01
研究简介
02
研究方法
03
报告结论
04
项目进展
资料收集：黄天霖 孙一诺 毛远建 沈宇峰
校对：张奕野 贾忠杰 王君瑶
审核：陈俣秀 杨晓军
免责声明
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【研究报告】英国民航局(CAA)发布《氢能挑战沙箱项目总结报告》(CAA Hydrogen Challenge: Hydrogen Sandbox Summary )氢能被预期在全球及英国航空业可持续发展中发挥关键作用。然而，由于氢能航空解决方案尚处于早期发展阶段，行业对氢能相关航空安全风险的全面理解仍显不足。为应对这一挑战，英国民航局（CAA）启动了"氢能挑战"（Hydrogen Challenge）项目，旨在促进CAA、航空业界与学术界之间的协作，增强对氢能航空安全风险的认知，识别CAA现行政策中的差距，并为制定新的净零政策提出建议。作为氢能挑战的重要工作流之一，氢能监管沙箱（Hydrogen Sandbox）通过受控环境让各参与组织与CAA协作测试氢能相关产品和服务，确保航空氢能法规能够适应新型燃料的需求。第二轮氢能沙箱共收到15家机构的初步申请，经过评分筛选，最初入选13个项目，最终11个项目成功与CAA氢能团队密切合作，提升了行业和监管机构对氢能燃料的准备水平。另有2个项目因资金和后勤限制未能在本轮沙箱中完成。 本报告汇总了这11个沙箱项目的核心工作成果，涵盖飞机与推进系统、能源、机场、运营与安全管理、空域与飞行程序五大领域。参与组织包括克兰菲尔德航空航天解决方案（CAeS）、埃克塞特机场、希思罗机场、Qdot Technology、Intelligent Energy、World Mobile Stratospheric（WMS）、Swift Aircraft、Ultima Forma、ZeroAvia、罗尔斯·罗伊斯（与easyJet合作）以及HyFive项目联盟。除本摘要报告外，CAA氢能挑战团队还为每个项目编制了详细的技术报告。 本轮氢能沙箱采用受控环境下的协作测试方法，由CAA氢能团队与各参与组织共同推进。每个项目根据自身技术特点和发展阶段，围绕不同的技术路线和应用场景开展工作，主要涵盖以下几类研究路径：在燃料电池推进系统方面，多个项目聚焦氢燃料电池在航空领域的应用。CAeS针对其Stingray氢电无人机系统，开展了燃料电池推进系统（FCPS）设计与验证，包括三个独立子系统模块和控制系统的研发，并通过最坏失效场景分析、FMEA（失效模式与影响分析）以及STPA（系统理论过程分析）等方法进行安全评估。Intelligent Energy则基于其高温PEM燃料电池技术，开展了技术熟悉化、认证路径差距分析和危害安全分析三个工作包，探索了通过TSO授权、MC9设备鉴定等多种认证途径。ZeroAvia的工作分为高温燃料电池和实验室地面测试两个方向，前者研究高温燃料电池与低温燃料电池的差异及认证指导材料，后者通过液氢管理系统实验台测试和低功率螺旋桨地面测试，为未来认证合规提供依据。 在氢燃料系统与存储方面，项目覆盖了气态氢、液态氢和低温压缩氢等多种存储形式。World Mobile Stratospheric针对其液氢动力高空平台（Stratomast），开展了液氢燃料系统认证要求差距识别、功能危害分析（FHA）和STPA分析，并提出了多项认证审查项目（CRI）。Ultima Forma研发了多功能电铸燃料系统真空结构（MEFSVS），采用CFRP+电铸金属的混合材料替代传统金属外壳，通过试样测试获取力学性能数据，并对照CS-25差距分析评估认证路径。HyFive项目则由马歇尔、GKN航宇等组成联盟，设计模块化可扩展的氢燃料系统架构，通过RAG（红-黄-绿）状态评估方法对CS-25要求进行全面差距分析，识别出91项黄色风险和90项红色风险。 在机场地面运营方面，两个机场项目探索了氢能在地面支持设备中的应用。埃克塞特机场的零碳转向（ZCT）项目聚焦混合双燃料氢地面动力装置（HyGPU）的冬季运行，通过5个运行日、33次使用的现场试验，评估了低温环境对HyGPU技术性能的影响，并完成了CAP 791安全评估申请。希思罗机场601氢能示范项目则围绕气态氢动力地面支持设备的加注可行性，通过HAZID研讨会识别高层级安全与环境风险，开发安全案例报告，并完成了COMAH和DSEAR合规评估。 在氢燃烧与混合动力方面，罗尔斯·罗伊斯与easyJet合作开展了氢燃烧发动机演示项目。罗尔斯·罗伊斯在美国NASA斯坦尼斯基地对Pearl 15改型的气态氢发动机进行了户外测试，验证了从吹扫、点火、运行到关机的全部控制状态，完成了最大设计燃油流量、急加速/急减速、完整飞行循环等测试。easyJet则从航空公司运营角度，评估了氢动力飞机融入航线网络的运行影响，包括地面保障、滑行、起降、巡航等各阶段的操作变化。 此外，Qdot Technology分享了CHyPA氢-电池混合动力推进系统和低温压缩氢（CcH2）无人机存储可行性两项研究成果；Swift Aircraft则针对其氢混合动力通用航空飞机，系统识别了CS-23和CS-25在飞行、结构、设计建造、动力装置安装、系统设备等各子部分的认证审查项目（CRI）。 通过11个沙箱项目的协作研究，CAA氢能挑战在氢能航空安全认知、认证标准差距识别和政策制定方向上取得了重要进展。在技术验证与性能认知方面，各项目积累了宝贵的实测数据和工程经验。CAeS的地面测试表明，燃料电池过冷会导致性能下降，而冷却不足则可能造成永久性损坏（但可修复），混合动力系统更易满足适航加速要求。埃克塞特机场的冬季试验发现，低温环境本身对HyGPU运行无显著直接影响，但设备停机时间对性能的影响大于环境温度，寒冷条件下长期停机可能放大这一效应。罗尔斯·罗伊斯的氢发动机测试成功验证了全控制状态运行，未观察到点燃的氢泄漏或大量氢气泄漏，同时积累了户外声学特性和维护安全操作经验。ZeroAvia的实验室测试发现了加热器失控、电磁干扰、液氧形成等多项失效模式，为控制系统设计和防火保护提供了实测依据。 在安全风险与危害识别方面，沙箱项目系统梳理了氢能航空的关键安全挑战。Intelligent Energy识别出氢泄漏检测、通风、灭火和氢气处理等燃料电池推进系统的核心安全问题，并以蝴蝶结（bow-tie）格式建立了危害与风险表。希思罗机场项目通过HAZID确认了氢气卡车停放安全距离、加注操作区域隔离、防止车辆移动等关键安全要求。WMS的功能危害分析识别了液氢燃料系统在高空平台应用中的失效条件分类。HyFive项目将差距归纳为火灾与可燃性/爆炸、电气系统与雷电防护、坠撞安全性与水上迫降、结构与材料、测试与分析、燃料系统管理、蒸发排放等七大主题领域。 在认证标准差距方面，多个项目的研究共同指向现行适航标准在氢能应用中的显著不足。Swift Aircraft的分析显示，CS-23在飞行性能、结构、设计建造、动力装置安装和系统设备等子部分均存在差距，包括气态氢储罐重量对稳定性的影响、氢脆对结构耐久性的威胁、高压氢系统的客舱安全、燃料电池"中毒"风险等。Ultima Forma指出，CS-25中关于燃油箱的条款基于常温碳基燃料假设，完全不适用于液氢的低温储存和蒸发管理，真空绝热失效的检测与管理是全新的认证考量。HyFive的RAG分析在CS-25中识别出大量需要新增特殊条件（SC）或修订符合性方法（AMC）的要求，且与CAA自身CAP 3124差距分析存在一定程度的认知差异，反映了行业与监管视角的互补性。 在认证路径与政策建议方面，沙箱项目为CAA制定氢能航空监管框架提供了多维度输入。Intelligent Energy提出了制定氢燃料电池特殊条件、最低性能标准或TSO授权等多种认证路径选项。WMS识别了适用于高空平台的多项认证规范（CS-HAPS、CS-23、CS-ACNS等）及潜在差距，并提出了氢燃料系统、地面支持设备、应急电源等多个CRI。ZeroAvia的研究表明，高温燃料电池目前缺乏专门指导材料，现有PEM燃料电池滥用测试结论对高温堆仍然有效，但需补充环境温度和氢气浓度监测要求。罗尔斯·罗伊斯的项目则通过整合CS-E认证规范、工业标准、国家安全健康标准和NASA实践经验，探索了氢燃气轮机的安全基础构建方法。 从项目实施层面看，本轮沙箱也暴露了氢能航空发展面临的共性挑战。多个项目因资金约束调整了范围（如埃克塞特机场、Qdot、Swift Aircraft），反映出氢能航空研发的高成本与资金可持续性问题。希思罗机场项目因外部利益相关方（航空公司、地面处理机构）参与延迟而暂停，凸显了氢能机场运营需要多方协同推进的复杂性。WMS因组织重组导致测试计划推迟，说明企业经营稳定性对技术发展节奏的影响。这些挑战为CAA未来设计更具弹性的沙箱机制和支持政策提供了现实参考。 总体而言，CAA第二轮氢能沙箱通过11个多样化项目的实证研究，显著提升了行业和监管机构对氢能航空安全风险的理解深度。项目覆盖了从燃料电池到氢燃烧、从气态氢到液态氢、从飞机系统到机场运营的全链条场景，识别出现行适航标准在氢能应用中的系统性差距，并为未来特殊条件制定、AMC开发和净零政策设计积累了坚实的技术基础和实践经验。 项目开展期间，三家机构完成了实景氢能应用示范与试验：埃克塞特机场（Exeter Airport）：投入氢能地勤车辆，实现飞机零碳周转作业； 克兰菲尔德航空航天解决方案公司（Cranfield Aerospace Solutions）：采用氢燃料电池，为“黄貂鱼”长航时、远航程、高空无人机提供动力； 罗尔斯・罗伊斯联合易捷航空（Rolls Royce）：完成珍珠15型航空发动机改造，可纯氢燃料运转，满足起飞推力要求，并顺利完成全飞行周期模拟测试。
