未來通航發(fā)展看什么 | 電動飛機革命已來
有朝一日，我們或將可以靠一塊充電池就能橫跨半個地球飛往歐洲了，而且一天內完成旅程。
據(jù)《赫芬頓郵報》報道，顛覆了汽車和航空產業(yè)的馬斯克又有新動作了，這位特斯拉的CEO說要試圖讓飛機和輪船都實現(xiàn)電動化。在日前的采訪中，馬斯克表示今后人類所有的交通工具都將實現(xiàn)從使用舊能源向新能源的轉變。
“包括飛機和輪船的所有交通工具都將全電動化——不只是半電動的混合動力，而是完全的電動化，”馬斯克說道，“這是完全沒有問題的。”
如果馬斯克的愿景最終能夠實現(xiàn)，就意味著其將顛覆世界上污染最嚴重的產業(yè)。根據(jù)聯(lián)合國一份2008年度的報告，船舶航運產生的溫室氣體大約占了全世界每年溫室氣體排放量的5%。游輪更是污染巨頭，它們很多還是依靠鍋爐燃料，這種燃料便宜，但排放的污染物濃度更高，而且燃燒廢料還會污染水源。
與此同時，航空業(yè)的碳排放問題也受到了社會各界的熱切關注。舉例來說，一趟紐約和倫敦之間的往返航班，機上每位乘客就大約會產生每人2到3噸二氧化碳——相當于歐洲一個家庭一年的暖氣排放量了。隨著飛機這種交通工具的日益普及，如果不改變能源使用結構，碳污染只會不斷增加。
馬斯克表示：“我確實很想成立一家電動飛機公司。我覺得乘坐一架電動超音速直升飛機是一件酷炫無比的事情！”馬斯克還說，這已經有一個設計構想了。
特斯拉一直走在電動汽車市場的前沿。其新款Model S轎車比以往車型更加節(jié)能，而上個月該公司還發(fā)布了最新的電動SUV Model X。不過，特斯拉也不是完全能夠幸免于碳排放的質疑，因為至少該公司旗下的電動車需啊喲電池供應能源，生產這些蓄電池需要使用化石燃料。
在人類探索飛行的時間長廊中，電動飛機并不是什么新鮮事物。1957年6月30日，世界上第一架使用永磁電動機和銀鋅電池驅動的電動模型飛機——“無線電皇后”號在英國試飛成功。然而，由于一些關鍵技術尚未突破，電動飛機在商業(yè)運營領域并未獲得實質性發(fā)展。
在2015年，電動飛機再次進入大眾的視野。巴黎當?shù)貢r間7月10日上午10時15分，法國飛行員迪迪埃·埃斯蒂納駕駛空客公司的全電動E-Fan驗證機，從英國東南部肯特郡的萊德機場起飛，歷時36分鐘，持續(xù)飛行74公里，最終順利降落在法國北部的加來-敦刻爾克機場。E-Fan由此成為繼106年前路易·布雷里奧史詩般飛行之后，首架依靠自身動力起飛，并成功飛越英吉利海峽的雙發(fā)電動飛機。
探索電動飛行
在人類實現(xiàn)動力飛行初期，飛越英吉利海峽對于航空愛好者來說是一個巨大的挑戰(zhàn)。1909年7月25日，法國飛行員路易·布雷里奧駕駛“布雷里奧”Ⅺ輕型飛機成功飛越英吉利海峽，完成了首次國際飛行，在航空界引起巨大轟動。
100多年后，空客選擇讓E-Fan飛機橫跨英吉利海峽，似乎意在以這種方式向先驅致敬，同時向外界表明電動飛機在實用領域已經邁出了重要一步。據(jù)悉，這款兩座的驗證機與其初始構型相比，鋰電池儲電量提高了60%，最高飛行高度達1000米。
事實上，空客早在十多年前就開始研究電動飛行技術。2012年10月，空客開始研制一架完全由電力驅動的E-Fan驗證機。該機由法國飛機制造商ACS公司制造，并得到了賽峰集團、卓達宇航集團和西門子公司的技術支持。
2014年3月11日，E-Fan驗證機在法國波爾多成功完成第一次試飛。2015年6月中旬，空客在第51屆巴黎航展上不僅安排E-Fan驗證機進行飛行表演，而且還展出了即將投入批生產的E-Fan2.0全尺寸樣機。
在飛越英吉利海峽之前，E-Fan驗證機已經完成了100多次飛行，累計飛行時間超過50小時。2015年5月，空客集團宣布將在法國西南部波城建立第一條E-Fan2.0全電動飛機總裝線。
此外，更大尺寸的4座電力飛機E-Fan4.0也已被空客列入了研發(fā)日程，預計在2019年投入使用。對于電動飛機項目，空客的長期計劃是生產電力支線飛機和電力直升機，最終目標是生產出100座的電力支線飛機，預計到2050年實現(xiàn)這一宏偉目標。
E-Fan的創(chuàng)新
作為一款全電力驅動飛機，E-Fan的設計完全從零開始。
在總體設計上，E-Fan采用了流線型機身、下單翼和T形尾翼，基本上是一種標準的通用飛機，具有低阻力、高升力等特點。飛機長度為6.67米，翼展9.5米，機高2米，總體結構全部采用碳纖維復合材料制造，空重僅500千克。在性能方面，該機的升阻比達到16，巡航速度大約為160千米/小時，最大飛行速度為220千米/小時。
在減噪方面，E-Fan也表現(xiàn)出了極大的優(yōu)勢，與傳統(tǒng)內燃機驅動的飛機相比，震動大大減少。在停機位大小、續(xù)航能力方面，E-Fan的設計完全能夠滿足飛行訓練和航空俱樂部的需求。
由于是電力驅動，飛機的飛行性能不會受到海拔和高溫天氣的影響，沒有螺旋槳轉矩的影響，也沒有震動，可以實現(xiàn)平穩(wěn)飛行。為了提升安全性，E-Fan還裝備了彈射降落傘救援系統(tǒng)。
此外，E-Fan還裝備了全新的電能管理系統(tǒng)，可自動管理所有的電力性能，從而最大限度地簡化了飛機的顯示和控制系統(tǒng)。發(fā)動機風道能夠增加靜推力，減少噪聲，提升地面的安全性。由于電機位于機身的中線附近，E-Fan在進行單發(fā)飛行時也能保證較好的操縱性能。
E-Fan的電機由韓國KOKAM公司生產的一系列250伏鋰聚合物電池驅動。電池裝配于機翼內，內部通風，采用被動冷卻技術。大量的研究和壓力測試驗證了E-Fan飛機電池系統(tǒng)可提供充足的安全裕度。目前，飛機可以靠鋰電池驅動飛行半小時，空客希望未來可以提升至1小時。
E-Fan的另一個創(chuàng)新在于其起落架設計。飛機有兩個電力驅動、可伸縮輪的起落架，分別位于機身前部和后部，每一側機翼下還裝有輔助輪。機身后部的主輪由一個6千瓦的電動機驅動，為地面滑跑和起飛時加速至60千米/小時提供能量。因此，飛機在地面滑行和起飛初始加速階段無需開啟主電動機，幾乎沒有噪音。
革命性的E-Airbus
除了E-Fan電動飛機項目外，為了響應歐盟“航跡2050”計劃(歐盟“航跡2050”計劃的目標是以2000年的水平為基點，在2050年前實現(xiàn)將二氧化碳排放降低75%、氮氧化物排放降低90%、噪聲降低65%)，空客還在進行混合電推進系統(tǒng)的研發(fā)，以尋求2030年服役的基于分布式混合電推進系統(tǒng)的翼身融合飛機方案。
2013年11月，空客集團公布了與德國西門子公司和英國羅羅公司聯(lián)合開發(fā)的基于分布式混合電推進系統(tǒng)的“E-Airbus”100座級支線客機概念，并計劃在歐盟“航跡2050”的框架下開展深入研究。
E-Airbus采用6臺電動風扇，每個機翼上沿展向分布3臺，并通過一個燃氣動力單元(即渦扇發(fā)動機連接到發(fā)電機，以產生電力)為6臺風扇提供電力和為電能存儲裝置充電，推進系統(tǒng)的等效涵道比預計將超過20。
在起飛階段，E-Airbus所需的額外動力由電能儲存裝置提供;在巡航階段，燃氣動力單元將提供巡航動力，并帶動發(fā)電機為電池充電;在初始下降階段，燃氣動力單元關閉，飛機為滑翔模式，之后渦扇發(fā)動機以風車狀態(tài)起動，并產生電能;在降落階段，燃氣動力單元重新啟動，提供過量的推力(備用推力)以備飛機所需。
羅羅公司稱，分布式推進系統(tǒng)的一個主要優(yōu)點就是能夠集成到機體結構上，優(yōu)化機體周圍的流場，同時減輕飛機重量，降低阻力和噪聲水平。另外，當邊界層氣流被風扇吸入并加速時，將減少飛機的尾跡，帶來阻力的進一步降低。
雖然空客集團目前并沒有公布E-Airbus飛機方案在2030年將會處于什么水平以及與“航跡2050”計劃中環(huán)保目標的對應關系，但是作為“航跡2050”計劃的中期動力解決方案，分布式混合電推進系統(tǒng)將大量采用“航跡2050”計劃所發(fā)展的新技術，預計其具備足夠的技術優(yōu)勢，能夠使歐盟在實現(xiàn)“航跡2050”計劃所定環(huán)保目標的征途中邁進一大步。
NASA摩拳擦掌
相對于歐洲和空客的高調，美國國家航空航天局(NASA)在新能源飛機研發(fā)方面要低調得多。但實際上，對于這一可能對航空工業(yè)帶來重大變革的新技術，NASA早已摩拳擦掌。
2014年4月，在NASA“對環(huán)境負責任的航空”(ERA)項目支持下，美國試驗系統(tǒng)航宇公司提出了一種分布式混合電推進系統(tǒng)架構，并利用仿真設計工具評估了采用這種推進系統(tǒng)的飛行器的性能。此后，波音、通用電氣和普惠等公司陸續(xù)開展了民用航空分布式混合電推進系統(tǒng)研究。
分布式混合電推進系統(tǒng)，是指通過傳統(tǒng)燃氣渦輪發(fā)動機為分布在機翼或機身的多個電機/風扇提供電力，并由電機驅動風扇提供大部分或全部推力(燃氣渦輪發(fā)動機可部分提供或不提供推力)的一種新型推進系統(tǒng)概念，其最大的優(yōu)勢是能夠極大地降低推進系統(tǒng)的燃油消耗和各種排放。
美、歐政府均將分布式混合電推進系統(tǒng)視為有潛力在2030年后投入使用的、極有前景的民機動力解決方案，積極組織飛機系統(tǒng)集成商和動力廠商開展預研。
NASA已經批準了一項為期3年、總投資1500萬美元的項目，將試飛采用分布式電推進(DEP)技術的X驗證機。該驗證機基于輕型通用飛機，一旦證明技術可行，NASA將在一型9座的通勤飛機驗證機上進行進一步試驗，為將來60?90座級混合電推進支線飛機上的應用打下基礎。
目前，NASA位于愛德華茲空軍基地的阿姆斯特朗飛行研究中心正在開展相關地面試驗。該試驗將一副翼展為9.45米的采用DEP技術的機翼安裝在一輛卡車上進行滑跑測試。下一步，NASA計劃開始X驗證機的飛行試驗。其首要目標是驗證巡航狀態(tài)下飛機所需能量能否降低5倍。能量的節(jié)省主要來自兩方面：首先是碳氫燃料的燃燒效率從28%提高到電推進系統(tǒng)的92%，其次是DEP的氣動集成收益。
除了推進效率的提升，NASA預測，采用DEP技術的飛行器總運營成本可降低30%。這主要是由于相比航空燃油，電力具有更低的成本。一般來說，電力成本僅為汽車汽油成本的一半，而汽車汽油成本則是航空燃油成本的一半。通常情況下，燃油成本占據(jù)了通用航空運營成本的50%左右。
除了上述兩大優(yōu)勢之外，NASA預計，采用DEP技術的飛行器噪聲相比當前螺旋槳驅動的通用飛機可降低15分貝，這來自于安靜的電動機以及起飛降落階段固定槳距槳葉的低葉尖速度。西銳公司SR22輕型飛機的槳葉葉尖速度為274.3米/秒，X驗證機上的高升力槳葉的葉尖速度僅為122?152.4米/秒，優(yōu)勢可見一斑。
X驗證機肩負的另一個使命是幫助NASA建立分布式混合電推力飛機的取證標準。目前，NASA正與標準研發(fā)機構如ASTM國際等開展合作，以推進新的能同時用于電動推進系統(tǒng)和通用飛機取證的一致標準。X飛機將只是向FAA提交虛擬取證申請，借此了解取證面臨的挑戰(zhàn)，這將有助于引領規(guī)則的制定。
無論是歐洲還是美國，在研發(fā)電動飛機過程中遇到的最大問題是當前技術水平下尚無高效的超導電動機和發(fā)電機。目前市場上銷售的能效最高的電力儲存裝置是鋰電池，但其比能量僅為0.15千瓦時/千克，正在研發(fā)中的下一代鋰電池的最大比能量也僅為0.45千瓦時/千克，而要滿足未來大型商用飛機的要求，電池的比能量至少應達到0.6千瓦時/千克。
另外，分布式混合電推進系統(tǒng)中的電動機功率密度必須至少達到16.2千瓦時/千克，而當前的技術僅能夠達到8.8?11千瓦時/千克。這兩方面的技術限制，導致當前各種分布式混合電推進系統(tǒng)的設計方案體積龐大并嚴重超重，甚至比傳統(tǒng)的燃氣渦輪發(fā)動機更加笨重。
未來發(fā)展分布式混合電推進系統(tǒng)，首先需要重點解決更大比能量的電能存儲裝置和超導電動機及發(fā)電機這兩大技術難點，這也是國外目前探索和研究的重點。
例如，NASA正在持續(xù)開展超導技術研究，以進一步提高電機功率密度和能量效率。由于使超導發(fā)電機和電動機高效工作的關鍵之一是實現(xiàn)超冷環(huán)境，NASA目前的研究重點在于低溫冷卻和液氫冷卻兩種冷卻方案。
低溫冷卻方案由噴氣燃料驅動制冷機獲得超導所需的低溫，液氫冷卻方案則由飛機攜帶液氫儲罐以提供低溫冷卻，這兩種方案目前都面臨不少技術難題。因此，電動飛機要想真正引領未來飛行革命，還有很長的路要走。
結合通航
未來，隨著電池技術的愈發(fā)成熟，相信通航飛機也可以很好的實現(xiàn)從油動向電動的轉變，特別是當下環(huán)境下，國際燃油價格的持續(xù)升高，成為各大通航公司不可忽視的成本之一，而未來，電池技術的成熟，會帶來飛機航時的改變，從而也會減少通航企業(yè)的成本開支，成本一旦降下來，市場準入門檻也會變低，未來通航發(fā)展看電動飛機。
圣大通航
