研究人員確認，和使用生化燃料動力源的平臺相比，使用液氫燃料電池的無人機效率更高，且污染小，非常適應作為海軍未來的情報、監(jiān)視與偵察平臺。

美國海軍研究局戰(zhàn)術電子戰(zhàn)分部負責“離子虎”無人機項目的航空工程師約瑟夫•麥克克雷爾(Joseph MacKrell)說：“海軍對情報、監(jiān)視與偵察的需求正在不斷增長，無人平臺在目標上空待的時間越長越好，這樣就能夠提供越多的情報、監(jiān)視與偵察服務。”

麥克克雷爾表示，嚴格來說“離子虎”無人機目前還只是一個試驗性項目，軍方還沒有任何的終端用戶。他在這個項目上與海軍研究局的研究化學家和主要的調查者史維德•里昂(Karen Swider-Lyons)合作發(fā)展這項技術，促成研究成果。

史維德•里昂擁有化學博士學位。他說：“我們的結論是液氫燃料電池技術是可以投入實用的，但還需要克服很多困難。”

實際上，液氫燃料電池概念問世已經有一個多世紀的時間，但是此次“離子虎”無人機的飛行試驗還只是這項技術從“嬰兒”階段邁入“學步兒童”階段的關鍵一步。液氫燃料電池第一個重大的現代支持者是阿爾•戈爾( Al Gore) ，他在20 世紀90 年代擔任美國副總統(tǒng)期間將此項技術視為減少對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相關的研究項目提供經費支持，2003 年編列了12美元的預算。私營企業(yè)(大部分是自動化企業(yè))已經為這項技術的發(fā)展投入了巨額經費，截止目前已經有100 億美元左右。

史維德•里昂和麥克克雷爾以現有技術為基礎，充分吸收自動化企業(yè)已經獲得的研究發(fā)展成果，為“離子虎”無人機研制出了動力裝置。他們的研究開始于10 年前。2007 年“離子虎”無人機項目啟動，2009 年使用氣態(tài)氫作為燃料進行了首飛。這些燃料進行了壓縮，每平方英寸約5000 磅，存儲在南瓜大小的油箱中。這種無人機在首飛時的續(xù)航時間達到了24 小時。

因為氫燃料電池運用的電氣化學原理，所以不必通過燒毀過程來產生轉換成推力的能量。燃料電池的氫原子中分離出來的電子為外部負載的移動提供能量，比如說“離子虎”無人機的推進器就是如此。燃料電池從氫氣中分離出電子后，剩下的氫質子在燃料電池的另一面同氧氣結合形成水，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為，低溫的氫比氣態(tài)的氫更適合無人機長時間的飛行。不過實踐經驗表明，理論上的性能表現往往會和實際飛行中的性能表現有很大的差別。

2009 年研制團隊從無人機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認為，液態(tài)氫的密度要比氣態(tài)氫高出三倍，但事實并非如此。

麥克克雷爾說:“實際運用中，兩種氫的密度比達到不三倍。我們首次驗證的過程中，兩者的密度比達到兩倍。如果要考慮到燃料電池系統(tǒng)的復雜性，特別是電池組帶來的復雜情況，按照三倍理論研制電池組或者相應系統(tǒng)是不現實的。”

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)動機的優(yōu)勢仍然非常明顯。麥克克雷爾說：“汽油燃料的問題在于續(xù)航能力不足，剛開始的時候，海軍陸戰(zhàn)隊員看到便攜式無人機能夠持續(xù)飛45 分鐘就非常高興了。”

目前“離子虎”無人機的發(fā)動機每公斤燃料能夠產生2000 瓦特時的能量。在氫燃料電池普遍運用于發(fā)動機領域之前，研制團隊仍然要解決很多問題。比如說， 氫燃料電池生產成本很高，而且對雜質十分敏感。

麥克克雷爾：“碰上海霧沒有什么關系，但是如果氫燃料電池飛機吸入了海水，情況就糟了。雖然造成的破壞是可逆的，但是‘發(fā)動機檢查’的警示燈就會一直報警。大部分情況下， 發(fā)動機吸入了海水，就很難再繼續(xù)執(zhí)行任務。”

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起來并非易事。史維德•里昂說：“低溫氫非常昂貴，但使用價值很高?，F在生化燃料的供應站都不像充電器那樣普遍，更不用說液氫燃料的存儲和分配基礎設施了，氫燃料電池的運用還有很長一段路要走。”

不久的將來，從成本效益的角度來看，進行大規(guī)模的提取可能更有實際意義。4 月份，弗吉尼亞理工大學研究院(位于弗吉尼亞州布萊克斯伯格)的科學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)動機內傳輸氧氣的過程會導致重大的電壓損失，從而影響到動力系統(tǒng)的性能。

史維德•里昂相信，上述問題最終會得到解決，成本會逐步降下來，所以氫燃料電池可能會成為飛機推進最有成本效益的方式。她說：“對軍方而言，如果你可以減少飛機起飛和降落的次數，就可以節(jié)約大量的費用，而失去1 架飛機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)需要的強大的動力系統(tǒng)最終還是要靠企業(yè)。波音、AeroVironment 等公司已經在發(fā)展專用的氫燃料電池動力飛機。2008 年波音公司宣布成功進行了1 架有人飛機的試飛， 2012 年6 月成功進行了“幻影眼(Phantom Eye)”高空無人機的試飛。AeroVironment 公司的“全球觀測者(Global Observer)”高空無人機2011 年曾進行過試飛，在加利福尼亞州愛德華空軍基地上空持續(xù)飛行了約5 個小時。

史維德•里昂指出，美軍正在持續(xù)加大對包括低溫氫存儲庫在內的基礎設施的建設力度，希望以國防部對傳統(tǒng)的JP-8 噴氣式燃料的方式為基礎打造全新的基礎設施。很顯然，低水平的氫燃料電池飛機的推廣，需要輻射面廣的基礎設施做支撐。

史維德•里昂說：“首先我們要有一個供無人機起飛的標準基地，在此基礎上，續(xù)航力的大幅提高意味著作戰(zhàn)樣式的改變。l 架飛機起飛后，可以在空停留幾個小時，需要時即可轉向調整。”

麥克克雷爾表示，未來海軍陸戰(zhàn)隊員、海軍艦員和陸軍士兵可能不再需要將小型無人機裝進背包帶入戰(zhàn)場了。他說：“無人機可以預先部署在后方基地。作戰(zhàn)人員到達作戰(zhàn)地點可能需要半天的時間，這半天里他們不需要攜帶無人機，需要時無人機就會出現。”

麥克克雷爾表示，或許軍用卡車就可以裝載必要時可以在戰(zhàn)場上生產氫燃料的裝置。他說：“只有有電和水，我們就可以生產氫并進行壓縮，達到每平方英寸5000 磅或者10000 磅的水平，可以是氣態(tài)氫，也可以是低溫氫。這個過程首先是水電解產生氫，然后是進行壓縮。”

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層面，不是戰(zhàn)術和需求問題。”

史維德•里昂說：“我們已經向作戰(zhàn)部門傳遞了相關的信息，我們已經實現了由概念向驗證的跨越，這是一個巨大的進步。曾經很多人說我們可能堅持不了多久，但我們做到了。” 知遠/陳傳明