跨越阿尔卑斯山的零排放——Cellsius 如何实现氢能驱动飞行

我们是苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的工程学学生，背后发起了H2项目——一个旨在设计氢能驱动飞机并帮助减少瑞士航空业造成的13%二氧化碳排放的倡议。

你好，我们是Cellsius——来自苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的学生工程团队。通过H2项目，我们为自己设定了一个雄心勃勃的目标：实现一次完全由氢能驱动的、零排放的飞行，飞越哥特哈德山口。

我们使命的核心是H2-Sling——一架我们从零开始开发和制造的完全改装超轻型飞机。这个项目不仅代表了技术创新，也体现了我们这一代人将可持续性与实际工程相结合的动力。

由激情与工程卓越驱动

从一开始，我们就想证明，使用现有的技术是可以实现零排放飞行的。没有未来主义的概念——只有智能的集成、良好的设计和大量的测试。我们选择了Sling High Wing平台，因为它在载荷、简便性和可改造性方面的平衡。然后，我们围绕一个全新的动力系统重新构建了它。

我们自己完成了设计和集成：从燃料电池布局和能源管理，到冷却系统、机械适配和结构加固。最终的结果是一架已经飞行过的飞机——现在正在为下一步大胆的目标做准备：仅凭氢能飞越阿尔卑斯山。

氢能起飞

航空业面临着降低碳足迹的压力，我们相信氢能提供了一条明确的前进道路。我们系统的核心是一台PEM燃料电池，它通过氢气和空气生成电力——安静、清洁且高效。它驱动一台轻量级电动机，并通过一个缓冲电池来应对动态负载，此外还有一个定制的控制单元，用于管理能源流、诊断和安全。

这架飞机携带5.2公斤氢气，存储在高压罐中，提供200公里的航程和2小时的巡航时间，巡航速度为162公里/小时。

我们的目标是实现接近100 kW的系统输出，确保即使在阿尔卑斯山区的条件下也能安全稳定地飞行。在整个开发过程中，我们特别关注了重量和热性能——选择了空气冷却和持续的热监控。最大的挑战是，在保证航空级安全性和可靠性的同时，实现这一性能目标。

精确度，成就非凡

整个系统中最关键的结构组件之一是顶板——一块定制加工的铝合金部件，连接燃料电池和辅助组件。它承受机械负载，确保结构对准，并固定我们能源系统的核心。

CNC加工铝合金顶板

我们在设计时考虑了最大化的强度与重量比，结合了严格的公差和复杂的几何形状。由于制造如此精密的部件超出了我们内部的能力范围，我们依赖外部制造商来实现这一设计。与Xometry择幂科技的数字化制造平台合作被证明是一个实用的解决方案。订购过程简单，部件完全按规格交付，这帮助我们按时推进并进行系统集成。

在后续的制造过程中，我们在内部开发了大多数结构和系统部件，采用了碳纤维、铣削铝材和钣金相结合的方式。我们重点考虑了重量效率、装配便捷性以及长期可维护性。每个部件都以制造为核心进行设计——尽量减少不必要的加工工序，避免结构过于复杂。对于那些对精度和结构可靠性要求极高的部件（如顶板），外包加工不仅有帮助，更是确保项目持续推进的关键。

电机的自主研发逆变器

将挑战转化为学习机会

燃料电池的研发工作，尤其是在寒假前的几周，成为了对团队奉献精神的真正考验。为了进行满负载测试，我们连续数天昼夜奋战。随后，那个我们为之努力已久的时刻终于到来。

H2-Sling的燃料电池系统

经过整整一年的研发，当系统终于运转起来的那一刻，令人倍感神奇。那是理论变为现实的时刻。除了技术上的成果之外，我们在个人层面也得到了成长。承担责任、解决突发问题、在压力下做出决策——这一切都成为了我们共同的宝贵经历。

展望未来：液态氢与增材制造

在首次飞行成功之后，我们的下一个重要里程碑是实现以氢能驱动的阿尔卑斯山跨越飞行。与此同时，我们正致力于从压缩氢向液态氢的转变——这一转变将显著提升系统的能量与重量比。要实现这一目标，需要研发适用于低温环境的新型储存方案、隔热结构和燃料管理系统。

增材制造（Additive Manufacturing）也将在未来的研发中发挥越来越重要的作用。结合人工智能驱动的生成式设计（Generative Design），3D打印能够让我们制造出更轻、更高效且结构更复杂的部件——尤其适用于空间有限、对重量极为敏感的应用场景。我们重点关注支架和安装座等零部件，因为几何结构上的微小优化就能带来显著性能提升。

数字化制造赋予了设计快速迭代与高度灵活的能力，这是传统工艺难以实现的。结合仿真分析与内部原型制造，这些工具正助力我们不断接近长期目标：让这款飞机不仅实现零排放，还能更加安静、更具经济性，并成为环保型训练与休闲飞行的可行选择。