超高空、超长航时是一个很重要的无人机研究方向，在这个方向上液氢动力乃是最佳选择。（虽然燃油动力同样能实现超长航时，比如才4t的“旅行者”就能在携带2个人的情况下不加油持续飞行九天九夜。但它因为过重是没法飞到超高空的，即使能靠减重或加大马力飞到超高空，也没法续航那么长时间。）
但是呢，对于超低温的液氢燃料来说，现有的发动机设计是无法发挥其最佳性能的。那么什么热力学循环设计的发动机才能充分发挥液氢燃料的性能呢？
超低温燃料在提升热力学效率上最好的方法就是进气预冷，通过液氢预先将空气冷却到大约一百多开尔文再进行压缩，就能大幅降低压缩功的消耗。当然因为空气被严重预冷，如果不搭配回热循环的话，热效率是很难大幅提升的。但要使用回热循环就会遇到这样一个问题：
活塞发动机是不适合使用回热循环的，因为其结构限制，回热器只能加热进入气缸前的空气/混合气，但接下来还要在气缸里继续压缩，如果之前就回热了，那么又会大幅增加压缩功，从而得不偿失。
但如果采用涡桨发动机的话，那倒是很容易搭配回热器，但是一来涡轮因为要持续做功，故而其耐热能力比气缸、活塞差得多，这就降低了燃烧温度，从而导致热效率无法达到最佳。二来涡轮发动机在低工况下热效率较低，这将大幅增加巡航能耗。
▲波音公司研发的液氢动力无人机“幽灵之眼”，或称“鬼怪眼”。
“piglet”回复：洗洗睡吧，液氢就不可能超长航时，挥发的损失，保温材料的重量，单位体积燃烧热都是悲剧。
“卖哥”回复：高空长航时的终极方案难道不是太阳能电池+蓄电池？
“深潜者”回复：这是一个流传久远的误区了。液氢燃料汽车不能这么玩是因为它在不用的时候也要装满液氢，这样如果停上一星期，液氢就基本蒸发殆尽了。
但对飞机来说可不是这样！飞机在不飞行时不需要储存燃料，而在起飞后反正都要燃烧氢气，那些因为吸热气化的氢当然有地方利用了。正因为如此，液氢飞机的储氢罐还不需要非常高的绝热效果呢。参照液氢燃料汽车蒸发率约10%/日，储氢量5kg计算，如果液氢飞机储氢量625kg的话，就算绝热层厚度与液氢汽车上的一样薄，那蒸发率也才2%/日而已，显然还没发动机消耗得多。
波音的鬼怪眼飞机，只用空重320kg的绝热储罐就能储存840kg液氢。至于体积燃烧热，这种超高空超长航时液氢飞机飞得又不快，就算有个巨大的机身又如何呢？
即使一切正常不出问题，太阳能飞机也就最多能飞一个夏天而已。其他季节日照不足，是没法支持太阳能飞机长期飞行的。当然这是基于现有的20%光伏电池和最多400Wh/kg锂硫电池说的。当然太阳能飞机最大的问题就是它的尺寸实在是太大了，一架翼展72m的太阳能飞机重量才是翼展46m的鬼怪眼液氢飞机的一半。因此它只适合执行月季级的低功耗任务。与液氢飞机的生态位还是有所区别的。
关于活塞发动机回热的问题或许可以这样：通过氢气作为媒介，先用氢气预冷空气，再将预冷后的氢气通过回热器吸收发动机排气的热量，而后在压缩冲程后将热氢气喷入气缸内燃烧。
“wanghrobin”回复：活塞机要上超高空，一定要加增压，说不定得两级...液氢的气化换热可以用中冷器来作为热源。
▲“幽灵之眼”
“深潜者”回复：20km貌似得三级才行，当地气压只有地表的7%。
至于用不用中冷，这个得具体算算，因为液氢才20K，完全可以在压缩前对大约220K的进气进行预冷嘛。俺寻思预冷完说不定就不需要再中冷了。毕竟预冷对压缩功的降低比中冷效果好多了，汽车用中冷是因为它们没有低温冷却剂，只好把空气压热了再冷却。
液氢的汽化热为457.8KJ/kg，氢气恒压比热容14.19KJ/kgK，空气的恒压比热容是1.004KJ/kgK。（当然正常比热容会随温度变化，所以这里只是大致估计下）
对于活塞发动机，燃烧温度不是限制，故而可以按照化学当量比燃烧。此时1kg氢气对应约36kg空气。假设预冷器采用逆流换热，入口进入的是20K氢气（考虑到储氢罐漏热，或许很多氢气不需要加热液氢就能获得，因此这里按照气化后的算）和220K的空气，假设出口氢气温度200K，则出口空气温度约为150K。再假设采用理想绝热压缩将压力增加到16倍，按照1.4的比热容比计算，压缩后空气温度约为330K。嗯，看起来确实得在涡轮增压与活塞机之间放一个氢气冷却的中冷器了。
“红黑对角线”回复：准备飞多高?云顶之上受天气影响不大的，太阳能是个好选择。
“深潜者”回复：超高空自然是20km以上，太阳能的问题是功率密度太低了，1m2光伏电池在24h内能收集的电力也就是1.5kWh而已。如果液氢飞机的液氢运载量/机翼面积能达到1.5kg/m2的话，按照太阳能飞机的飞法至少能飞2星期，这还是假设用现有的发动机，没有基于液氢特性做冷却系统改造的。
“apefrank”回复：直接用小涡扇不行么？
“深潜者”回复：超长航时呀！用涡扇了还怎么保证航时？液氢动力超高空超长航时无人机的巡航速度不到200km/h，这么慢哪能用涡扇呀。
“hu14againagain”回复：鬼眼刚完成一个超长航时试飞没多久。
“avatar”回复：复合动力，反正高空低速机都是大翼展，不上太阳能那是浪费。然后用氢燃料电池，那就是保留电机就可以了。
▲美海军“离子虎”液氢动力无人机
“深潜者”回复：从技术上看应该是不行的，以鬼怪眼为例分析下，其重量约为4240kg，翼展46m，机翼面积未提及，假设展现比23的话，机翼面积就是92m2，假设全铺设光伏电池，发电效率20%，那么一天的累计发电量就大约是138kWh。相比之下据估计，鬼怪眼能携带840kg液氢，飞行>96h，那么每小时消耗液氢8.75kg/h，功率高达125kW（假设热效率36%）。 显然太阳能获得的电力太少了，基本上无济于事。除非继续加大机翼并降低巡航速度，但这么做的话就变成了白天靠太阳能发电驱动，晚上烧液氢的太阳能飞行器了。与靠电池储能，每个白天都能充电的方案比似乎又没有优势。
“avatar”回复：这种大展弦的飞机可以视为装了动力的滑翔机，航时优先，速度不重要，反正顶天了也就一两百，以环球的阳光动力2号为例，翼展72米，其四台电机功率50KW左右，白天阳光充足太阳能电池能提供最大70kw发电功率，支持全功率输出和电池充电，爬升到高空，夜间滑翔到低空降低消耗，夜间输出功率只有几千瓦，就维持航向而已，从高空滑下来就要好几个小时。实际飞行中，全天平均输出功率15kw。这飞机载荷是600多公斤电池和装了两个人的控制舱的。
如果是军用无人机，理论上可以做到无限续航。大部分情况下用太阳能，白天爬升至2万米以上高空，晚间自由滑翔到七八千米高度。用燃料电池替代部分锂电，主要就是提高任务的灵活性，特别是夜间机动能力。等燃料电池耗完就算任务能力结束返航。
“深潜者”回复：俺查到的资料是阳光动力II的光伏电池面积约270m2，日发电量仅340kWh（全天平均可用功率仅14kW，注意这里的70kW仅仅是峰值功率，一天等效峰值光照时间也就5h）。飞行速度20~77节（相比之下鬼怪眼好像是150节）。此外它的飞行高度很低呀，也1500~8500m，只有在较低的飞行高度上才能凭借较低的飞行速度降低能耗，要是飞到10~20km的话，这点电就远远不够了。 嗯，照这个能耗计算，如果把光伏电池和锂硫电池系统都换成液氢罐与发动机的话，假设储氢336kg，发动机能耗70g/kWh，那么按照14.3kW的持续功率，能续航两个星期。这个性能怎么说呢，与太阳能飞机比还是不行呀。
至于夜间机动能力，阳光动力II的锂硫电池貌似有630kg，比能量高达260Wh/kg，也既电池储能164kWh，相比之下7000m落差带来的动能大约是7000×2300×10J=45kWh，的确仅仅是勉强够用。
如果将锂硫电池换成液氢动力系统，然后白天只靠爬升储能的话，按照前面的计算336kg液氢能支持29天，比前面的计算多了一倍多，但也不算是很理想。毕竟这是把性能维持在太阳能飞机上所获得的结果。当然如果不用给电池充电的话，飞机就有更多的富余能力继续爬升和维持白天的高空平飞了，假设落差储能效果因此提高2倍（从1500m到22500m），同时平均能耗增加30%，那么一夜中需要氢动力支付123kWh，飞行时间约39天。
▲国内自主研发的“彩虹”，太阳能动力无人机
“avatar”回复：阳光动力II的驾驶舱无加压，不敢飞太高，再高人受不了，就那个翼型2万米很轻松，平流层速度还更高，而且有风速上百的借力了。我举这个例子主要想说明维持这种飞机的功率要求很低，不像你前面提的百多千瓦不太必要。
夜间飞行时，阳光动力II是用势能换时间，一晚上下降约6-7千米，并不是一下子跑低空去的，低空空气阻力还大呢不过有上升气流。如果是在2万米高度，那下到1万米也就够了，一直在平流层也比较平稳。
而且这种类型无人机可改进的地方还比较多，比如改联翼，翼展控制到40米左右，就对机场要求没那么高。电池其实容量有3-500KWH就够了（阳光动力II超过1000KWH了，正常无阳光也能开3天，主要是有人冗余度要设计得高），加上氢/甲烷/天然气的燃料电池，任务灵活性就高，避免天气的影响。
“深潜者”回复：嗯，阳光动力II作为有人机不太适合分析，还是换“西风7”吧？
这个虽然很小才53kg，但在天上一次能飞336h，好像还是最久的。电池重16kg（WiKi上说是西风8电池重24kg，比前代重50%，如果比能量是300Wh/kg的话，则储能4.8kWh），飞行功耗<900W（具体多少不好说，因为如果假设光伏电池面积20m2，则日发电量高达25kWh，都够全程将电动机开到最大的。），假设昼夜落差10km，则重力储能1.47kWh。假设能将电池换成10kg液氢，那么相当于143kWh。假设重力储能够支持夜间25%的能耗，那么也就能支持最多32天的。
您这个1000kWh的数据是从哪里来的呀？就算采用比能量高达400Wh/kg的锂硫电池，那也要2.5t电池才能达到1000kWh的储能好不！而阳光动力II一共不才2.3t。
“Scat”回复：液氢试验机已经证明不理想了。
“深潜者”回复：能具体说下不？主要有什么问题？
阳光动力II的巡航动压大约是84.5Pa，如果飞高到20km，那么巡航速度得达到85节才行。此时的巡航功率与在8500m比就大了快2倍，差不多是40kW了（假设升阻比不变，螺旋桨推进效率不变，则功耗大致与速度的一次方成正比）。此时白天的时候飞机光伏电池提供的能量就只够平飞的，没法在爬升了。也既光电不足时没法再靠缓慢下降的滑翔省力，只能全由液氢动力提供平飞支持。
也既此时对于太阳能/液氢复合动力飞机来说，太阳能也就是提供了大约30%的“节能”效果（白天不用消耗液氢了）。
▲美“全球鹰”无人机
“Scat”回复：个人觉得甲烷动力似乎更合理一些。
“深潜者”回复：甲烷的问题是它的低位热值仅仅比燃油高了25%，但因为要深冷储存又不能放在机翼里。结果就是两边都不靠呀！
也就是M6水平的极音速吸气式飞行器考虑用这个比较好吧？一来密度起码比液氢高了5倍，二来也有足够的冷能给环控系统用，三来裂解吸热效果比燃油好。
“avatar”回复：阳光动力2是为纯太阳能优化的，翼展偏长了速度上不去
如果设计平流层型，速度更快一点，不完全依靠太阳能，翼展就不用那么大了，阳光下达到20千瓦左右发电量可以了（4、50米翼展支持4吨级没问题），无人的话载荷压力也可以减小。爬升就用燃料辅助，滑翔就用太阳能，而且平流层爬升可以利用西风。
“深潜者”回复：对于这些缓慢的飞行器来说（从马赫数上考虑），没有什么翼展大速度就上不去的问题吧？
俺前面算了，飞得越高，空气密度就越小，为了保证升力就要飞得更快，而升阻比又不可能增加，故而推进功率就要更大。当然要是从巡航里程考虑的话，那就是不用管功率和速度，只看升阻比就行，只要升阻比不变，续航里程就是一定的。因为对于这些缓慢的飞行器，只要螺旋桨一直按最佳效率优化，那么所需推力就与速度无关（因为可以按照最节能包线飞行，飞得快自然要飞得更高，此时动压一定，马赫数又一直很小，可以保证升阻比基本不变）。此时功率就与速度成正比，这就导致了无论飞多快，续航里程也不变。
想要超长航时的话，就应该飞得低一些，这样速度慢，功耗就少。
“Scat”回复：无人机本来也没有往机翼里储油的，甲烷内燃机技术无比成熟，储罐不需要压力也没必要做圆的，如果其凝胶隔热材料成熟了也可以塞到机翼里，甲烷又很便宜，而且2万米高空差不多也负一百多度了。
“深潜者”回复：20km高空才-56℃好不，中低纬度大气层的任何地方从来没有-100℃的呀！
不是说11~20km高空最冷，大约是-56.5℃，再往上有慢慢变高吗？
“Scat”回复：干脆做成甲烷发电-太阳能-电动，估计续航一周应该没啥问题。
说好的1千米6度呢，我特么昨天爬1千米的山白感冒了。
“深潜者”回复：如果不坚持20km超高空巡航这个指标的话，实现一周巡航轻轻松松，毕竟区区4t的燃油飞机带两个人都能飞九天呢。
但要是加上20km这个要求就不好说了，这里就假设鬼怪眼换成甲烷动力的分析一下吧：
据说鬼怪眼空重3200kg，有效载荷200kg，载液氢840kg，要是换成LNG估计能有5040kg，这样起飞重量就从4240kg增加到8440kg，巡航速度得从150节增加到212节，开始阶段的巡航能耗从134kW增加到376kW。按照类火箭方程计算，巡航时间约为120h。
这个这么说呢……粗暴的增加了4t燃料后，飞机不可能不需要加强吧？如果空重要因此增加的话，区区20%的航时优势就又要打折扣了。如果大幅增加机翼面积使翼载恢复到原来的程度，从而靠降低速度来保证比功耗不增加的话，飞机重量更是会急剧增加。与原来较轻的液氢鬼怪眼比就不慎公平了，毕竟后者要是增加液氢罐尺寸，性能提高还会更明显。
本文作者：深潜者
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