航空排放目前占气候变化总体影响的3.5%至4%，并且在2000年至2019年间增长了53%。
为与全球气候目标保持一致，航空业必须采用能够在飞行中实现零直接排放的推进技术。
氢电推进系统从设计之初即在全新机型中整体集成，是实现可持续航空最可行的发展路径。
随着航空业的碳强度持续上升，传统的推进系统和飞机架构方案已显得力不从心。
2000年至2019年间，2000年至2019年间航空业的排放量增长了53%，而且若考虑该行业对大气层的全面影响（而不仅仅是二氧化碳（CO₂）），其目前约占3.5–4%的气候变化总体影响。
因此，航空业必须采用能够在飞行中实现零直接排放的推进技术，以与全球气候目标保持一致，同时不得依赖具有重大全生命周期权衡问题的燃烧方式或燃料来源，例如源自棕榈油的生物燃料或使用化石电力生产的合成燃料。
Beyond Aero认为，在全新设计的飞机中从底层开始集成的氢电推进系统，代表了技术上最可行的路径。本文将概述这一架构如何在2050年前从公务航空扩展至支线航空，并最终进入商业航空市场。
为何选择氢能而非电池或生物燃料？
航空煤油的能量密度约为12,000 Wh/kg，远高于当今最好的电池，后者的能量密度约为250 Wh/kg。这一根本性限制目前使纯电动飞机只能执行区域内短途任务，且仅能承载较轻的载荷。
然而，氢能在电力系统中应用时，能效是合成燃料的八倍，且单位重量能量密度高于任何电池或可持续航空燃料（SAF）替代方案。
尽管power-to-liquid SAF等合成燃料可用于现有飞机，但其燃烧仍会产生氮氧化物（NOx）以及易形成尾迹的颗粒物，在高空尤为明显。这些燃料还面临严重的效率和规模化挑战，其效率约为氢电架构的三分之一点五倍低。
另一方面，氢燃料电池通过电化学反应将氢转化为电能，其输出物仅为热量和水。不经燃烧意味着没有烟尘、没有氮氧化物，并且可能不会形成尾迹——鉴于航空业的非二氧化碳影响正受到严格审视，这是一项重要考量。
设计氢电飞机
为充分发挥氢电推进系统的潜力，Beyond Aero采用了全新设计理念，即围绕这一新一代动力源的独特架构和要求，从底层开始研发其飞机。
该公司并未改装现有机型，而是正在研制其首架飞机——BYA-I轻型喷气机，这是一款专为兼顾性能与可制造性而设计的氢电飞机。这架由氢能推进的首架电动飞机设计载客六人，航程可达800海里（1,500公里），是同类纯电动飞机航程的五倍。
与因额外重量和气动阻力而导致性能受损的改装喷气机不同，BYA-I从一开始便集成了燃料电池、储氢罐、电力推进系统和热管理系统。这一整体配置提高了重量分布、冷却效率和空气动力性能，而这些因素对于8.6吨以下飞机的航程、安全性和适航认证至关重要。
现代氢燃料电池已足够高效且轻便，足以为8.6吨以下的飞机提供动力。随着产能扩大，其性能和成本有望进一步改善。
从一开始便在航空业中嵌入数字基础设施
在采用新型推进系统的同时，飞机架构必须在设计上充分利用数字系统。航空数字化通常是叠加在传统平台之上的，而全新设计的电动飞机则能够从一开始就嵌入数字基础设施。这包括：
对动力装置和结构部件进行多传感器健康监测。
线传飞控航电系统，以支持飞行效率和机动性。
基于云的机器学习，用于处理全机队数据并优化未来航班。
机载边缘计算，以实现实时诊断、航线调整和用户界面个性化。
对运营方而言，该架构可转化为切实可行的效益：自动化机组排班、预测性维护以及跨机队的负载均衡。对飞行员而言，基于天气和性能数据的实时航线优化可减少飞行前准备工作和飞行中的不确定性。这些并非生活方式层面的改善，而是有助于降低停场时间、提高可用率并提升资产利用效率的架构性支撑。
当数字化功能被集成到飞机原生的软硬件环境中时，它便成为飞行安全、运营效率和机队适应能力的核心。
以公务航空作为起点
公务航空是航空界的“低垂果实”，很可能会率先转向氢能。原因如下：
适航认证优势：依据CS23/FAR23标准分类的飞机（通常在8.6吨以下）相比大型商用飞机更为严格的要求，可享受更为简化且成本较低的认证流程。
运营契合度：超过70%的公务航空航班航程在1,000公里以内，90%的航程在2,000公里以内，完全在氢电航程能力范围之内。
成本效益：原始设备制造商的燃料电池系统省去了涡轮机中常见的高温循环和旋转部件，从而显著降低维护需求。初步数据显示，其运营成本比同类涡桨飞机或喷气机型低20%以上，这一结论得到了“Project Fresson”项目成果的支持。该项目显示，推进系统维护成本最高可节省50%，同时长期氢燃料成本预测表明，“Project Fresson”，到2030年，氢燃料价格将与Jet A-1持平，甚至更具优势。
对氢气加注的顾虑正日益得到解决。截至2023年，全球已有超过1,000座加氢站投入运营，且从2021年至2023年增长了60%以上。
就航空业而言，近期发布的SAE AIR8466报告界定了在机场建设氢气加注系统的最佳实践和工程指南，确保气态和液态氢基础设施的安全操作与兼容性。
初期部署可采取战略性聚焦：15%的公务机场承接全球90%的公务喷气机流量。据WingX和EBAA Traffic Tracker的数据，若在各大洲排名前十的机场配备加氢设施，每年可实现超过500,000架次的氢电航班。
氢电飞机规模化发展路线图
Beyond Aero的氢电飞行路线图旨在尽早产生影响，支持基础设施的推广，并与全球气候目标保持一致地实现规模化发展。
2020年至2030年这一阶段的重点在于奠定基础，即种子阶段，包括依据CS23/FAR23法规对首架飞机进行认证，借助轻型飞机类别加快产品上市速度。与此同时，并行推进初始机场氢气加注基础设施的部署，以确保早期航线的可行性。在氢电系统起步的同时，SAF仍是减少现有机队排放的关键手段。
在2030年至2040年期间，进入收获阶段。该阶段的特点是燃料电池性能和液氢储存技术取得进步，为研制依据CS25标准认证的70座支线飞机铺平道路，标志着在更大运力航线上验证氢电系统的关键一步，并将其应用范围扩展至更多区域市场。
2040年至2050年，路线图进入巩固阶段，旨在推出一款配备规模化氢能系统的150座商用飞机。这将使其能够瞄准高频次短途航线，而这些航线目前占航空相关排放量的多达24%。针对这些细分市场，可使氢电推进系统成为传统喷气燃料可信赖且影响力大的替代方案。
作为飞机制造商，Beyond Aero提出了一份技术上可行的路线图，涵盖从推进架构、认证到基础设施部署的全过程，并立足于现实约束和物理规律。通过围绕现有能源载体的极限进行工程设计，该公司旨在使其承担当前大部分航班任务的飞机在飞行中实现零直接排放。
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