美国开发液氢客机技术，我国液氢应用何时蝶变？

航空业是全球温室气体排放的重要领域，约占全球碳排放总量的2-3%。随着航空旅行需求的增长，航空业的碳排放将持续增加，预计2020年全球航空排放量将比2005年高出70%；美国预计2040年航空碳排放将比当前翻倍。此外，对化石燃料的依赖意味着航空公司运营成本是不稳定的。

液氢飞机

NASA正在资助“低温高效飞机电气技术中心（CHEETA）”探索开发不产生温室气体排放的全电动客机的可能性。该项目由伊利诺伊大学领衔，探索液态氢燃料电池作为环保能源的潜力。通过使用低温液态氢，可以在不需要重型加压储罐的情况下产生清洁动力。这种转变可能为大飞机的研发以及航空商业带来革命性变化。

这不是美国第一次尝试液氢飞机项目。2012年，波音公司开发了一款液氢高空超长航时实验无人机，使用2台150马力2.3升排量的液氢发动机，由螺旋桨推进，可以携带202公斤载荷飞行整4天。但经过几年试飞之后，最终被放弃。原因在于通过传统发动机燃烧途径一旦液氢泄露起火温度超高，容易引发灾难性后果。

CHEETA项目平台使用低温液态氢通过燃料电池转化为电能驱动超高效推进系统。氢燃料电池以前曾被用于为汽车和火车提供动力，但含有足够高压氢气的重型汽缸难以在大型飞机上开展实际应用。通过使用液氢可以绕过这一限制，同时，运行液氢系统所需的低温可以允许同时使用高效超导能量传输技术和高功率电动机系统，为未来创建全电动客机铺平道路。

近年来，非低温机器和驱动器的进步使商用支线喷气机的电力推进更接近现实。但是，低温系统仍然是大型飞机的“圣杯”，因其具有卓越的功率密度和效率。工作原理类似于医院MRI扫描仪，即用液氦冷却机器的磁铁，直到它们获得产生高强度磁场所需的超导特性。然而，迄今尚未有将这种电源连接到大型飞机电驱动系统的应用。这正是CHEETA项目的意义所在，该项目将在三年内获得NASA约600万美元的资金支持。

液氢——太空探索的首选燃料

尽管备受争议且早期技术经历过失败，但驯服液氢被证明是美国宇航局（NASA）最重要的技术成就之一。氢气是一种轻质且极其强大的火箭推进剂，具有任何已知物质的最低分子量和极高强度（5,500°F）的燃烧性能。与诸如液氧的氧化剂组合，液氢可以实现任何已知火箭推进剂的最高比冲量。 

一般火箭上面级为了实现长期在轨的能力，多采用常温可贮存推进剂，燃料常用一甲基肼、偏二甲肼或无水肼，氧化剂常用四氧化二氮。这类剧毒常温推进系统的比冲最大约330秒，入轨、变轨能力相对还不是很强。液氢/液氧推进剂比冲可以达到450秒以上，而且无毒无污染。但液氢在太空中应用需要攻克热控和低密度难题，是上面级的皇冠技术。目前，世界各国的上面级大同小异，但说到最高能、安全记录最好，都会一致推举采用了液氢液氧作为推进剂的美国“半人马”上面级。随着美国宇航局准备首次太空发射系统（SLS）火箭和猎户座宇宙飞船，将人类送往低地球轨道，佛罗里达州肯尼迪航天中心的探测地面系统（EGS）正准备建造世界最大的液氢储罐。

目前，全球已经有数十座液氢工厂，液氢总产能约500吨/天。其中，北美占了全球液氢产能总量的85%以上。美国本土已有15座以上的液氢工厂，液氢产能达326吨/天以上，居全球首位，其分布多围绕NASA的航天设施展开。

云泥之别

液氢作为军民两用高端技术，美国此长期实行技术封锁。2015年，我国实现了火箭发射场用300m大型液氢罐的自主设计和小批量生产，打破了发达国家在液氢储存领域的垄断。对比之下，我国亟需加快液氢民用和项目示范，通过市场的力量进一步推动技术进步和产业化步伐。

2019年1月以来，中国商飞北京民用飞机技术研究中心、国家电投集团中央研究院、格力精密模具、北航航空科学与工程学院共同发起研制的“灵雀H”新能源无人验证机成功完成4个构型10架次的试飞任务。该机驱动力采用氢燃料电池混合动力技术，飞行平稳，全系统状态良好，符合仿真预期，作为动力源的氢燃料电池动力系统得到充分验证。

氢能利用长路漫漫，希望我国能够把握此次全球氢能发展机遇期，如灵雀展翅，一飞冲天。