沈海軍

僅僅在幾年前，絕大多數(shù)人還認(rèn)為把氫當(dāng)作飛機(jī)燃料的想法實(shí)在有些離譜；而現(xiàn)在，業(yè)內(nèi)人士普遍認(rèn)為，氫燃料是解決航空業(yè)零碳難題的一個(gè)重要手段。事實(shí)上，氫燃料飛機(jī)有望永久改變航空業(yè)。

概念由來已久

氫燃料飛機(jī)的概念由來已久。早在1939年8月，世界上首臺(tái)噴氣式飛機(jī)He-178就在德國成功完成首飛。該飛機(jī)使用的汽油噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)是基于一款氫燃料噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展而來。該款氫燃料噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)于1937年3月首次完成地面測試，只運(yùn)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(dòng)機(jī)可以使用氫氣燃料運(yùn)行，盡管其渦輪金屬部件在試驗(yàn)中被嚴(yán)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(dòng)力飛機(jī)的可行性。為此，美國軍方還提供了一架B-57轟炸機(jī)作為試驗(yàn)平臺(tái)。該架B-57轟炸機(jī)有兩臺(tái)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，其中一臺(tái)經(jīng)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(dòng)機(jī)的測試結(jié)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(dòng)機(jī)產(chǎn)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(dòng)機(jī)—Suntan 304。該動(dòng)力系統(tǒng)的液氫是在大氣壓力和約-250°C低溫下儲(chǔ)存的，額定推力為2.1噸。1956—1959年，普惠公司先后制造出5臺(tái)液氫發(fā)動(dòng)機(jī)原型機(jī)，并在隨后進(jìn)行了一系列地面試驗(yàn)。測試結(jié)果表明，該液氫發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪入口的溫度曲線平坦，優(yōu)于當(dāng)時(shí)的航空煤油發(fā)動(dòng)機(jī)。盡管Suntan 304發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)取得了成功，但由于與之配套的飛機(jī)無法解決低溫液氫燃料的燃料箱問題而導(dǎo)致研發(fā)最終失敗。

20世紀(jì)70年代末，石油危機(jī)席卷全球，清潔航空燃料備受各國關(guān)注，低溫液氫燃料憑借其環(huán)保、高效等優(yōu)點(diǎn)再次進(jìn)入人們的視野。此時(shí)，蘇聯(lián)開始嘗試研制液氫燃料飛機(jī)，并率先將液氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用于圖-155型飛機(jī)上。圖-155是全球首款使用氫燃料的飛機(jī)，屬于圖-154客機(jī)的改進(jìn)型。圖-154由蘇聯(lián)圖波列夫設(shè)計(jì)局研制，為三發(fā)中程客機(jī)，曾是俄系噴氣客機(jī)中的佼佼者。為了使用液氫燃料，圖-154飛機(jī)的配置發(fā)生了重大變化：機(jī)身后部增設(shè)了氣密艙，放置一個(gè)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(nèi)溫度長期保持在-253°C附近。飛機(jī)右舷的引擎被更換為以液氫為燃料的NK-88型發(fā)動(dòng)機(jī)。作為世界上第一架使用液氫燃料的飛機(jī)，圖-155于1988年4月進(jìn)行首飛并取得了成功。圖-155的成功試飛不僅證明了飛機(jī)使用低溫燃料飛行的可能性，而且為后續(xù)改進(jìn)航空低溫燃料系統(tǒng)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。可惜的是，受到當(dāng)時(shí)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)水平的限制，液氫燃料的價(jià)格實(shí)在太高，該項(xiàng)目未能持續(xù)下去。

20世紀(jì)90年代，蘇聯(lián)解體后，俄羅斯發(fā)生了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)危機(jī)，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(jī)的可行性。德國的宇航公司和俄羅斯曾共同提出過一個(gè)被稱為“低溫燃料飛機(jī)”的研制計(jì)劃，兩國打算在一架Do-328飛機(jī)上試驗(yàn)氫燃料動(dòng)力。德方甚至還設(shè)想將相同的液氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在空客公司的A310客機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)；但由于技術(shù)以及資金問題，雙方的合作未能達(dá)到預(yù)期效果。此后，氫燃料飛機(jī)的研發(fā)進(jìn)入持續(xù)了十余年的“消沉期”。直到氫燃料電池技術(shù)的出現(xiàn)，氫燃料才重新開始在航空領(lǐng)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(dòng)力的小型飛機(jī)，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(jī)由奧地利的“鉆石（Diamond）”雙座螺旋槳?jiǎng)恿铏C(jī)改裝而成，飛機(jī)內(nèi)安裝了質(zhì)子交換膜氫燃料電池和鋰電池。飛機(jī)翼展16.3米，機(jī)身長6.5米，重約800千克，可容納兩人。試飛時(shí)，機(jī)上只有飛行員一人。機(jī)艙內(nèi)，傳統(tǒng)電池被放置在空座位上，飛行員的背后則有一個(gè)類似潛水員使用的氧氣罐的裝置，用以儲(chǔ)氫。該飛機(jī)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(dāng)爬升至1000米的巡航高度后，轉(zhuǎn)為以氫燃料電池提供全部動(dòng)力。整個(gè)飛行持續(xù)約20分鐘，飛行時(shí)速在100千米左右。該技術(shù)對(duì)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(dǎo)彈防御局的資助下，波音公司的“幻影眼”無人機(jī)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(shí)無人機(jī)，升限可達(dá)19.8千米，配備有2臺(tái)150馬力的液氫發(fā)動(dòng)機(jī)，采用螺旋槳推進(jìn)，主要用于執(zhí)行長時(shí)間偵察、獲取情報(bào)和信息以及通信任務(wù)，可攜帶202千克載荷飛行整整4天?！盎糜把邸痹O(shè)計(jì)獨(dú)特，從外表看就像在超長機(jī)翼下面掛了一個(gè)超大號(hào)奶瓶。其起飛重量為4.4噸，巡航時(shí)速約為270千米。這款飛機(jī)還有一個(gè)最大的特色—要依靠汽車助推才能實(shí)現(xiàn)正常的起飛。經(jīng)過幾年試飛，“幻影眼”液氫無人機(jī)終因液氫易燃易爆和存儲(chǔ)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(hào)”。該飛行器采用全新的氫燃料電池和分布式電推進(jìn)結(jié)合設(shè)計(jì)方案，機(jī)翼上安裝有14臺(tái)功率為5～8千瓦的電動(dòng)機(jī)，每臺(tái)電動(dòng)機(jī)后面都配有一個(gè)氫燃料罐，這種分布式儲(chǔ)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(hào)”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(jī)航時(shí)增加到20小時(shí)，航程可以達(dá)到驚人的5000千米。