研究人員確認(rèn)，和使用生化燃料動(dòng)力源的平臺(tái)相比，使用液氫燃料電池的無人機(jī)效率更高，且污染小，非常適應(yīng)作為海軍未來的情報(bào)、監(jiān)視與偵察平臺(tái)。
美國(guó)海軍研究局戰(zhàn)術(shù)電子戰(zhàn)分部負(fù)責(zé)“離子虎”無人機(jī)項(xiàng)目的航空工程師約瑟夫•麥克克雷爾(Joseph MacKrell)說：“海軍對(duì)情報(bào)、監(jiān)視與偵察的需求正在不斷增長(zhǎng)，無人平臺(tái)在目標(biāo)上空待的時(shí)間越長(zhǎng)越好，這樣就能夠提供越多的情報(bào)、監(jiān)視與偵察服務(wù)。”
麥克克雷爾表示，嚴(yán)格來說“離子虎”無人機(jī)目前還只是一個(gè)試驗(yàn)性項(xiàng)目，軍方還沒有任何的終端用戶。他在這個(gè)項(xiàng)目上與海軍研究局的研究化學(xué)家和主要的調(diào)查者史維德•里昂(Karen Swider-Lyons)合作發(fā)展這項(xiàng)技術(shù)，促成研究成果。
史維德•里昂擁有化學(xué)博士學(xué)位。他說：“我們的結(jié)論是液氫燃料電池技術(shù)是可以投入實(shí)用的，但還需要克服很多困難。”
實(shí)際上，液氫燃料電池概念問世已經(jīng)有一個(gè)多世紀(jì)的時(shí)間，但是此次“離子虎”無人機(jī)的飛行試驗(yàn)還只是這項(xiàng)技術(shù)從“嬰兒”階段邁入“學(xué)步兒童”階段的關(guān)鍵一步。液氫燃料電池第一個(gè)重大的現(xiàn)代支持者是阿爾•戈?duì)? Al Gore) ，他在20 世紀(jì)90 年代擔(dān)任美國(guó)副總統(tǒng)期間將此項(xiàng)技術(shù)視為減少對(duì)生化燃油依賴的重要手段。喬治•W•布什政府開始為這一技術(shù)相關(guān)的研究項(xiàng)目提供經(jīng)費(fèi)支持，2003 年編列了12美元的預(yù)算。私營(yíng)企業(yè)(大部分是自動(dòng)化企業(yè))已經(jīng)為這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展投入了巨額經(jīng)費(fèi)，截止目前已經(jīng)有100 億美元左右。
史維德•里昂和麥克克雷爾以現(xiàn)有技術(shù)為基礎(chǔ)，充分吸收自動(dòng)化企業(yè)已經(jīng)獲得的研究發(fā)展成果，為“離子虎”無人機(jī)研制出了動(dòng)力裝置。他們的研究開始于10 年前。2007 年“離子虎”無人機(jī)項(xiàng)目啟動(dòng)，2009 年使用氣態(tài)氫作為燃料進(jìn)行了首飛。這些燃料進(jìn)行了壓縮，每平方英寸約5000 磅，存儲(chǔ)在南瓜大小的油箱中。這種無人機(jī)在首飛時(shí)的續(xù)航時(shí)間達(dá)到了24 小時(shí)。
因?yàn)闅淙剂想姵剡\(yùn)用的電氣化學(xué)原理，所以不必通過燒毀過程來產(chǎn)生轉(zhuǎn)換成推力的能量。燃料電池的氫原子中分離出來的電子為外部負(fù)載的移動(dòng)提供能量，比如說“離子虎”無人機(jī)的推進(jìn)器就是如此。燃料電池從氫氣中分離出電子后，剩下的氫質(zhì)子在燃料電池的另一面同氧氣結(jié)合形成水，這些水最后以水蒸汽的形式蒸發(fā)排出。
史維德•里昂和麥克克雷爾認(rèn)為，低溫的氫比氣態(tài)的氫更適合無人機(jī)長(zhǎng)時(shí)間的飛行。不過實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，理論上的性能表現(xiàn)往往會(huì)和實(shí)際飛行中的性能表現(xiàn)有很大的差別。
2009 年研制團(tuán)隊(duì)從無人機(jī)下拆下了原有的燃料箱，并研制出了一種可以裝入液氫的新型燃料箱，里面保持凱氏20 度(比華氏溫度低425 度以上)的低溫以保證氫的液化狀態(tài)。研究者們一開始總結(jié)認(rèn)為，液態(tài)氫的密度要比氣態(tài)氫高出三倍，但事實(shí)并非如此。
麥克克雷爾說:“實(shí)際運(yùn)用中，兩種氫的密度比達(dá)到不三倍。我們首次驗(yàn)證的過程中，兩者的密度比達(dá)到兩倍。如果要考慮到燃料電池系統(tǒng)的復(fù)雜性，特別是電池組帶來的復(fù)雜情況，按照三倍理論研制電池組或者相應(yīng)系統(tǒng)是不現(xiàn)實(shí)的。”
史維德•里昂和麥克克雷爾表示，盡管如此，液氫燃料電池和傳統(tǒng)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)仍然非常明顯。麥克克雷爾說：“汽油燃料的問題在于續(xù)航能力不足，剛開始的時(shí)候，海軍陸戰(zhàn)隊(duì)員看到便攜式無人機(jī)能夠持續(xù)飛45 分鐘就非常高興了。”
目前“離子虎”無人機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)每公斤燃料能夠產(chǎn)生2000 瓦特時(shí)的能量。在氫燃料電池普遍運(yùn)用于發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域之前，研制團(tuán)隊(duì)仍然要解決很多問題。比如說， 氫燃料電池生產(chǎn)成本很高，而且對(duì)雜質(zhì)十分敏感。
麥克克雷爾：“碰上海霧沒有什么關(guān)系，但是如果氫燃料電池飛機(jī)吸入了海水，情況就糟了。雖然造成的破壞是可逆的，但是‘發(fā)動(dòng)機(jī)檢查’的警示燈就會(huì)一直報(bào)警。大部分情況下， 發(fā)動(dòng)機(jī)吸入了海水，就很難再繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)。”
此外，盡管氫元素在地球上廣泛存在，但提取它做燃料并存儲(chǔ)起來并非易事。史維德•里昂說：“低溫氫非常昂貴，但使用價(jià)值很高?，F(xiàn)在生化燃料的供應(yīng)站都不像充電器那樣普遍，更不用說液氫燃料的存儲(chǔ)和分配基礎(chǔ)設(shè)施了，氫燃料電池的運(yùn)用還有很長(zhǎng)一段路要走。”
不久的將來，從成本效益的角度來看，進(jìn)行大規(guī)模的提取可能更有實(shí)際意義。4 月份，弗吉尼亞理工大學(xué)研究院(位于弗吉尼亞州布萊克斯伯格)的科學(xué)家和工程師們宣布了一種依靠普通的糖(被稱為“木糖”)來提取氫的成本較低的方法。
此外，目前燃料電池使用鉑金作為催化劑的方式極為昂貴，高等院校、企業(yè)和政府的研究者們都在研究減少使用或者替代的辦法。他們還希望弄清楚，為什么發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)傳輸氧氣的過程會(huì)導(dǎo)致重大的電壓損失，從而影響到動(dòng)力系統(tǒng)的性能。
史維德•里昂相信，上述問題最終會(huì)得到解決，成本會(huì)逐步降下來，所以氫燃料電池可能會(huì)成為飛機(jī)推進(jìn)最有成本效益的方式。她說：“對(duì)軍方而言，如果你可以減少飛機(jī)起飛和降落的次數(shù)，就可以節(jié)約大量的費(fèi)用，而失去1 架飛機(jī)就意味著重大的損失。”
史維德•里昂和麥克克雷爾指出，制造出一種足以勝任作戰(zhàn)需要的強(qiáng)大的動(dòng)力系統(tǒng)最終還是要靠企業(yè)。波音、AeroVironment 等公司已經(jīng)在發(fā)展專用的氫燃料電池動(dòng)力飛機(jī)。2008 年波音公司宣布成功進(jìn)行了1 架有人飛機(jī)的試飛， 2012 年6 月成功進(jìn)行了“幻影眼(Phantom Eye)”高空無人機(jī)的試飛。AeroVironment 公司的“全球觀測(cè)者(Global Observer)”高空無人機(jī)2011 年曾進(jìn)行過試飛，在加利福尼亞州愛德華空軍基地上空持續(xù)飛行了約5 個(gè)小時(shí)。
史維德•里昂指出，美軍正在持續(xù)加大對(duì)包括低溫氫存儲(chǔ)庫在內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)力度，希望以國(guó)防部對(duì)傳統(tǒng)的JP-8 噴氣式燃料的方式為基礎(chǔ)打造全新的基礎(chǔ)設(shè)施。很顯然，低水平的氫燃料電池飛機(jī)的推廣，需要輻射面廣的基礎(chǔ)設(shè)施做支撐。
史維德•里昂說：“首先我們要有一個(gè)供無人機(jī)起飛的標(biāo)準(zhǔn)基地，在此基礎(chǔ)上，續(xù)航力的大幅提高意味著作戰(zhàn)樣式的改變。l 架飛機(jī)起飛后，可以在空停留幾個(gè)小時(shí)，需要時(shí)即可轉(zhuǎn)向調(diào)整。”
麥克克雷爾表示，未來海軍陸戰(zhàn)隊(duì)員、海軍艦員和陸軍士兵可能不再需要將小型無人機(jī)裝進(jìn)背包帶入戰(zhàn)場(chǎng)了。他說：“無人機(jī)可以預(yù)先部署在后方基地。作戰(zhàn)人員到達(dá)作戰(zhàn)地點(diǎn)可能需要半天的時(shí)間，這半天里他們不需要攜帶無人機(jī)，需要時(shí)無人機(jī)就會(huì)出現(xiàn)。”
麥克克雷爾表示，或許軍用卡車就可以裝載必要時(shí)可以在戰(zhàn)場(chǎng)上生產(chǎn)氫燃料的裝置。他說：“只有有電和水，我們就可以生產(chǎn)氫并進(jìn)行壓縮，達(dá)到每平方英寸5000 磅或者10000 磅的水平，可以是氣態(tài)氫，也可以是低溫氫。這個(gè)過程首先是水電解產(chǎn)生氫，然后是進(jìn)行壓縮。”
史維德•里昂和麥克克雷爾表示，這些事最終都要五角大樓來做。
麥克克雷爾說：“我們所能做的只是技術(shù)層面，不是戰(zhàn)術(shù)和需求問題。”
史維德•里昂說：“我們已經(jīng)向作戰(zhàn)部門傳遞了相關(guān)的信息，我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了由概念向驗(yàn)證的跨越，這是一個(gè)巨大的進(jìn)步。曾經(jīng)很多人說我們可能堅(jiān)持不了多久，但我們做到了。” 知遠(yuǎn)/陳傳明
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