氢动力飞机研发提供306亿日元的经费支持，包括使用液氢燃料的燃料电池推进技术和飞机电气化关键技术，目标是在2050年实现日本航空产业的碳中和。在吸取了MRJ项目的教训之后，日本下一代氢动力飞机计划将采用广泛合作的研发模式。NEDO绿色创新基金向川崎重工、石川岛播磨重工、多摩川精机等企业授予了多个研发项目，聚焦下一代商用飞机的氢电推进系统、氢燃料电池核心技术、动力控制和热管理技术研发。

NEDO绿色创新基金“下一代氢能飞机”研发项目

NEDO的绿色创新基金选择川崎重工株式会社（KHI）作为日本下一代氢能飞机项目的主承包商，重点研究领域包括氢燃烧室、氢燃料供给系统、机身概念设计和液氢存储罐等。另外，日本三菱重工株式会社和新明和工业株式会社作为分承包商负责下一代氢能飞机的复合材料研制。川崎重工旗下的赤石工厂承担了推进系统的研制工作，各务原工厂承担储氢罐和机身的研制工作。赤石工厂选择KJ100涡轮喷气式发动机作为改装对象，目前正处于演示发动机的组装阶段。KJ100是川崎重工自行研制的涡轮喷气式发动机，重68千克，长95厘米，直径35厘米，可以产生40千克推力，功率为15千瓦。各务原工厂在2023年制造了一个缩比验证储氢罐，并进行了液氢泵工作测试。川崎重工的发言人表示，储氢系统仍存在技术上的困难，特别是在预防氢燃料泄露和隔热方面。川崎重工计划在2029年到2030年进行氢能飞机的完整系统测试。

日本下一代氢能飞机研究计划

石川岛播磨重工株式会社（IHI）在NEDO的绿色创新基金中参与了多个项目的研究工作。石川岛播磨领导的第一个项目将开发4兆瓦的液氢燃料电池电推进系统，目标是在2029年达到技术成熟度6级。该系统是目前全球已知正在开发的最大功率燃料电池推进系统，是空客正在开发的1.2兆瓦燃料电池系统的3倍以上。该系统旨在为40座级的飞机提供动力，巡航高度6000米，航程500海里（约926千米），巡航时间超过3小时。日本东丽化学将负责其中高性能氢燃料电池的研发工作。

兆瓦级氢燃料电池动力系统概念图

石川岛播磨还在NEDO的支持下开展了发动机嵌入式兆瓦级电动机的研究，该项目将持续到7年后的2031年3月。石川岛播磨研制的兆瓦级电动机安装在喷气发动机低压涡轮后方的流量调节尾椎内，包括发电机和电动机，可以为飞机提供动力。基于石川岛播磨已经开发的300℃耐热绝缘涂层高密度模制线圈技术和发动机废热利用技术，发电机可以利用发动机废热产生电力并为兆瓦级电动机供电，该系统可以随时根据需要提供不同的输出扩展性。

嵌入式兆瓦级电动机原理图和样机

石川岛播磨和日本秋田大学已经完成了兆瓦级嵌入式电动机的地面测试实验，混合动力系统的测试表现符合预期。石川岛播磨将继续开发混合动力电推进系统，包括大功率电动机、电动涡轮压缩机、高通量塑料磁体转子、电动氢涡轮鼓风机等技术，预计在2025年前后实现技术成熟。石川岛播磨认为，航空发动机嵌入式电动机技术的应用可以显著提高飞机的燃料利用效率，降低二氧化碳排放。

日本长期依赖其他国家的能源进口，因此对能源供给结构和安全极其重视。NEDO在绿色创新基金中拨款1150亿日元开展CO2和H2生产可再生燃料的技术开发，包括合成燃料（Synthetic fuels）、可持续航空燃料（SAF）、合成甲烷（Synthetic methane）、液化石油气（LPG）四种类型。NEDO计划采用ATJ技术，以乙醇为原料生产可持续航空燃料，预期的液体燃料生产率在50%以上，生产成本低于200日元/升，年产量超过1亿升，目标在2030年实现日本可持续航空燃料的规模化应用。

NEDO关于可再生燃料的四种研究方向

2024年4月23日，波音公司宣布在日本名古屋开设技术研究中心，将专注于商用航空的脱碳技术研究，推动2050年净零碳目标的实现。名古屋技术研究中心是波音的第十二个全球研究中心，其重点研究领域如下：

• 基于模型的工程和制造技术集成研究：将最新的数字仿真工具集成到飞机设计和生产的各个方面。

• 复合材料研究：提高轻质复合材料的生产效率，减少对环境的影响，并寻找回收复合材料的新方法。

• 可持续航空燃料研究：配合波音的全球可持续航空燃料发展战略，支持日本建立国内可持续航空燃料产业体系。

• 氢能技术集成研究：探索将氢燃料电池系统集成到飞机上的技术可行性。

波音日本公司的供应链和供应商质量团队已经进驻名古屋技术研究中心，将配合航空脱碳团队开展相关研究。同时，名古屋技术研究中心还设立了一个机器人实验室，将致力于提高飞机生产过程中的自动化水平、安全性和生产效率。

波音设立名古屋技术研究中心体现了日本政府在民航飞机领域加强国际合作的决心，近两年日本已经与外国航空企业在氢能技术方面开展了多种合作。2023年，美国环球氢能（Universal Hydrogen）公司与日本航空工程公司（JAL Engineering）签订了一份合作备忘录，计划用环球氢能的氢燃料电池技术改装JAL的现役飞机。

在MRJ支线飞机项目失败之后，外界曾一度认为日本政府已经放弃参与民航飞机产业，但在仅仅一年之后，日本政府就以转向氢能源的方式卷土重来。有分析人士指出，MRJ项目的失败表明日本在传统航空领域追赶难度巨大，因此才会采用“换道超车”的方式，全力投入到各国尚处于同一起跑线的新能源航空领域。

我国在民机产业某些方面的实力要强于日本，但与欧美航空强国之间仍存在差距，新能源航空产业对我国来说同样是重要的“换道超车”机遇。现如今，美、英、法等传统航空强国布局新能源航空已久，空客、ZeroAvia等头部企业发展迅速，日、韩、巴西等后发国家也相继入场。我国在新能源航空领域虽然已取得一定成果，但在未来仍需要不断加大投入，并探索出一条符合我国国情的发展道路。

作者 | 中国航空工业发展研究中心 纪宇晗