2025年4月14日

 

• 世界上首次對氫動力渦輪噴射發動機的凝結尾跡進行了飛行測量。
• 這些測量結果為了解氫氣燃燒過程中尾跡對氣候的影響提供了見解。
• DLR 儀器首次提供了有關氫動力飛機廢氣中的冰晶形成、微量氣體和氣溶膠的數據。
• 重點：航空、氣候友善飛行、非二氧化碳效應、氫氣

 

當空氣夠冷且潮濕時，凝結尾跡就會在對流層上部形成。它們在航空運輸對氣候的影響中發揮著重要作用。氫動力飛機等未來技術不僅可望減少二氧化碳排放，還能減少飛機尾跡對氣候的影響。然而，迄今為止還沒有飛行試驗測量來描述直接氫燃燒產生的凝結尾跡的形成、特性和影響。在藍色禿鷹計畫中，空中巴士公司、Perlan 團隊和德國航空航天中心 (DLR) 首次在世界上測量了飛行中的氫渦輪噴氣發動機的凝結尾跡。為期三週的飛行測試活動於2024年12月在美國內華達州明登舉行。德國航太中心為一架追蹤飛機配備了用於測量尾跡和排放的儀器，並在巡航高度自主操作。

德國航空航天中心航空執行委員會成員馬庫斯·菲舍爾博士表示：「世界上首次對氫動力飛機的凝結尾跡進行測量，是了解氫動力航空推進的氣候兼容性的一個傑出里程碑。」幾年前，我們在德國宇航中心一個獲得資助的青年研究小組中，為這項實驗開發了初步的概念構想和理論基礎。這體現了我們德國太空中心如何為氣候友善飛行奠定基礎，以增強經濟實力，使社會面向未來。我們很高興與空中巴士和Perlan團隊合作，成功啟動了這項技術上極具挑戰性的飛行實驗。

 

氫動力噴射發動機與煤油動力內燃機的比較

藍色禿鷹任務的核心是一架 Arcus 滑翔機。空中巴士公司和 Perlan 團隊對其進行了改裝，以容納氣態氫罐、潤滑油系統和氫動力渦輪噴射發動機。該引擎由 AeroDesignWorks 與亞琛工業大學合作開發。藍色禿鷹飛機由吉姆·佩恩駕駛，他是 Perlan 團隊的飛行員，並保持著滑翔高度和速度的世界紀錄。第二架 Arcus 飛機由 Perlan 團隊操作，配備了傳統的煤油發動機。兩架滑翔機同時被一架由 AV Experts LLC 營運的高空研究飛機 Grob Egrett 拖曳到九公里以上的高度，預計在此形成凝結尾跡。在那裡，兩架滑翔機都脫離了牽引，帶有測量儀器的牽引飛機落在了滑翔機後面。

藍色禿鷹滑翔機點燃了氫發動機。白鷺號在尾氣羽流中的追擊飛行始於對藍色禿鷹滑翔機的排放和凝結尾蹟的測量。另一架以煤油為動力的滑翔機在引擎點火的情況下保持密集編隊。為了確保排放數據的可比較性，各個追蹤隊形在相同的氣象條件下相繼進行。使用輔助引擎的實際測量階段每次持續約五到十分鐘。

在總共七次試飛中，有四次飛行形成了氫發動機的凝結尾跡。研究的目的是測量在真實大氣條件下氫氣直接燃燒所產生的凝結尾跡的微觀物理特性。尾跡中形成的冰晶的初始數量和大小對氣候的影響起著重要作用。研究團隊還對尾跡形成區域下方的廢氣中的氮氧化物和氣溶膠顆粒形成進行了排放測量。地面引擎試運轉提供了有關不同功率設定下氫引擎排放的更多資訊。目前正在對數據進行詳細分析，以便在科學出版物上發表結果。

 

氫氣直接燃燒所產生的凝結尾跡形成方式不同

與傳統的煤油燃燒產生的凝結尾跡相比，清潔氫內燃機產生的凝結尾跡由於水蒸氣排放量較高，因此在較高溫度和較低海拔的大氣中形成。與傳統引擎不同，傳統引擎在燃燒煤油時會排放煙灰和揮發性顆粒作為尾跡冰晶的核，而氫內燃機的廢氣理想情況下不含顆粒物排放。如果引擎運轉時沒有潤滑油滴等污染，那麼周圍大氣中的氣溶膠顆粒理論上可以作為飛機排氣中冰晶的成核核。模型模擬表明，環境氣溶膠濃度低可能會導致氫發動機尾流中形成的冰晶更少、更大，從而縮短尾跡的壽命及其變暖效應。這些模型的驗證仍有待進行。飛行試驗的綜合評估還有待觀察。

 

DLR 機載測量儀器

Egrett 上整合的儀器由德國航空航天中心大氣物理研究所提供，包括一系列冰晶、氣溶膠和微量氣體測量，例如二氧化碳、氮氧化物和水蒸氣。所有儀器都經過改裝，以適應 Egrett 的座艙。 「為了獲得公正的數據，我們從飛機頂部的長桅杆上測量了微量氣體和氣溶膠，以擺脫白鷺號螺旋槳和排氣的影響，」德國航空航天中心大氣物理研究所計畫負責人蒂娜·尤卡特-維查斯博士解釋道。 AV Experts 對飛機進行的進一步改裝包括延長機身，以便整合 SIOUX 氮氧化物測量裝置。起落架上安裝了光散射光譜儀和特定的微量氣體入口。德國航空航天中心的科學家們自主操作儀器，透過地面上的銥星下行鏈路收集數據，並透過無線電引導白鷺號飛行員到達尾跡的最佳測量位置。

利用藍色禿鷹計畫全面評估的數據，未來還可以使用全球模型研究潛在氫動力機隊的尾跡對氣候的影響。同時，藍色禿鷹計畫也入圍了美國國家航空協會（NAA）著名的科利爾獎（Collier Trophy）決賽。

 

[照片]

(A) 在九公里高空飛行，留下光學上極薄的尾跡

這是藍色禿鷹帆船脫離白鷺號拖曳後，白鷺號後置攝影機拍攝的照片。可以看到裝有氫發動機的 Arcus 滑翔機在前部有一條光學上很薄的尾跡。

(B) 高空研究飛機 Grob G 520“白鷺”

在白鷺號駐紮的德克薩斯州丹森進行了為期一周的整合階段後，飛機、儀器和團隊轉移到內華達州明登。在那裡，DLR 和 AV Expert 團隊會見了 Perlan 和空中巴士團隊，他們為藍色禿鷹做好了飛機測量的準備

(C) 第一次尾跡飛行後的團隊照片

首次尾跡飛行後，德國太空中心、空中巴士、Perlan 和 AV Experts 團隊站在兩架滑翔機和 Egrett 前面。

(D) 氫氣罐作為副駕駛

藍色禿鷹的飛行員在起飛前吸入 100% 的氧氣。副駕駛座被氫氣罐取代。