带回氢气提升气

据估计，世界上只有 25 艘飞艇仍在运行。目前尚不清楚该估计值是否仅指适当的非刚性飞艇，还是包括例如固特异的三艘“飞艇”，它们根本不是飞艇，而是半刚性飞艇。无论哪种方式，飞艇都是濒临灭绝的物种。您可能还记得氢对大众媒体最具标志性的贡献，因为它是兴登堡灾难中在火焰中喷发的升力气体。事故造成机上 97 人中的 35 人死亡，另外还有新泽西州莱克赫斯特的一名地勤人员。尽管在 1930 年代，航空运输人员的死亡事故并不少见，但有史以来最大的飞机起火的新闻短片以及赫伯特·莫里森 (Herbert Morrison) 令人难忘的目击者同时感叹：“哦，人类。”令人难以忘怀的图像标志着飞艇时代的结束。但即使在 1937 年兴登堡爆炸之前，就有一些反对氢气的特殊利益集团：氦气游说团体。当 1900 年代初发现氦与天然气混合时，矿业局看到了为自己建立一个小帝国的机会。在 1922 年国会前的一次示威中，一名主席团代表点燃了两个派对气球——一个充满氦气，一个充满氢气。氦气球轻轻放气，但氢气气球爆炸了。国会议员大吃一惊。他们怎么能要求飞行员乘坐充满如此明显不安全的起重气体的飞艇？有趣的事实：纯氢不会燃烧。它需要一种氧化剂——就像空气中的氧气一样。氢气和空气的混合物与 4% 到 75% 的氢气会燃烧。或多或少的氢，它不会。在 1969 年一本讲述氦气行业早期的书中，矿业员工克利福德 W.赛贝尔几乎承认在国会前的演示中向氢气球充气——也就是说，故意误导国会以确保其获得更大的权力。机构。诡计奏效了。国会禁止在美国军用飞艇舰队中使用氢气作为起重气体。 1925 年的氦气法案禁止出口氦气——现在是一种具有重要战略意义的材料——并赋予矿业局广泛的权力来控制氦气的生产，有效地建立了国家氦气储备，这只是在逐步停止运营。除了易燃性之外，氢气和氦气还有其他一些区别。在 0ºC 和标准大气压下，氢气的密度为 0.0899 kg/m 3 ，而氦气的密度为 0.1785 kg/m 3 。在相同条件下，空气的密度为1.293 kg/m 3 。这意味着在 0ºC 天的海平面上，氢气提供的浮力足以提升每立方米 1.2031 公斤的重量，而氦气每立方米只能提升 1.1145 公斤的气体。因此，氢提供的总升力比氦高约 8%。总升力的这种差异对于飞艇性能来说并非微不足道，但到目前为止，氦气对飞艇经济的更大影响是成本。氢气价格因生产方法和地点而异，但某些地点的传统氢气价格为 1.25 美元/公斤，每立方米约为 0.112 美元。自从国会指示内政部出售国家氦储备的成分以来，氦价格一直在剧烈波动，但去年，私营部门的价格为每立方米 7.57 美元。换句话说，氦气比氢气贵约 67 倍。

当国会在 1920 年代要求军用飞艇机队改用氦气时，氦气的更高费用和更差的性能都是致命的。由于氦气短缺，军方无法排放提升气体。在 USS Shenandoah 上，他们盖上了安全阀。 1925 年 9 月 3 日凌晨，这艘飞艇在俄亥俄州上空遭遇猛烈的上升气流，使其超出了气室的压力极限。安全阀盖上后，船被撕裂了。 14名船员丧生。氦似乎也导致了阿克伦号航空母舰的坠毁，这是历史上最致命的飞艇事故。 1933 年 4 月 4 日，在新泽西海岸附近的暴风雨中，性能较低的提升气体没有给船提供足够的高度，并且压力变化导致的垂直下降导致船的尾部拖入水中。它一直没有恢复。由于阿克伦号的 76 名船员中只有 3 人幸存，调查并未取得进展。今天，虽然这个问题没有出现太多，但美国联邦航空管理局 (FAA) 似乎不愿意批准使用氢气作为升力气体的民用飞艇。 1992 年发布的一份咨询通告简洁地指出，“氢气不是用于飞艇的可接受的提升气体。” 1995 年的其他指南称“提升气体必须是不可燃的”。美国联邦航空局表示他们将接受作为适航要求的荷兰和德国飞艇标准同样说：“起重气体必须是不可燃、无毒和无刺激性的。”让我们在这里停下来思考一下这个立场的荒谬之处。飞行使用四种力：垂直轴上的升力和重力，水平轴上的推力和阻力。 FAA 的意思是你可以使用易燃材料来产生推力，但你不能使用这种材料来产生空气静力升力。该机构很乐意批准用于飞艇的氢基推进系统。使用燃料电池推进，根据设计范围，完全基于氢的飞艇必须携带与燃料和提升气体大致相同质量的 H 2 。它是大致相同数量的易燃材料，对于推力来说是可以的，但对于升力来说则不然。尽管如此，没有氧化剂氢不能燃烧，这一事实引发了关于兴登堡灾难的持续争论。如果最初的火灾是由氢气引起的，那一定是由于不受控制的气体泄漏导致氢气与空气混合。两名目击者报告说，看到上左舷侧的织物盖在起火之前就好像气体正在逃逸一样颤动。氢气和空气的混合物可能是大火的最初燃料来源，但它似乎已经迅速蔓延，因为外层织物船体用化学上类似于铝热剂的高度易燃化合物进行了处理。假设火灾是由氢气泄漏引起的，那么承认类似的燃料管线泄漏已经在飞机上造成了灾难是公平的。提高航空安全的不是去除易燃燃料，而是在设计、制造、监控和维护方面更加严格。 20世纪前三分之一发生了许多飞艇事故，很少有与氢有关的事故。这一时期的飞机安全记录也好不到哪里去。犯了各种各样的错误，因为这两种技术都处于早期发展阶段。以现代工程标准，毫无疑问，氢气可以成为一种安全的起重气体。如果今天只有 25 艘飞艇在服役，为什么这很重要？因为，在更合适的规则下，仍有可能存在数千艘飞艇的市场。兴登堡灾难标志着载客飞艇旅行的结束，但这不仅仅是因为安全。 DC-3 于 1936 年推出，也就是莱克赫斯特事故发生的前一年。它可以在 18 小时内将乘客带到越野，只需 3 个加油站。战争结束后出现了星座，其航程为 5,400 英里，增压机舱使其能够在天气上空飞行。这些标志性的飞机使飞艇完全不适合乘客旅行。

如果飞艇要大规模卷土重来，那将是货运服务。飞艇对于人类旅行来说太慢了，但货物集装箱在长途飞行中不会感到疲劳。事实上，他们今天在大型集装箱船上花费数周或数月的时间，在沿途的每个港口停靠。货物的点对点飞艇服务可以在几天内将集装箱运到世界任何地方，而不是几周或几个月，其成本远低于将它们放在 747 货机上。这是货运服务的一个最佳点，可以在价值重量比的中等类别中吸引大量需求：机械、设备和零件等货物。货运飞艇需要很大——比兴登堡号还要大。飞艇受到平方立方定律的祝福和诅咒：飞艇的阻力与其横截面积成正比，随长度的平方成比例，但升力气体的体积，因此总升力，随长度成比例第三力量。因此，升阻比是飞机性能的一个关键参数，随着飞艇的变大而变得更好。巨大的飞艇需要大量的提升气体——可能是一百万立方米。鉴于如此大的飞艇具有出色的经济性，需求可能会很高——仅需要运送当今集装箱体积的一小部分就需要数千艘飞艇。这意味着飞艇行业将需要数十亿立方米的提升气体来满足需求。氦是宇宙中第二丰富的元素，但它在地球上相对稀少。如果我们要尝试用氦气来满足飞艇的需求，则需要大约已知的总氦气储备量。当然，氦气除了飞艇之外还有其他重要用途。在其他应用中，它用于冷却 MRI 机器中的磁体、为弧焊创造安全环境、保持半导体制造的纯度以及为火箭发动机的推进剂罐加压。试图将氦气也用于大型货运飞艇舰队将是昂贵的，因为它会显着抬高天然气的价格，并且会扰乱这些其他大量使用氦气的行业。飞艇最好使用氢气代替。 FAA 禁止将氢气用作提升气体只是指导，无论如何，该机构有很大的回旋余地来改变主意。几乎每个飞机认证计划都有与 FAA 协商并同意的豁免和特殊条件——基本上是基于一项研究的新规则，该研究表明协商条件提供了足够的安全水平。一个以货运业务为目标的飞艇计划——尤其是在无人值守的情况下——可能会获得批准将氢气用作提升气体。但在几十年的相反指导下，美国联邦航空局不鼓励飞艇在最有意义的用例中返回。获得氢气问题答案的唯一方法是投资数百万美元启动飞艇计划并在认证基础上与 FAA 合作。反过来，投资者会回避监管风险，尤其是当它超出他们的专业领域时。可悲的是，这就是创新消亡的方式。如果我们想恢复飞艇并观看成千上万的飞艇在天空中跳舞，这就是我们必须克服的。

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