随着航空氢动力系统研发不断取得新进展，氢燃料的适航性问题已成为氢动力飞行面临的核心挑战。作为美国首个航空用氢认证工作策划，氢动力飞行安全与认证路线图描述了安全有效地使用氢燃料的关键要素，为未来航空氢动力统一适航标准的建立做铺垫。

为推动2050年航空净零排放愿景的实现，航空业界正在大力探索使用氢燃料作为替代能源的可行性。由于现阶段的适航标准不涉及氢燃料电池和氢涡轮动力系统，考虑到氢燃料在飞行活动中应用的多种潜在风险，必须制定适当的法规和指南，以确保当前研发项目的安全性，并为后续获得适航许可提供可预测的途径。2024年12月，美国联邦航空局（FAA）发布了氢动力飞行安全与认证路线图^[1]，首次系统性地论述了美国政府在航空氢动力安全与认证方面的布局与安排，给出了氢燃料的安全隐患和未来监管的主要方向，以此为起点开始识别和解决将氢燃料真正纳入航空产业所带来的一系列问题。

路线图中提及的代表性氢动力系统研发工作

氢动力飞行的安全风险

除了系统研发中的种种技术难题外，航空氢动力飞行市场应用面临的挑战主要有以下5个方面：一是现有安全标准不再适用，无论是地面还是空中改用氢燃料存在巨大的监管障碍；二是如今的氢燃料绝大多数是由裂解天然气产生的“灰氢”，绿色电力电解水得到的“绿氢”产能有限且极为昂贵；三是氢燃料的体积能量密度比常规航空燃料低得多，此时过大过重的燃料箱会极大地削弱氢动力飞行的任务执行能力；四是氢燃料的地面运输和机场加注需要对现有基础设施进行大规模改造，对应较长的时间周期和巨大的资金投入；五是氢动力飞行的非二氧化碳排放研究处于起步阶段，其尾迹影响有待进一步评估。

这其中最核心的挑战就是从安全监管的角度如何确定氢燃料在飞行过程中以及作为能源供应链组成部分的适航性。如果不能证明飞行器系统（含发动机、燃料电池和热管理系统等）能够安全可靠地使用氢燃料运行、单纯为了降低碳排放而在适航性研究不充分的情况下拔苗助长式引入氢动力系统，哪怕只出现一次重大安全事故，就可能会对尚处于孕育中的氢能航空的市场接受程度造成长期的、灾难性的破坏，其他的市场应用探索将无从谈起。FAA在路线图中归纳了氢动力飞行的9种安全风险，特别是与其他大多数燃料相比，氢燃料具有更宽的可燃性极限、更低的点火能量和抗爆震能力、更高的火焰温度和更快的火焰传播速度，因此在众多安全风险中以燃料失控泄漏引起的失火和爆炸最为严重。

氢动力飞行的主要安全风险项

除了这些共性安全风险外，不同技术路径下的氢动力系统还存在与其设计和可操作性相关的特定安全风险。对氢燃料电池来说，一旦电池内部结构破损可能导致氢氧反应物接触发生失火或爆炸；为氢燃料加压的压缩系统可能在飞行中具有不稳定性，随之产生压力/流速紊乱和质子交换膜（PEM）电池电解质膜完整性风险；水沸点随着飞行高度的增加而降低，这可能会对交换膜加湿系统的效率产生不利影响；固态氧化物燃料电池（SOFC）所需的500～1000℃高温工作环境可能会点燃泄漏的氢气；电推进系统所需的高压线路对应更高的电气风险。对于氢涡轮来说，若氢燃料组织燃烧不合理，极易发生燃烧震荡、回火及自燃等重大安全事故；氢燃料可能通过发动机放气系统泄漏到机体内部，且在达到着火浓度极限前难以监测；低温换热器容易产生氢气泄漏到空气流道、开放环境下外表面积冰以及吸入空气导致的流动阻塞等一系列问题。

安全与认证的发展路径

类比技术成熟度的定义，FAA在制定氢动力安全与认证发展路线图时引入了认证准备度的概念，用来表征验证氢动力飞行安全性的方法和工具的成熟水平，目前被设置为“发现”“应用”和“规范”3个层次。过去的几十年里，氢燃料电池在地面应用中得到了长足发展，特别是围绕应急电力等非推进用途的商业活动已经成为当下最为成熟的用氢场景。相应地，基于高压氢气的PEM燃料电池是目前航空氢动力技术发展最快的领域，有多家初创公司完成了原型机测试，针对其市场应用专门的法规与标准正在调研中，认证准备度已处于“发现”和“应用”之间。FAA预计基于氢燃料电池的辅助动力装置（APU）将在2028年左右完成演示验证，在此之前认证准备度应达到“规范”水平，这也将是氢动力飞行安全与认证近期的主要工作（2023—2028年）。尽管氢燃料电池用于推进系统的技术方案尚未完全收敛固化，但其市场化进程可能不会落后太久，2030年前有望在通用航空中得到应用，对应安全与认证的中期发展阶段（2028—2032年）。

如前所述，氢燃料应用中最大的安全风险就是失火和爆炸，因此在第一阶段FAA将着力推动对氢燃料着火和爆炸特性的评估以补足相关知识空白。为快速精准地实现氢燃料的泄漏检测、表征和控制，可考虑在燃料中混合具有独特颜色和气味的添加剂，这涉及其与氢氧反应物的相容性研究；需要重新审视和调整氢动力系统的结构要求，选择合适的位置安放传感器，并设计如通风、惰化和自动切断燃料通路等泄漏应对策略；为避免特殊情况下电解质膜破裂引发氢氧反应物直接接触，应对其受损机理展开深入研究，可能涉及制造缺陷导致的老化、压缩系统不稳定，以及飞行高度过高降低加湿能力等。这些工作也将为氢燃料电池在推进系统中的认证准备度达到“应用”水平打下基础。

当氢燃料电池用来提供飞行推力时，认证的难点更多来自燃料从高压氢气向低温液氢的转变。尽管薄壁球形燃料箱表面积更小、隔热效果更佳，但其耐撞性可能无法满足要求；在清空液氢管路时使用氮气吹扫可能会出现冷却凝固现象并堵塞过滤器和调节器等部件，需要开发替代方法（如在氮气中混合氢气）确保操作安全性；不稳定的氢燃料供应会影响燃料电池的发电能力从而影响推力，同时燃料箱对于负压梯度的抵抗性很低，需要通过快速加压等方式尽可能地维持压力恒定；紧急状态下氢燃料的排放和平时的蒸发既是安全问题也是环境问题，应制定专用的屏蔽策略并研究零汽化系统的可行性；氢燃料对飞机和发动机设备、部件和管道结构的长期影响研究（氢脆和其他力学性能的变化）仍有待深化。

在燃气涡轮发动机中应用氢燃料似乎并不太复杂，但FAA认为其技术成熟度仍在较低的水平。氢涡轮动力研发涉及比氢燃料电池大得多的资金和人员投入，在没有航空公司明确订单牵引的情况下，航空制造商贸然启动项目的可能性很低，而对航空公司来说，如果机场不能大规模安全供给液氢燃料，那么就不可能在大型航空运输中采用氢涡轮动力。仅从认证的角度看，考虑到氢燃料与常规航空燃料引发火灾的不同特性，需要在氢燃料电池的基础上对氢涡轮动力更加复杂的燃料供应系统的可操作性和安全性进行分析，如低温换热器和短舱防火、发动机内氢燃料不受控燃烧等。不过FAA在路线图中对以氢涡轮动力为主的远期认证计划（2032—2036年）并未展开论述，这可能也是其发展不确定性的体现。

氢动力飞行认证路线图给出的近期工作要点

分析思考

全球航空业对氢动力飞行关注度正在不断提升，其安全性已成为相关发展议程中的重要内容。事实上，就在FAA发布路线图的同时，欧洲航空安全局（EASA）也于2024年12月举办了首次关于氢动力飞行安全挑战的国际研讨会，重点对液氢燃料储存技术、系统质量分配与优化、防火防爆与飞发接口燃料管理等问题进行了交流，为形成全新的、全球适用的认证方法做准备。现有航空安全标准在氢动力飞行中至少要得到维持、最好能进一步提升，但由于氢动力产品尚在研发之中、之前航空业尚无氢燃料的运营经验，从地面到空中、从高压氢气到低温液氢递次深化的航空用氢标准需要一个较长的周期才能够成熟完善并实现各方的协调一致。从目前的情况来看，氢动力飞行安全认证工作呈现出以下几方面的特点。

第一，与氢燃料相关的适航认证事项千头万绪，氢动力飞行安全与认证路线图更多以“愿景清单”的形式较为宽泛地给出了未来发展的重点方向。其中产品研发是FAA当前关注的重点，特别是针对失火和爆炸带来的安全挑战进行了大篇幅的讨论，这也是要在从无到有的氢动力飞行适航工作中“抓主要矛盾”的体现；运营配套涉及的氢燃料生产、运输和加注则更加依赖行业内外部的协同合作，同时用于地面车辆和电力系统的氢燃料电池的现有安全标准数据将为航空用氢提供初始的参照。

第二，氢动力飞行的认证准备度与技术成熟度密切相关，那些技术上更加成熟的项目必然有更加充分的认证条件和更早的市场准入预期，但目前二者严格意义上的对应关系并未确立。适航机构有必要在产品研发早期就参与进来，不过也不是越早越好，技术成熟度应达到一定的水平才能使适航机构真正发挥作用，从而推动航空制造商能够在详细设计之前就全面考虑到安全性要素。航空运营商何时以何种方式与航空制造商接触沟通也存在争议，关于合适时机的选取将是路线图在后续迭代完善中需要重点关注的问题。

第三，FAA给出了从氢燃料电池到氢涡轮、从非推进系统到推进系统的安全认证路径。从当前项目设置和技术发展态势来看，氢燃料电池将更快在小型飞机上得到应用，而为中大型飞机提供动力的氢涡轮则面临更大的技术困难。尽管氢燃料电池和氢涡轮的产品研发完全可以并行推进，但立足适航的视角想要跨过氢燃料电池直接进入氢涡轮可能是行不通的，氢涡轮认证将高度依赖氢燃料电池的前期准备与经验。这在一定程度上进一步拖后了氢涡轮进入市场的时间预期，合理把握氢涡轮动力整体研发进度更加重要。

一个有意思的事实是，FAA在路线图开篇就有“美国企业正在寻求跟上欧洲和其他区域的重大投资步伐，加快开拓氢动力飞行市场”这样的表述。大规模生产和使用可持续航空燃料（SAF）已成为美国政府的主要国家战略方向，电推进和氢动力的发展优先级被美国航空动力制造商放在了相对较后的位置。早在2024年9月，《航空周刊》就有“美国和欧洲在航空氢动力研究上的差距不断扩大，空客公司呼吁美国航空动力制造商加大投入力度”的报道^[2]，此次氢动力飞行安全与认证路线图在一定程度上体现了美国政府推动各种新能源动力更加平衡协调发展的一种态度。而随着空客公司在2025年2月宣布，将其2035年交付氢能飞机的计划推迟5～10年、经费预算削减25%，前期欧洲激进的氢动力创新研发开始放缓，美国和欧洲关于氢动力飞行市场化应用的时间表正在趋于一致^[3]。

结束语

此次氢动力飞行安全与认证路线图的发布，标志着氢动力飞行在安全与认证方面迈出了重要的一步，特别是从技术成熟和认证准备联动的角度给出了氢动力飞行不同阶段的发展重点。展望未来，氢动力有可能显著地推动可持续飞行愿景的实现并重新定义航空业，但构建完整的产业链和产业生态绝非朝夕之功，从适航认证出发了解氢燃料成为未来航空主要能源的复杂性也将是一个长期的、伴随产品研发始终的工作，这有待监管机构、航空运营商和航空制造商的通力协作，为氢动力飞行制定合适的安全标准、真正促进氢能源在整个行业创新应用。

（王翔宇，中国航空发动机研究院，高级工程师，主要从事航空发动机发展战略研究） 

参考文献

[1] Federal Aviation Administration(FAA). Hydrogen-fueled aircraft safety and certification roadmap[R/OL]. (2024-12)[2025-2-19].

[2] https://www.faa.gov/aircraft/air_cert/step/disciplines/propulsion_systems/hydrogen-fueled_aircraft_roadmap. NORRIS G. Airbus nudges U.S. engine-makers to step up hydrogen studies[EB/OL]. (2024-9-16)[2025-2-19]. https://aviationweek.com/aerospace/emerging-technologies/daily-memo-airbus-nudges-us-engine-makers-step-hydrogen-studies.

[3] NORRIS G, WARWICK G. Airbus delays hydrogen but expands engine test plan[EB/OL]. (2025-2-8)[2025-2-19]. https://aviationweek.com/aerospace/emerging-technologies/airbus-delays-hydrogen-expands-engine-test-plan.