李銘沨
作者：李銘沨
編輯：鄭賢玲
除了現實，人類還需要多一些夢想。看了銘沨這篇關于氫能飛行器的文章，對于航空領域的氫能應用可以簡單地概括為：“因為輕，是以氫；因為清，是以氫。”人類對飛行的夢想一開始就源自氫。
早期的飛行器熱氣球和飛艇用到氫是因為氫很輕，可以在空氣中浮起來；而後來的火箭、商用無人機甚至是大型飛機對氫能的應用和研究則是基于清潔能源的要求。氫作為能源最早用于航天發射，現階段商用無人機的長續航裡程正在将燃料電池産業化變為可能，氫在民用航空領域的應用再一次開啟，期待人類氫能飛行的夢想早日實作。
——鄭賢玲
人類對于天空的向往，自有曆史文獻記載以來就從未停止過，而從魏晉時期中國發明風筝開始，飛行器就成為了人類文明中的一項重要發明，而氫，在人類航空航天的探索曆史中一直以來也都扮演着重要的角色，雖然其中也因為一些安全事故造成了無法挽回的損失，然而不可否認的是，現代航天航空的安全，往往都是建立在這些慘痛的曆史經驗之上，而且雖然如此，氫氣和氫能也從來沒有從航空航天産業中離開過，從某種層面上來說，氫能給了人類“飛翔的翅膀”。
從熱氣球到飛艇
誠然，風筝是最早的人類飛行器，且大陸的孔明燈和天燈原理也和熱氣球近似，但是最早的載人飛行器還是1783年由法國造紙商發明的熱氣球，也由此開創了人類載人飛行的曆史。而在熱氣球成功之後，同年12月，法國實體學家夏爾和氫氣球制作者羅伯特兄弟也成功完成了首次氫氣球載人飛行43公裡的實驗，浪漫的法國人這次把自己的浪漫主義充分發揮到了對天空的向往之中，而氫氣也從此伴随着人類的航空航天事業的發展。
夏爾和羅伯特兄弟的第一個載人氫氣球
在熱氣球和充氣氣球成功實作載人飛行之後，人們迫切的想要一種可以操作更便利，航行距離更遠的飛行器，由此，根據熱氣球和充氣氣球的改進産物——飛艇，逐漸成為了人們在天空追逐的繼任者，而由于熱氣球本身需要通過燃料來實作升空和滞空，如果再加上推進裝置所需的燃料，是以在燃料方面很難實作長距離的航行的需求，而氫氣球由于在充氣後可以長期保持滞空效果，是以19世紀初期的飛艇大多都采用了氫氣作為升空媒介。
但是由于氫氣的不穩定性，再加上當時的氣球的主要蒙皮材質為紙質或棉質，以目前的眼光來看這無疑是自殺式的飛行方式，但受限于材料學和化學發展階段，這已經是當時的最高技術水準了，人們對飛行的探求導緻了衆多的安全事故。不可否認的是，這也開創了早期的超長距離載人飛行的曆史，也讓橫渡大西洋不再是夢。
很多人問為什麼不用更安全的氦氣而是使用氫氣，這方面的原因主要是當時的氦氣産量非常低，而氫氣已經進入了工業生産階段，可實作大量的生産，也是以氫氣相對來說更加現實且經濟，1923年首飛的美制飛艇謝南多厄号為第一架使用氦氣作為填充的飛艇，而當時為了填充這架飛艇幾乎用掉了全球儲備的大部分氦氣，甚至到後來洛杉矶号飛艇傳遞需要氦氣填充時要通過向謝南多厄号借氦氣才行。
齊柏林公司設計的飛艇如今似乎已成為“飛艇”的代言
1937年的興登堡号（LZ-129）空難後，哪怕此前興登堡号曾在1936年内一年飛行橫跨大西洋17次，但是依然讓人們對飛艇幾乎徹底失去了信心，以至于在飛艇的黃金年代，氦氣飛艇還沒有發展起來，飛艇業就已經逐漸走向了陌路，可謂成也蕭何敗也蕭何，氫氣曾經實作了人們長途飛行的夢想，又自己将這個夢想徹底粉碎。雖然飛艇業在20世紀80年代後伴随着材料學的進步和氦氣成本下降稍有回暖，但是随着飛機的大量普及，飛艇更多是用于旅遊觀光和商業用途，已經不再扮演交通工具的角色。
興登堡号事故不僅讓飛艇行業折戟，也讓大家認識到飛行安全的重要性
液體燃料推動火箭發展
時間很快來到了第二次世界大戰，由于科學技術的突飛猛進，戰争的烈度已經上升到了一個人們從未想到過的程度，殘酷的戰争，摧毀了人們生活的家園，奪走了大量的生命，但是卻加速推動了技術的發展，每個陣營和國家都希望推出更具威力的武器，進而奪得戰争的主動權。從一戰到二戰，武器裝備的進化是顯而易見的，而在二戰期間，除了核武器的誕生，還有一種改變了人類發展程序的武器誕生了——飛彈。
二戰時期設計的飛彈成為了現代火箭和飛彈的基石
現在我們都知道，一個國家的飛彈水準，也标志了這個國家的火箭水準，而早期的飛彈由于當時沒有精确的制導功能，是以更多被稱為飛彈，在飛彈的誕生除了推動火箭技術的發展外，同時也開創了液體燃料火箭推進器的發展，而這項技術正是目前全球航天器發展的基礎。雖然二戰前美國和蘇聯都開始了相關項目的研制，但真正推動這項技術發展的，正是曾經在二戰時奪走了無數人生命的V-2火箭。
實驗中的V-2火箭
V-2火箭由德國科學家馮·布勞恩的團隊研發，采用酒精/液氧作為發動機的燃料，在德國投降之後，馮·布勞恩的團隊投降并攜帶技術圖紙前往了美國，蘇聯也在當時獲得了部分V-2火箭的部件和生産裝置，二戰結束後，通過改進更新V-2火箭的技術，美國和蘇聯也相繼推出了改進型産品。
韋恩赫爾·馮·布勞恩（1912-1977）
美國火箭發動機制造商根據V-2火箭的技術研發了A-6和A-7火箭發動機，并搭載在了美國第一款彈道飛彈——紅石飛彈（PGM-11）之上，紅石飛彈的發動機後來也被搭載在了朱諾1号運載火箭上，并成功發射了美國第一顆人造衛星探險者一号，1961年搭載A-7發動機的水星-紅石運載火箭完成了美國首次載人亞軌道太空飛行任務。
而蘇聯則是在格魯什科的上司下成立了OKB-456火箭設計局，專門負責複原V-2火箭的技術，并成功研發了RD-100火箭發動機以及R-1飛彈，也是以R-1飛彈被人稱為“蘇版V-2”，此後在RD-100發動機的基礎上又開發了RD-107和RD-108火箭發動機，并作為人類第一顆人造衛星——衛星一号的運載火箭發動機，此後也作為人類首次載人航天東方号的運載火箭發動機，成為了人類航天和火箭發展的先驅，而之後的聯盟号，上升号等火箭都采用了該發動機作為運載火箭。
國外幾款火箭發動機的對比
在技術逐漸成熟之後，液體燃料火箭推進器逐漸也有了不同的類型，比較常見的有：液氧/煤油，液氧/液氫，四氧化二氮/偏二甲肼，以及近年來火熱的液氧/液态甲烷發動機。其中技術最成熟的是液氧/煤油發動機，随着我們對原油開發提純技術的進步，液氧/煤油發動機很快替代了液氧/酒精發動機，也多次完成了人類曆史上重要的航天任務。
但是液氧/煤油發動機有兩個主要問題，一個是燃燒後會出現結焦的情況，簡單來說就是類似汽車上的積炭問題，容易形成堵塞，另一個則是液氧/煤油的比沖較低，比沖指的是機關推進劑産生的沖量，簡單了解比沖就是類似發動機的出力，比沖值越高自然是越好，而液氧/煤油發動機的比沖相對其他發動機較低，而理論上比沖最高的則是液氧/液氫發動機，這也是大陸近年來大力發展液氧/液氫發動機的原因之一，雖然近年來大陸在航天領域不斷取得驕人的成績，但是就主流火箭長征5号搭載的YF-77液氧/液氫發動機的資料來看，還距離其他國家的火箭有一定的差距，這也是大陸深耕液氧/液氫發動機的原因之一。
全球主要氫氧發動機資料
而液氧/液态甲烷發動機則是近年來最為火爆的一個方向，雖然其理論存在了很久，美國和蘇聯都曾經做出了樣機，但是都沒有真正進行過發射，直到SpaceX的獵鷹火箭出現，采用全流量分級燃燒循環方式才将這個理論變為了現實，而就目前來看，液氧/液态甲烷發動機幾乎沒有什麼短闆可言，雖然相對液氧/液氫發動機的比沖較低，但是其成本較低，體積較小，可以通過搭載多發的方式來彌補這一點不足，并且可以反複使用，是馬斯克為了實作火星登陸的重要工具。
大陸目前在液氧/液态甲烷發動機領域也有所突破，2019年藍箭航天的天鵲（TQ-12）試機成功，标志着大陸繼SpaceX的猛禽和藍色起源的BE-4後擁有了全球第三台液氧/液态甲烷發動機。從目前我獲得的各方民間咨詢來看，除了技術相對來說難度較高外，液氧/液态甲烷發動機無疑是相對最為理想的，從經濟性，耐用性，綜合性能方面來看幾乎沒有短闆，不過由于目前來說應用相對較少，還需要進一步觀察其實際表現來下結論。
火箭燃料的不同循環方式
而至于液氧/液氫雖然在目前來看并不是最完美的火箭發動機，但是不論是其曾經創造過的輝煌，還是随着技術進步成本不斷降低，安全性進一步提高所帶來的效益，不僅其地位無法被輕易否定，甚至在未來依然讓人對其充滿了期待，畢竟我們都想看看最高比沖的理論能否成功實作嘛。
翺翔天際，氫能飛機是不是未來
不同于飛艇和火箭，飛機已經是我們目前主流交通工具，是以除了要照顧到經濟性，安全性等方面，随着目前碳排放壓力以及歐洲能源壓力遽增的前提下，在不改變安全和經濟的前提下，尋求更加經濟環保的能量來源就成了現代航空業的重要課題之一。
美聯航公布的航空業二氧化碳排放
根據航空業的調查，截至2019年，飛機的碳排放量為9.15億噸，占全球碳排放量2%-3%，在過去的20年裡，飛機的碳排放量增加了近40%，而飛機運送單一乘客的二氧化碳碳排放成本約為巴士的2倍，鐵路的6倍，而由于近年來锂電行業火爆，也有不少人提出了電動飛機的概念，那麼電動飛機到底可不可行？我個人的回答是，行，也不行！而行還是不行，要根據飛機的實際用途來下結論。
從汽車行業來看，電動汽車雖然相對于傳統燃油汽車在全生命周期的碳排放量有所下降，但是在某些技術名額上來看，電動汽車有一些相對較為敏感的“硬傷”，其中之一就是重量，拿本田的2022款CRV電動版和汽油版來進行對比，電動版的CRV（低配）整備品質為1998KG，而汽油版的CRV（低配）整備品質則是1608KG，接近25%的差别，這樣的重量差別在汽車上可能可以通過電動機的扭矩優勢和材料來進行彌補。
而這隻是汽車的重量差别，根據日本航空機開發協會的估算，實際上如果要使一架波音737飛機采用電動的方式升空，其需要的電池重量約為50噸，而737家族中最“重”的737-900ER，空重也才44.6噸，而起飛重量為85噸，落地重量為66.4噸，航空燃油會在空中消耗減輕飛機的落地重量，可是電池并不會因為能量的損失而降低重量，這導緻如果大型飛機采用電池作為動力，起飛和降落都将成為更為嚴峻的挑戰。
波音737系列的穩定進近對重量給出了嚴格的标準
不過電動飛機仍然是輕型飛機的一個發展方向，這也就是電動飛機的可行性，英國飛機發動機巨頭羅爾斯·羅伊斯，美國的MagniX，以及NASA目前都在開發輕型的電動飛機，因為輕型飛機續航要求相對較短，載客相對較少，其整備品質差更接近于汽車的整備品質差，而這些恰恰可以通過犧牲部分載客量或是提升電動機的扭矩來進行彌補，是以根據航空業内預估，大概2023-2024年，小型中短途電動飛機就可以得到部分應用。
羅爾斯·羅伊斯的電動飛機
而對于中大型的飛機來說，如果采用電動的方式，以目前的馬達和電池技術來看還不太現實，是以更多的廠商将目光都放到了氫動力上，而在氫動力的探索上，主要是液氫和合成燃料兩個研究方向。
以歐洲的AIRBUS（以下簡稱空客）為例，其氫動力項目Zero Emisson就是瞄準了中大型客機市場，而該項目早期的發展方向主要為液氫，而目前空客的液氫項目已經在地面通過A380-MSN1試驗機進行了多次實驗，并預計在2035年投入使用，近日空客還和阿麗亞娜集團合作開始了液氫飛機的加氫站，預計2025年正式投入使用。
Airbus和ArianeGroup合作開發的液氫加氫站項目（效果圖）
除了液氫項目，2022年11月，空客還對外公布了自己的燃料電池發動機項目，目前該項目并沒有太多詳細的資料資料，但是從公布的圖檔來看，這是一款渦槳發動機，據空客網站介紹，該渦槳發動機搭載的是以PEM技術為主的燃料電池，然而除了這些之外空客并沒有公布更多的細節和資訊，不過不管是燃料電池還是液氫燃料，從空客公布的内容來看，其發展速度目前看來都不慢，特别是其最建立設的加氫站項目，我不知道能否大膽預估以下，這是否是為了進行飛行測試而提前進行的準備工作呢。
Airbus釋出的燃料電池渦槳發動機
合成燃料是另一個氫的載體，國際能源署（IEA）《2022年全球氫能評估報告》稱：2021年，德國非營利組織Atmosfair啟動了首個使用可再生電力産生的氫氣生産合成燃料的項目，其中包括與漢莎航空公司簽訂每年2.5萬升合成煤油的采購協定。其他合成燃料生産項目已經在西班牙(10兆瓦)和智利(1兆瓦)開始建設，預計将在未來幾年内投入營運。2021年，德國、荷蘭、挪威、葡萄牙、南非和瑞典也宣布了規模較大但處于早期開發階段的項目。
如果目前正在開發的所有項目都能實作，到2030年，它們每年可生産超過20億升合成煤油，這将有助于取代航空領域類似的油基煤油消費，進而減少相當于2021年全球航空領域油基産品需求的近1%。
氫能加持下無人機市場現狀
其實在2022年4月我曾經專門寫過一篇關于氫能無人機的文章，文中已經将氫能無人機的優劣勢做過分析，近一年的時間，氫能無人機的發展已經逐漸從實驗研發階段進入市場探索的初期階段，我很欣喜的發現部分廠商的産品目前已經成功上市，并且産品從我們之前預估的軍用和商用産品逐漸開始走向了應用更為廣泛的民用級産品。
鬥山創新的DS30W已經支援多種雲台，可滿足不同需求
如南韓的鬥山創新（Doosan Mobility Innovation），在翻閱其官網時發現其産品DS30W已經是一款可以面向攝影市場的産品，并且可以搭載多種雲台，這無疑已經是一種全新的嘗試，雖然目前看來鬥山的DS30W還存在體積相對較大，相對成本較高等問題，但是考慮到燃料電池市場目前的發展速度，我想氫能無人機在未來進行“減重”的可能性會非常高。
鬥山與國内工業無人機企業合作的六旋翼氫燃料電池無人機DT30N于 2022年9月完成了大陸公安部安全與警用電子産品品質檢測中心的檢測，并取得了檢驗報告。
多旋翼氫燃料無人機DT30N型 檢驗報告
除南韓外，美國、英國、西班牙、愛沙尼亞等國家都在燃料電池無人機上開始了應用研究，其中位于英國的智能能源公司是無人駕駛飛行器( 無人機)輕型 PEM 燃料電池子產品的領先制造商，其産品已在美國和日本推廣。
國外主要無人機燃料電池供應商。資料來源：無人機界《行業動态 | 國外氫燃料無人機研究成果分享》
在國内，2021年12月13日，國網溫州供電公司一架氫能多旋翼無人機實作2個多小時的不間斷巡視，順利完成了對500千伏望南線的通道自主巡檢作業。除國家電網線路巡檢外，氫能無人機還在冬奧會、中海油海上油氣設施巡檢等多個領域示範應用。
2022年國内氫能無人機應用包括：冬奧會期間國電投氫能無人機應用于電網運檢中；10月，氫航科技杭州研發中心竣工，将用于氫動力無人機等輕量化燃料電池的生産應用；暗流科技也在10月釋出了新款氫能源長航時行業應用無人機産品—AD1無人機；11月，哈爾濱工業大學重慶研究院宣布自主研發的“青鷗30”、氫動力六旋翼無人機等多款無人機量産在即。
2021年12月釋出的《深圳市氫能産業發展規劃 2021-2025年》就提出：至2025年，深圳市氫能無人機示範應用不少于100架。2022年3月23日，國家發展改革委釋出的《氫能産業發展中長期規劃（2021-2035年）》中也首次提到“要積極探索燃料電池在航空器領域的應用，推動大型氫能航空器研發。”
目前國内氫能無人機的參與企業包括國電投氫能、氫航科技、新創氫翼、濟美動力、暗流科技、攀業氫能、衆創新能、南韓鬥山等。
氫能無人機雖然目前依然處于非常早期的階段，但是從2022年下半年開始，燃料電池行業有了突破性的進展，而作為氫能無人機未來的動力來源，燃料電池在技術上的不斷突破，自然也會改變無人機市場的格局，目前對氫能無人機持否定态度的部分觀點主要為：成本高，不安全，體積大等觀點，但是其實這三個問題，放到早期的锂電無人機産品也是很常見的事情。
抛開軍用和商用産品先不談，就單說大疆早期的産品悟和精靈，也存在這些問題，無人機的安全也是建立在資料和飛控單元的不斷更新之上，還記得當年論壇裡的“大疆百炸”，再看現在大疆的産品力，我想其實每一個行業的發展初期，必然都是伴随着懷疑和争議的，但是隻要技術路線符合大家的需求方向，并且整個産業鍊處于上升階段，很多問題都會在未來的發展中逐漸得到相應的解決方案，對氫能無人機，我們也會持續保持關注。
回顧人類追逐天空的這200多年，氫不僅是一個先行者和探索者，也是持續推動産業發展的一個重要角色，盡管中間的過程我們付出了很多慘重的代價，但是換來的卻是無價的經驗，這些經驗成為了航空業安全飛行的支柱，成為了我們探索星辰的動力，也成為了未來我們留給後代的财富，氫能雖然飽受争議，但是依然用它自身的能量不斷推動着行業和世界的發展，我并不是為氫能去寫什麼贊歌，但是我認為，承認它是一個優秀的能源，也并沒有那麼難，起碼它曾賦予了我們一雙挑戰天空的翅膀。
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