氢燃料发动机是以氢作为能源并输出轴功率或者推力的燃气涡轮发动机。凭借液氢燃料的零碳排放、深冷和易制备等特点，氢燃料发动机在军民用航空装备领域都具有广泛的应用前景。与氢燃料电池相比，氢燃料发动机功率密度更高，可实现远程跨洲际飞行；与传统航空发动机相比，除了碳排放方面具有明显优势，氢燃料燃气涡轮发动机还具有起动性能好、燃料消耗低、单位推力/功率大等优势。因此，对传统航空发动机开展氢燃料适应性改造，是进一步提升性能的有效方式。当然，氢燃料发动机的发展仍面临着许多技术上的挑战，需要在氢工质循环、氢燃烧、氢控制、氢损伤和适航等诸多领域开展关键技术攻关。随着新能源技术的快速发展，氢燃料发动机与氢燃料电池组合的混合动力将是未来氢能航空的主要发展方向。
氢燃料发动机热力循环
氢燃料发动机的结构与现役航空发动机基本相同，氢燃料在燃烧室内燃烧，然后推动涡轮膨胀做功，并带动螺旋桨或者风扇旋转产生推力，如图1所示。氢燃料发动机与传统航空发动机不同之处在于，氢燃料以低温液体状态存储于飞机的液氢罐中，液氢经过换热器转变为氢气再进
入燃烧室。
新能源燃料图1 氢燃料发动机原理
液氢燃料具有热值高、热沉大等特点，既可以作为发动机燃料，也可以作为发动机换热工质。按照利用方式的不同，氢燃料发动机的热力循环可以分为常规热力循环和非常规热力循环。
常规热力循环是指仅利用液氢作为发动机燃料的发动机热力循环。采用常规热力循环的氢燃料发动机与传统发动机构型基本相似，仅燃烧室、控制系统和换热器等相关部件系统有所区别。
非常规热力循环是指液氢同时作为燃料和换热工质的发动机热力循环，主要包括预冷循环、氢冷涡轮循环和回热循环。其中，预冷循环是指利用低温液氢冷却发动机进口气流，从而减少压气机的压缩功，提升循环效率；氢冷涡轮循环是指利用低温液氢与涡轮冷却空气进行换热，从而提高涡轮进口温度，提升循环效率；回热循环是指利用氢燃料与发动机高温排气进行换热，提高氢燃料的焓值，从而降低燃料消耗。
氢燃料的燃烧产物只有水和少量的氮氧化物，没有碳氧化物生成。由于水的比热容要高于碳氧化物，氢燃料发动机的燃气综合比热容要比常规发动机燃气的综合比热容高出4%左右，使得氢燃料发动机涡轮前后温差及压降更小。因此，在同等发动机热力循环参数条件下，氢燃料发动机涡轮出口的燃气速度、温度和压力都要高于传统发动机，这使得氢燃料发动机具有更大的推力或功率。然而，在同等热力循环参数条件下，由于氢燃烧产生的燃气质量要小于航空煤油燃烧产生的燃气质量，使得氢燃料发动机具有比传统发动机更高的转速才能补偿燃气流量减少所产生的功率损失。因此，同等热力循环参数下，氢燃料发动机的转速要比传统发动机更高，转速限制是氢燃料发动机进一步提升性能的主要瓶颈。
与常规热力循环不同，要实现氢燃料发动机非常规热力循环，不仅要对燃烧室、控制系统进
行调整，还要改进风扇增压级、压气机、涡轮、喷管、空气系统等部件。因此非常规热力循环的氢燃料发动机整体架构与传统发动机区别较大，实现难度也更大。欧盟早在2002年开展的低温民用飞机项目CRYOPLANE 中，就详细对比分析了不同氢燃料热力循环模式下涡扇发动机的性能，如图2所示。可以看到，氢冷涡轮发动机的性能最优，较传统发动机的推力可提升32%，推力质量比可提升9.2%。尽管基于氢冷换热的非常规热力循环可以显著提高发动机推力和推力质量比，但是氢冷换热循环对发动机的安全性的影响较大，比如，预冷循环就可能出现发动机进气装置结冰、压气机吞入氢燃料等极端情况。
图2 不同氢燃料热力循环模式下的涡扇发动机性能对比
综上所述，常规热力循环的氢燃料发动机具有比传统发动机更好的热力循环效率，但是受发
动机转速限制，常规热力循环的氢燃料发动机要获得比航空煤油发动机更大的推力或者功率，还需要对发动机转子和结构进行改进；凭借液氢的深冷特性，氢燃料发动机通过氢冷换热循环可以显著提升发动机性能，但由于发动机转速限制和氢冷换热器一体化设计的安全性风险，氢冷换热循环的工程可行性还需要进一步探索。
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