美海军无人机采液氢燃料电池进行续航能力测试

今年上半年，美国海军的研究者们在无人机发展上取得了重大的突破，意味着有一天可以为战斗者提供新一代有效、持续、低空的情报、监视与侦察平台。海军研究局的研究人员利用“离子虎（Ion Tiger）”无人机进行了液氢燃料电池的动力飞行试验，结果表明这项技术能够使无人机飞行更安静，持续时间更长。飞行试验是在中大西洋海域进行的，创造了此类无人机续航力的新纪录：4 月16 日至18 日共48 小时以上在空。

　　研究人员确认，和使用生化燃料动力源的平台相比，使用液氢燃料电池的无人机效率更高，且污染小，非常适应作为海军未来的情报、监视与侦察平台。

　　美国海军研究局战术电子战分部负责“离子虎”无人机项目的航空工程师约瑟夫•麦克克雷尔（Joseph MacKrell）说：“海军对情报、监视与侦察的需求正在不断增长，无人平台在目标上空待的时间越长越好，这样就能够提供越多的情报、监视与侦察服务。”

　　麦克克雷尔表示，严格来说“离子虎”无人机目前还只是一个试验性项目，军方还没有任何的终端用户。他在这个项目上与海军研究局的研究化学家和主要的调查者史维德•里昂（Karen Swider-Lyons）合作发展这项技术，促成研究成果。

　　史维德•里昂拥有化学博士学位。他说：“我们的结论是液氢燃料电池技术是可以投入实用的，但还需要克服很多困难。”

　　实际上，液氢燃料电池概念问世已经有一个多世纪的时间，但是此次“离子虎”无人机的飞行试验还只是这项技术从“婴儿”阶段迈入“学步儿童”阶段的关键一步。液氢燃料电池第一个重大的现代支持者是阿尔•戈尔( Al Gore) ，他在20 世纪90 年代担任美国副总统期间将此项技术视为减少对生化燃油依赖的重要手段。乔治•W•布什政府开始为这一技术相关的研究项目提供经费支持，2003 年编列了12美元的预算。私营企业（大部分是自动化企业）已经为这项技术的发展投入了巨额经费，截止目前已经有100 亿美元左右。

　　史维德•里昂和麦克克雷尔以现有技术为基础，充分吸收自动化企业已经获得的研究发展成果，为“离子虎”无人机研制出了动力装置。他们的研究开始于10 年前。2007 年“离子虎”无人机项目启动，2009 年使用气态氢作为燃料进行了首飞。这些燃料进行了压缩，每平方英寸约5000 磅，存储在南瓜大小的油箱中。这种无人机在首飞时的续航时间达到了24 小时。

　　因为氢燃料电池运用的电气化学原理，所以不必通过烧毁过程来产生转换成推力的能量。燃料电池的氢原子中分离出来的电子为外部负载的移动提供能量，比如说“离子虎”无人机的推进器就是如此。燃料电池从氢气中分离出电子后，剩下的氢质子在燃料电池的另一面同氧气结合形成水，这些水最后以水蒸汽的形式蒸发排出。

　　史维德•里昂和麦克克雷尔认为，低温的氢比气态的氢更适合无人机长时间的飞行。不过实践经验表明，理论上的性能表现往往会和实际飞行中的性能表现有很大的差别。

　　2009 年研制团队从无人机下拆下了原有的燃料箱，并研制出了一种可以装入液氢的新型燃料箱，里面保持凯氏20 度（比华氏温度低425 度以上）的低温以保证氢的液化状态。研究者们一开始总结认为，液态氢的密度要比气态氢高出三倍，但事实并非如此。

　　麦克克雷尔说:“实际运用中，两种氢的密度比达到不三倍。我们首次验证的过程中，两者的密度比达到两倍。如果要考虑到燃料电池系统的复杂性，特别是电池组带来的复杂情况，按照三倍理论研制电池组或者相应系统是不现实的。”

　　史维德•里昂和麦克克雷尔表示，尽管如此，液氢燃料电池和传统燃料发动机的优势仍然非常明显。麦克克雷尔说：“汽油燃料的问题在于续航能力不足，刚开始的时候，海军陆战队员看到便携式无人机能够持续飞45 分钟就非常高兴了。”

　　目前“离子虎”无人机的发动机每公斤燃料能够产生2000 瓦特时的能量。在氢燃料电池普遍运用于发动机领域之前，研制团队仍然要解决很多问题。比如说， 氢燃料电池生产成本很高，而且对杂质十分敏感。

　　麦克克雷尔：“碰上海雾没有什么关系，但是如果氢燃料电池飞机吸入了海水，情况就糟了。虽然造成的破坏是可逆的，但是‘发动机检查’的警示灯就会一直报警。大部分情况下， 发动机吸入了海水，就很难再继续执行任务。”

　　此外，尽管氢元素在地球上广泛存在，但提取它做燃料并存储起来并非易事。史维德•里昂说：“低温氢非常昂贵，但使用价值很高。现在生化燃料的供应站都不像充电器那样普遍，更不用说液氢燃料的存储和分配基础设施了，氢燃料电池的运用还有很长一段路要走。”

　　不久的将来，从成本效益的角度来看，进行大规模的提取可能更有实际意义。4 月份，弗吉尼亚理工大学研究院（位于弗吉尼亚州布莱克斯伯格）的科学家和工程师们宣布了一种依靠普通的糖（被称为“木糖”）来提取氢的成本较低的方法。

　　此外，目前燃料电池使用铂金作为催化剂的方式极为昂贵，高等院校、企业和政府的研究者们都在研究减少使用或者替代的办法。他们还希望弄清楚，为什么发动机内传输氧气的过程会导致重大的电压损失，从而影响到动力系统的性能。

　　史维德•里昂相信，上述问题最终会得到解决，成本会逐步降下来，所以氢燃料电池可能会成为飞机推进最有成本效益的方式。她说：“对军方而言，如果你可以减少飞机起飞和降落的次数，就可以节约大量的费用，而失去1 架飞机就意味着重大的损失。”

　　史维德•里昂和麦克克雷尔指出，制造出一种足以胜任作战需要的强大的动力系统最终还是要靠企业。波音、AeroVironment 等公司已经在发展专用的氢燃料电池动力飞机。2008 年波音公司宣布成功进行了1 架有人飞机的试飞， 2012 年6 月成功进行了“幻影眼（Phantom Eye）”高空无人机的试飞。AeroVironment 公司的“全球观测者(Global Observer)”高空无人机2011 年曾进行过试飞，在加利福尼亚州爱德华空军基地上空持续飞行了约5 个小时。

　　史维德•里昂指出，美军正在持续加大对包括低温氢存储库在内的基础设施的建设力度，希望以国防部对传统的JP-8 喷气式燃料的方式为基础打造全新的基础设施。很显然，低水平的氢燃料电池飞机的推广，需要辐射面广的基础设施做支撑。

　　史维德•里昂说：“首先我们要有一个供无人机起飞的标准基地，在此基础上，续航力的大幅提高意味着作战样式的改变。l 架飞机起飞后，可以在空停留几个小时，需要时即可转向调整。”

　　麦克克雷尔表示，未来海军陆战队员、海军舰员和陆军士兵可能不再需要将小型无人机装进背包带入战场了。他说：“无人机可以预先部署在后方基地。作战人员到达作战地点可能需要半天的时间，这半天里他们不需要携带无人机，需要时无人机就会出现。”

　　麦克克雷尔表示，或许军用卡车就可以装载必要时可以在战场上生产氢燃料的装置。他说：“只有有电和水，我们就可以生产氢并进行压缩，达到每平方英寸5000 磅或者10000 磅的水平，可以是气态氢，也可以是低温氢。这个过程首先是水电解产生氢，然后是进行压缩。”