2022年氢燃料电池产业高峰论坛
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氢能故事 | 氢能飞行器,展开人类飞翔的翅膀


作者:李铭沨

编辑:郑贤玲

除了现实,人类还需要多一些梦想。看了铭沨这篇关于氢能飞行器的文章,对于航空领域的氢能应用可以简单地概括为:“因为轻,所以氢;因为清,所以氢。”人类对飞行的梦想一开始就源自氢。
早期的飞行器热气球和飞艇用到氢是因为氢很轻,可以在空气中浮起来;而后来的火箭、商用无人机甚至是大型飞机对氢能的应用和研究则是基于清洁能源的要求。氢作为能源最早用于航天发射,现阶段商用无人机的长续航里程正在将燃料电池产业化变为可能,氢在民用航空领域的应用再一次开启,期待人类氢能飞行的梦想早日实现。
——郑贤玲
人类对于天空的向往,自有历史文献记载以来就从未停止过,而从魏晋时期中国发明风筝开始,飞行器就成为了人类文明中的一项重要发明,而氢,在人类航空航天的探索历史中一直以来也都扮演着重要的角色,虽然其中也因为一些安全事故造成了无法挽回的损失,然而不可否认的是,现代航天航空的安全,往往都是建立在这些惨痛的历史经验之上,而且虽然如此,氢气和氢能也从来没有从航空航天产业中离开过,从某种层面上来说,氢能给了人类“飞翔的翅膀”。

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从热气球到飞艇

诚然,风筝是最早的人类飞行器,且我国的孔明灯和天灯原理也和热气球近似,但是最早的载人飞行器还是1783年由法国造纸商发明的热气球,也由此开创了人类载人飞行的历史。而在热气球成功之后,同年12月,法国物理学家夏尔和氢气球制作者罗伯特兄弟也成功完成了首次氢气球载人飞行43公里的实验,浪漫的法国人这次把自己的浪漫主义充分发挥到了对天空的向往之中,而氢气也从此伴随着人类的航空航天事业的发展。

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夏尔和罗伯特兄弟的第一个载人氢气球

在热气球和充气气球成功实现载人飞行之后,人们迫切的想要一种可以操作更便利,航行距离更远的飞行器,由此,根据热气球和充气气球的改进产物——飞艇,逐渐成为了人们在天空追逐的继任者,而由于热气球本身需要通过燃料来实现升空和滞空,如果再加上推进装置所需的燃料,因此在燃料方面很难实现长距离的航行的需求,而氢气球由于在充气后可以长期保持滞空效果,因此19世纪初期的飞艇大多都采用了氢气作为升空媒介。
但是由于氢气的不稳定性,再加上当时的气球的主要蒙皮材质为纸质或棉质,以目前的眼光来看这无疑是自杀式的飞行方式,但受限于材料学和化学发展阶段,这已经是当时的最高技术水平了,人们对飞行的探求导致了众多的安全事故。不可否认的是,这也开创了早期的超长距离载人飞行的历史,也让横渡大西洋不再是梦。
很多人问为什么不用更安全的氦气而是使用氢气,这方面的原因主要是当时的氦气产量非常低,而氢气已经进入了工业生产阶段,可实现大量的生产,也因此氢气相对来说更加现实且经济,1923年首飞的美制飞艇谢南多厄号为第一架使用氦气作为填充的飞艇,而当时为了填充这架飞艇几乎用掉了全球储备的大部分氦气,甚至到后来洛杉矶号飞艇交付需要氦气填充时要通过向谢南多厄号借氦气才行。

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齐柏林公司设计的飞艇如今似乎已成为“飞艇”的代言
1937年的兴登堡号(LZ-129)空难后,哪怕此前兴登堡号曾在1936年内一年飞行横跨大西洋17次,但是依然让人们对飞艇几乎彻底失去了信心,以至于在飞艇的黄金年代,氦气飞艇还没有发展起来,飞艇业就已经逐渐走向了陌路,可谓成也萧何败也萧何,氢气曾经实现了人们长途飞行的梦想,又自己将这个梦想彻底粉碎。虽然飞艇业在20世纪80年代后伴随着材料学的进步和氦气成本下降稍有回暖,但是随着飞机的大量普及,飞艇更多是用于旅游观光和商业用途,已经不再扮演交通工具的角色。
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兴登堡号事故不仅让飞艇行业折戟,也让大家认识到飞行安全的重要性

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液体燃料推动火箭发展

时间很快来到了第二次世界大战,由于科学技术的突飞猛进,战争的烈度已经上升到了一个人们从未想到过的程度,残酷的战争,摧毁了人们生活的家园,夺走了大量的生命,但是却加速推动了技术的发展,每个阵营和国家都希望推出更具威力的武器,从而夺得战争的主动权。从一战到二战,武器装备的进化是显而易见的,而在二战期间,除了核武器的诞生,还有一种改变了人类发展进程的武器诞生了——飞弹。
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二战时期设计的飞弹成为了现代火箭和导弹的基石
现在我们都知道,一个国家的导弹水平,也标志了这个国家的火箭水平,而早期的导弹由于当时没有精确的制导功能,因此更多被称为飞弹,在飞弹的诞生除了推动火箭技术的发展外,同时也开创了液体燃料火箭推进器的发展,而这项技术正是目前全球航天器发展的基础。虽然二战前美国和苏联都开始了相关项目的研制,但真正推动这项技术发展的,正是曾经在二战时夺走了无数人生命的V-2火箭。
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实验中的V-2火箭
V-2火箭由德国科学家冯·布劳恩的团队研发,采用酒精/液氧作为发动机的燃料,在德国投降之后,冯·布劳恩的团队投降并携带技术图纸前往了美国,苏联也在当时获得了部分V-2火箭的部件和生产设备,二战结束后,通过改进升级V-2火箭的技术,美国和苏联也相继推出了改进型产品。
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韦恩赫尔··布劳恩(1912-1977
美国火箭发动机制造商根据V-2火箭的技术研发了A-6A-7火箭发动机,并搭载在了美国第一款弹道导弹——红石导弹(PGM-11)之上,红石导弹的发动机后来也被搭载在了朱诺1号运载火箭上,并成功发射了美国第一颗人造卫星探险者一号,1961年搭载A-7发动机的水星-红石运载火箭完成了美国首次载人亚轨道太空飞行任务。
而苏联则是在格鲁什科的领导下成立了OKB-456火箭设计局,专门负责复原V-2火箭的技术,并成功研发了RD-100火箭发动机以及R-1导弹,也因此R-1导弹被人称为“苏版V-2”,此后在RD-100发动机的基础上又开发了RD-107RD-108火箭发动机,并作为人类第一颗人造卫星——卫星一号的运载火箭发动机,此后也作为人类首次载人航天东方号的运载火箭发动机,成为了人类航天和火箭发展的先驱,而之后的联盟号,上升号等火箭都采用了该发动机作为运载火箭。
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国外几款火箭发动机的对比
在技术逐渐成熟之后,液体燃料火箭推进器逐渐也有了不同的类型,比较常见的有:液氧/煤油,液氧/液氢,四氧化二氮/偏二甲肼,以及近年来火热的液氧/液态甲烷发动机。其中技术最成熟的是液氧/煤油发动机,随着我们对原油开发提纯技术的进步,液氧/煤油发动机很快替代了液氧/酒精发动机,也多次完成了人类历史上重要的航天任务。
但是液氧/煤油发动机有两个主要问题,一个是燃烧后会出现结焦的情况,简单来说就是类似汽车上的积炭问题,容易形成堵塞,另一个则是液氧/煤油的比冲较低,比冲指的是单位推进剂产生的冲量,简单理解比冲就是类似发动机的出力,比冲值越高自然是越好,而液氧/煤油发动机的比冲相对其他发动机较低,而理论上比冲最高的则是液氧/液氢发动机,这也是我国近年来大力发展液氧/液氢发动机的原因之一,虽然近年来我国在航天领域不断取得骄人的成绩,但是就主流火箭长征5号搭载的YF-77液氧/液氢发动机的数据来看,还距离其他国家的火箭有一定的差距,这也是我国深耕液氧/液氢发动机的原因之一。

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全球主要氢氧发动机数据

而液氧/液态甲烷发动机则是近年来最为火爆的一个方向,虽然其理论存在了很久,美国和苏联都曾经做出了样机,但是都没有真正进行过发射,直到SpaceX的猎鹰火箭出现,采用全流量分级燃烧循环方式才将这个理论变为了现实,而就目前来看,液氧/液态甲烷发动机几乎没有什么短板可言,虽然相对液氧/液氢发动机的比冲较低,但是其成本较低,体积较小,可以通过搭载多发的方式来弥补这一点不足,并且可以反复使用,是马斯克为了实现火星登陆的重要工具。
我国目前在液氧/液态甲烷发动机领域也有所突破,2019年蓝箭航天的天鹊(TQ-12)试机成功,标志着我国继SpaceX的猛禽和蓝色起源的BE-4后拥有了全球第三台液氧/液态甲烷发动机。从目前我获得的各方民间咨询来看,除了技术相对来说难度较高外,液氧/液态甲烷发动机无疑是相对最为理想的,从经济性,耐用性,综合性能方面来看几乎没有短板,不过由于目前来说应用相对较少,还需要进一步观察其实际表现来下结论。
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火箭燃料的不同循环方式
而至于液氧/液氢虽然在目前来看并不是最完美的火箭发动机,但是不论是其曾经创造过的辉煌,还是随着技术进步成本不断降低,安全性进一步提高所带来的效益,不仅其地位无法被轻易否定,甚至在未来依然让人对其充满了期待,毕竟我们都想看看最高比冲的理论能否成功实现嘛。

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翱翔天际,氢能飞机是不是未来

不同于飞艇和火箭,飞机已经是我们目前主流交通工具,因此除了要照顾到经济性,安全性等方面,随着目前碳排放压力以及欧洲能源压力遽增的前提下,在不改变安全和经济的前提下,寻求更加经济环保的能量来源就成了现代航空业的重要课题之一。
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美联航公布的航空业二氧化碳排放
根据航空业的调查,截至2019年,飞机的碳排放量为9.15亿吨,占全球碳排放量2%-3%,在过去的20年里,飞机的碳排放量增加了近40%,而飞机运送单一乘客的二氧化碳碳排放成本约为巴士的2倍,铁路的6倍,而由于近年来锂电行业火爆,也有不少人提出了电动飞机的概念,那么电动飞机到底可不可行?我个人的回答是,行,也不行!而行还是不行,要根据飞机的实际用途来下结论。
从汽车行业来看,电动汽车虽然相对于传统燃油汽车在全生命周期的碳排放量有所下降,但是在某些技术指标上来看,电动汽车有一些相对较为敏感的“硬伤”,其中之一就是重量,拿本田的2022CRV电动版和汽油版来进行对比,电动版的CRV(低配)整备质量为1998KG,而汽油版的CRV(低配)整备质量则是1608KG,接近25%的差别,这样的重量区别在汽车上可能可以通过电动机的扭矩优势和材料来进行弥补。
而这只是汽车的重量差别,根据日本航空机开发协会的估算,实际上如果要使一架波音737飞机采用电动的方式升空,其需要的电池重量约为50吨,而737家族中最“重”的737-900ER,空重也才44.6吨,而起飞重量为85吨,落地重量为66.4吨,航空燃油会在空中消耗减轻飞机的落地重量,可是电池并不会因为能量的损失而降低重量,这导致如果大型飞机采用电池作为动力,起飞和降落都将成为更为严峻的挑战。
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波音737系列的稳定进近对重量给出了严格的标准
不过电动飞机仍然是轻型飞机的一个发展方向,这也就是电动飞机的可行性,英国飞机发动机巨头罗尔斯·罗伊斯,美国的MagniX,以及NASA目前都在开发轻型的电动飞机,因为轻型飞机续航要求相对较短,载客相对较少,其整备质量差更接近于汽车的整备质量差,而这些恰恰可以通过牺牲部分载客量或是提升电动机的扭矩来进行弥补,因此根据航空业内预估,大概2023-2024年,小型中短途电动飞机就可以得到部分应用。
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罗尔斯·罗伊斯的电动飞机
而对于中大型的飞机来说,如果采用电动的方式,以目前的马达和电池技术来看还不太现实,因此更多的厂商将目光都放到了氢动力上,而在氢动力的探索上,主要是液氢和合成燃料两个研究方向。
以欧洲的AIRBUS(以下简称空客)为例,其氢动力项目Zero Emisson就是瞄准了中大型客机市场,而该项目早期的发展方向主要为液氢,而目前空客的液氢项目已经在地面通过A380-MSN1试验机进行了多次实验,并预计在2035年投入使用,近日空客还和阿丽亚娜集团合作开始了液氢飞机的加氢站,预计2025年正式投入使用。
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AirbusArianeGroup合作开发的液氢加氢站项目(效果图)
除了液氢项目,202211月,空客还对外公布了自己的燃料电池发动机项目,目前该项目并没有太多详细的数据资料,但是从公布的图片来看,这是一款涡桨发动机,据空客网站介绍,该涡桨发动机搭载的是以PEM技术为主的燃料电池,然而除了这些之外空客并没有公布更多的细节和信息,不过不管是燃料电池还是液氢燃料,从空客公布的内容来看,其发展速度目前看来都不慢,特别是其最新建设的加氢站项目,我不知道能否大胆预估以下,这是否是为了进行飞行测试而提前进行的准备工作呢。
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Airbus发布的燃料电池涡桨发动机
合成燃料是另一个氢的载体,国际能源署(IEA)《2022年全球氢能评估报告》称:2021年,德国非营利组织Atmosfair启动了首个使用可再生电力产生的氢气生产合成燃料的项目,其中包括与汉莎航空公司签订每年2.5万升合成煤油的采购协议。其他合成燃料生产项目已经在西班牙(10兆瓦)和智利(1兆瓦)开始建设,预计将在未来几年内投入运营。2021年,德国、荷兰、挪威、葡萄牙、南非和瑞典也宣布了规模较大但处于早期开发阶段的项目。
如果目前正在开发的所有项目都能实现,到2030年,它们每年可生产超过20亿升合成煤油,这将有助于取代航空领域类似的油基煤油消费,从而减少相当于2021年全球航空领域油基产品需求的近1%。

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氢能加持下无人机市场现状

其实在20224月我曾经专门写过一篇关于氢能无人机的文章,文中已经将氢能无人机的优劣势做过分析,近一年的时间,氢能无人机的发展已经逐步从实验研发阶段进入市场探索的初期阶段,我很欣喜的发现部分厂商的产品目前已经成功上市,并且产品从我们之前预估的军用和商用产品逐渐开始走向了应用更为广泛的民用级产品。
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斗山创新的DS30W已经支持多种云台,可满足不同需求
如韩国的斗山创新(Doosan Mobility Innovation),在翻阅其官网时发现其产品DS30W已经是一款可以面向摄影市场的产品,并且可以搭载多种云台,这无疑已经是一种全新的尝试,虽然目前看来斗山的DS30W还存在体积相对较大,相对成本较高等问题,但是考虑到燃料电池市场目前的发展速度,我想氢能无人机在未来进行“减重”的可能性会非常高。

斗山与国内工业无人机企业合作的六旋翼氢燃料电池无人机DT30N于 2022年9月完成了我国公安部安全与警用电子产品质量检测中心的检测,并取得了检验报告。

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多旋翼氢燃料无人机DT30N型 检验报告

除韩国外,美国、英国、西班牙、爱沙尼亚等国家都在燃料电池无人机上开始了应用研究,其中位于英国的智能能源公司是无人驾驶飞行器( 无人机)轻型 PEM 燃料电池模块的领先制造商,其产品已在美国和日本推广
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国外主要无人机燃料电池供应商。资料来源:无人机界《行业动态 | 国外氢燃料无人机研究成果分享

在国内,2021年12月13日,国网温州供电公司一架氢能多旋翼无人机实现2个多小时的不间断巡视,顺利完成了对500千伏望南线的通道自主巡检作业。除国家电网线路巡检外,氢能无人机还在冬奥会、中海油海上油气设施巡检等多个领域示范应用。

2022年国内氢能无人机应用包括:冬奥会期间国电投氢能无人机应用于电网运检中;10月,氢航科技杭州研发中心竣工,将用于氢动力无人机等轻量化燃料电池的生产应用;暗流科技也在10月发布了新款氢能源长航时行业应用无人机产品—AD1无人机;11月,哈尔滨工业大学重庆研究院宣布自主研发的“青鸥30”、氢动力六旋翼无人机等多款无人机量产在即。

2021年12月发布的《深圳市氢能产业发展规划 2021-2025年》就提出:至2025年,深圳市氢能无人机示范应用不少于100架。2022年3月23日,国家发展改革委发布的《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》中也首次提到“要积极探索燃料电池在航空器领域的应用,推动大型氢能航空器研发。” 

目前国内氢能无人机的参与企业包括国电投氢能、氢航科技、新创氢翼、济美动力、暗流科技、攀业氢能、众创新能、韩国斗山等。

氢能无人机虽然目前依然处于非常早期的阶段,但是从2022年下半年开始,燃料电池行业有了突破性的进展,而作为氢能无人机未来的动力来源,燃料电池在技术上的不断突破,自然也会改变无人机市场的格局,目前对氢能无人机持否定态度的部分观点主要为:成本高,不安全,体积大等观点,但是其实这三个问题,放到早期的锂电无人机产品也是很常见的事情。
抛开军用和商用产品先不谈,就单说大疆早期的产品悟和精灵,也存在这些问题,无人机的安全也是建立在数据和飞控单元的不断升级之上,还记得当年论坛里的“大疆百炸”,再看现在大疆的产品力,我想其实每一个行业的发展初期,必然都是伴随着怀疑和争议的,但是只要技术路线符合大家的需求方向,并且整个产业链处于上升阶段,很多问题都会在未来的发展中逐步得到相应的解决方案,对氢能无人机,我们也会持续保持关注。
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回顾人类追逐天空的这200多年,氢不仅是一个先行者和探索者,也是持续推动产业发展的一个重要角色,尽管中间的过程我们付出了很多惨重的代价,但是换来的却是无价的经验,这些经验成为了航空业安全飞行的支柱,成为了我们探索星辰的动力,也成为了未来我们留给后代的财富,氢能虽然饱受争议,但是依然用它自身的能量不断推动着行业和世界的发展,我并不是为氢能去写什么赞歌,但是我认为,承认它是一个优秀的能源,也并没有那么难,起码它曾赋予了我们一双挑战天空的翅膀。
(所有图片来自互联网)

原文始发于微信公众号(产业观察者):氢能故事 | 氢能飞行器,展开人类飞翔的翅膀

大家好,艾邦氢能源技术网(www.htech360.com)的微信公众号已经开通,主要分享氢燃料电池堆(双极板,质子膜,扩散层,密封胶,催化剂等),储氢罐(碳纤维,环氧树脂,固化剂,缠绕设备,内层塑料及其成型设备,储氢罐,车载供氢系统,阀门),制氢,加氢,氢燃料汽车动力系统等相关的设备,材料,配件,加工工艺的知识。同时分享相关企业信息。欢迎大家识别二维码,并通过公众号二维码加入微信群和通讯录。 艾邦氢能产业链通讯录,目前有2200人加入,如亿华通、清极能源、氢蓝时代、雄韬、氢牛、氢璞、爱德曼、氢晨、喜马拉雅、明天氢能、康明斯、新源动力、巴拉德、现代汽车、神力科技、中船712等等,可以按照标签筛选,请点击下方关键词试试 资料下载:

作者 808, ab