沈海軍

僅僅在幾年前，絕大多數(shù)人還認為把氫當作飛機燃料的想法實在有些離譜；而現(xiàn)在，業(yè)內人士普遍認為，氫燃料是解決航空業(yè)零碳難題的一個重要手段。事實上，氫燃料飛機有望永久改變航空業(yè)。

概念由來已久

氫燃料飛機的概念由來已久。早在1939年8月，世界上首臺噴氣式飛機He-178就在德國成功完成首飛。該飛機使用的汽油噴氣發(fā)動機是基于一款氫燃料噴氣發(fā)動機發(fā)展而來。該款氫燃料噴氣發(fā)動機于1937年3月首次完成地面測試，只運行了不到5分鐘，便將氫氣耗盡。這次嘗試表明，渦輪噴氣發(fā)動機可以使用氫氣燃料運行，盡管其渦輪金屬部件在試驗中被嚴重灼損。

1955年，美國軍方委托劉易斯研究中心著手論證發(fā)展液氫動力飛機的可行性。為此，美國軍方還提供了一架B-57轟炸機作為試驗平臺。該架B-57轟炸機有兩臺噴氣發(fā)動機，其中一臺經過改造后，既能使用傳統(tǒng)燃油，又能使用液氫燃料。液氫燃料版發(fā)動機的測試結果表明，氫燃料具有更高的比熱值，較常規(guī)航空煤油工況，能讓噴氣發(fā)動機產生更大的推力。

1956年，美國普惠公司決定研發(fā)一種帶加力燃燒室的液氫噴氣發(fā)動機—Suntan 304。該動力系統(tǒng)的液氫是在大氣壓力和約-250°C低溫下儲存的，額定推力為2.1噸。1956—1959年，普惠公司先后制造出5臺液氫發(fā)動機原型機，并在隨后進行了一系列地面試驗。測試結果表明，該液氫發(fā)動機渦輪入口的溫度曲線平坦，優(yōu)于當時的航空煤油發(fā)動機。盡管Suntan 304發(fā)動機的研發(fā)取得了成功，但由于與之配套的飛機無法解決低溫液氫燃料的燃料箱問題而導致研發(fā)最終失敗。

20世紀70年代末，石油危機席卷全球，清潔航空燃料備受各國關注，低溫液氫燃料憑借其環(huán)保、高效等優(yōu)點再次進入人們的視野。此時，蘇聯(lián)開始嘗試研制液氫燃料飛機，并率先將液氫燃料發(fā)動機應用于圖-155型飛機上。圖-155是全球首款使用氫燃料的飛機，屬于圖-154客機的改進型。圖-154由蘇聯(lián)圖波列夫設計局研制，為三發(fā)中程客機，曾是俄系噴氣客機中的佼佼者。為了使用液氫燃料，圖-154飛機的配置發(fā)生了重大變化：機身后部增設了氣密艙，放置一個體積為20立方米的低溫液氫罐。該液氫罐采用真空隔熱材料，可使罐內溫度長期保持在-253°C附近。飛機右舷的引擎被更換為以液氫為燃料的NK-88型發(fā)動機。作為世界上第一架使用液氫燃料的飛機，圖-155于1988年4月進行首飛并取得了成功。圖-155的成功試飛不僅證明了飛機使用低溫燃料飛行的可能性，而且為后續(xù)改進航空低溫燃料系統(tǒng)提供了寶貴經驗?？上У氖牵艿疆敃r技術和經濟水平的限制，液氫燃料的價格實在太高，該項目未能持續(xù)下去。

20世紀90年代，蘇聯(lián)解體后，俄羅斯發(fā)生了嚴重的經濟危機，被迫采取與德國合作的方式繼續(xù)探索發(fā)展氫燃料飛機的可行性。德國的宇航公司和俄羅斯曾共同提出過一個被稱為“低溫燃料飛機”的研制計劃，兩國打算在一架Do-328飛機上試驗氫燃料動力。德方甚至還設想將相同的液氫燃料發(fā)動機安裝在空客公司的A310客機上進行試驗；但由于技術以及資金問題，雙方的合作未能達到預期效果。此后，氫燃料飛機的研發(fā)進入持續(xù)了十余年的“消沉期”。直到氫燃料電池技術的出現(xiàn)，氫燃料才重新開始在航空領域受到青睞。

2008年3月，波音公司宣布成功試飛了一款以氫燃料電池為動力的小型飛機，并宣稱這次試飛在世界航空史上屬于首創(chuàng)。波音公司的這款小型飛機由奧地利的“鉆石（Diamond）”雙座螺旋槳動力滑翔機改裝而成，飛機內安裝了質子交換膜氫燃料電池和鋰電池。飛機翼展16.3米，機身長6.5米，重約800千克，可容納兩人。試飛時，機上只有飛行員一人。機艙內，傳統(tǒng)電池被放置在空座位上，飛行員的背后則有一個類似潛水員使用的氧氣罐的裝置，用以儲氫。該飛機在起飛和爬升階段使用傳統(tǒng)電池與氫燃料電池混合供電；當爬升至1000米的巡航高度后，轉為以氫燃料電池提供全部動力。整個飛行持續(xù)約20分鐘，飛行時速在100千米左右。該技術對波音公司而言意義重大，也讓航空工業(yè)的未來充滿了“綠色希望”。

2012年，在美國導彈防御局的資助下，波音公司的“幻影眼”無人機使用液氫能源開展了試飛?！盎糜把邸笔且豢钜簹涓呖粘L航時無人機，升限可達19.8千米，配備有2臺150馬力的液氫發(fā)動機，采用螺旋槳推進，主要用于執(zhí)行長時間偵察、獲取情報和信息以及通信任務，可攜帶202千克載荷飛行整整4天?！盎糜把邸痹O計獨特，從外表看就像在超長機翼下面掛了一個超大號奶瓶。其起飛重量為4.4噸，巡航時速約為270千米。這款飛機還有一個最大的特色—要依靠汽車助推才能實現(xiàn)正常的起飛。經過幾年試飛，“幻影眼”液氫無人機終因液氫易燃易爆和存儲溫度超低、燃料箱體積過大等問題遭到放棄。

2018年10月，新加坡氫能源系統(tǒng)公司發(fā)布了一款4座新概念飛行器“元素1號”。該飛行器采用全新的氫燃料電池和分布式電推進結合設計方案，機翼上安裝有14臺功率為5～8千瓦的電動機，每臺電動機后面都配有一個氫燃料罐，這種分布式儲能可有效增加燃料攜帶量。氫能源系統(tǒng)公司宣稱，“元素1號”既可以選用氣態(tài)氫，也可以選用液態(tài)氫作為燃料，后者有望將飛機航時增加到20小時，航程可以達到驚人的5000千米。