未來(lái)通航發(fā)展看什么 | 電動(dòng)飛機(jī)革命已來(lái)
有朝一日，我們或?qū)⒖梢钥恳粔K充電池就能橫跨半個(gè)地球飛往歐洲了，而且一天內(nèi)完成旅程。
據(jù)《赫芬頓郵報(bào)》報(bào)道，顛覆了汽車(chē)和航空產(chǎn)業(yè)的馬斯克又有新動(dòng)作了，這位特斯拉的CEO說(shuō)要試圖讓飛機(jī)和輪船都實(shí)現(xiàn)電動(dòng)化。在日前的采訪中，馬斯克表示今后人類(lèi)所有的交通工具都將實(shí)現(xiàn)從使用舊能源向新能源的轉(zhuǎn)變。
“包括飛機(jī)和輪船的所有交通工具都將全電動(dòng)化——不只是半電動(dòng)的混合動(dòng)力，而是完全的電動(dòng)化，”馬斯克說(shuō)道，“這是完全沒(méi)有問(wèn)題的。”
如果馬斯克的愿景最終能夠?qū)崿F(xiàn)，就意味著其將顛覆世界上污染最嚴(yán)重的產(chǎn)業(yè)。根據(jù)聯(lián)合國(guó)一份2008年度的報(bào)告，船舶航運(yùn)產(chǎn)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(huì)污染水源。
與此同時(shí)，航空業(yè)的碳排放問(wèn)題也受到了社會(huì)各界的熱切關(guān)注。舉例來(lái)說(shuō)，一趟紐約和倫敦之間的往返航班，機(jī)上每位乘客就大約會(huì)產(chǎn)生每人2到3噸二氧化碳——相當(dāng)于歐洲一個(gè)家庭一年的暖氣排放量了。隨著飛機(jī)這種交通工具的日益普及，如果不改變能源使用結(jié)構(gòu)，碳污染只會(huì)不斷增加。
馬斯克表示：“我確實(shí)很想成立一家電動(dòng)飛機(jī)公司。我覺(jué)得乘坐一架電動(dòng)超音速直升飛機(jī)是一件酷炫無(wú)比的事情！”馬斯克還說(shuō)，這已經(jīng)有一個(gè)設(shè)計(jì)構(gòu)想了。
特斯拉一直走在電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的前沿。其新款Model S轎車(chē)比以往車(chē)型更加節(jié)能，而上個(gè)月該公司還發(fā)布了最新的電動(dòng)SUV Model X。不過(guò)，特斯拉也不是完全能夠幸免于碳排放的質(zhì)疑，因?yàn)橹辽僭摴酒煜碌碾妱?dòng)車(chē)需啊喲電池供應(yīng)能源，生產(chǎn)這些蓄電池需要使用化石燃料。
在人類(lèi)探索飛行的時(shí)間長(zhǎng)廊中，電動(dòng)飛機(jī)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(dòng)機(jī)和銀鋅電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)模型飛機(jī)——“無(wú)線(xiàn)電皇后”號(hào)在英國(guó)試飛成功。然而，由于一些關(guān)鍵技術(shù)尚未突破，電動(dòng)飛機(jī)在商業(yè)運(yùn)營(yíng)領(lǐng)域并未獲得實(shí)質(zhì)性發(fā)展。
在2015年，電動(dòng)飛機(jī)再次進(jìn)入大眾的視野。巴黎當(dāng)?shù)貢r(shí)間7月10日上午10時(shí)15分，法國(guó)飛行員迪迪埃·埃斯蒂納駕駛空客公司的全電動(dòng)E-Fan驗(yàn)證機(jī)，從英國(guó)東南部肯特郡的萊德機(jī)場(chǎng)起飛，歷時(shí)36分鐘，持續(xù)飛行74公里，最終順利降落在法國(guó)北部的加來(lái)-敦刻爾克機(jī)場(chǎng)。E-Fan由此成為繼106年前路易·布雷里奧史詩(shī)般飛行之后，首架依靠自身動(dòng)力起飛，并成功飛越英吉利海峽的雙發(fā)電動(dòng)飛機(jī)。
探索電動(dòng)飛行
在人類(lèi)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力飛行初期，飛越英吉利海峽對(duì)于航空愛(ài)好者來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。1909年7月25日，法國(guó)飛行員路易·布雷里奧駕駛“布雷里奧”Ⅺ輕型飛機(jī)成功飛越英吉利海峽，完成了首次國(guó)際飛行，在航空界引起巨大轟動(dòng)。
100多年后，空客選擇讓E-Fan飛機(jī)橫跨英吉利海峽，似乎意在以這種方式向先驅(qū)致敬，同時(shí)向外界表明電動(dòng)飛機(jī)在實(shí)用領(lǐng)域已經(jīng)邁出了重要一步。據(jù)悉，這款兩座的驗(yàn)證機(jī)與其初始構(gòu)型相比，鋰電池儲(chǔ)電量提高了60%，最高飛行高度達(dá)1000米。
事實(shí)上，空客早在十多年前就開(kāi)始研究電動(dòng)飛行技術(shù)。2012年10月，空客開(kāi)始研制一架完全由電力驅(qū)動(dòng)的E-Fan驗(yàn)證機(jī)。該機(jī)由法國(guó)飛機(jī)制造商ACS公司制造，并得到了賽峰集團(tuán)、卓達(dá)宇航集團(tuán)和西門(mén)子公司的技術(shù)支持。
2014年3月11日，E-Fan驗(yàn)證機(jī)在法國(guó)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(yàn)證機(jī)進(jìn)行飛行表演，而且還展出了即將投入批生產(chǎn)的E-Fan2.0全尺寸樣機(jī)。
在飛越英吉利海峽之前，E-Fan驗(yàn)證機(jī)已經(jīng)完成了100多次飛行，累計(jì)飛行時(shí)間超過(guò)50小時(shí)。2015年5月，空客集團(tuán)宣布將在法國(guó)西南部波城建立第一條E-Fan2.0全電動(dòng)飛機(jī)總裝線(xiàn)。
此外，更大尺寸的4座電力飛機(jī)E-Fan4.0也已被空客列入了研發(fā)日程，預(yù)計(jì)在2019年投入使用。對(duì)于電動(dòng)飛機(jī)項(xiàng)目，空客的長(zhǎng)期計(jì)劃是生產(chǎn)電力支線(xiàn)飛機(jī)和電力直升機(jī)，最終目標(biāo)是生產(chǎn)出100座的電力支線(xiàn)飛機(jī)，預(yù)計(jì)到2050年實(shí)現(xiàn)這一宏偉目標(biāo)。
E-Fan的創(chuàng)新
作為一款全電力驅(qū)動(dòng)飛機(jī)，E-Fan的設(shè)計(jì)完全從零開(kāi)始。
在總體設(shè)計(jì)上，E-Fan采用了流線(xiàn)型機(jī)身、下單翼和T形尾翼，基本上是一種標(biāo)準(zhǔn)的通用飛機(jī)，具有低阻力、高升力等特點(diǎn)。飛機(jī)長(zhǎng)度為6.67米，翼展9.5米，機(jī)高2米，總體結(jié)構(gòu)全部采用碳纖維復(fù)合材料制造，空重僅500千克。在性能方面，該機(jī)的升阻比達(dá)到16，巡航速度大約為160千米/小時(shí)，最大飛行速度為220千米/小時(shí)。
在減噪方面，E-Fan也表現(xiàn)出了極大的優(yōu)勢(shì)，與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的飛機(jī)相比，震動(dòng)大大減少。在停機(jī)位大小、續(xù)航能力方面，E-Fan的設(shè)計(jì)完全能夠滿(mǎn)足飛行訓(xùn)練和航空俱樂(lè)部的需求。
由于是電力驅(qū)動(dòng)，飛機(jī)的飛行性能不會(huì)受到海拔和高溫天氣的影響，沒(méi)有螺旋槳轉(zhuǎn)矩的影響，也沒(méi)有震動(dòng)，可以實(shí)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(dòng)管理所有的電力性能，從而最大限度地簡(jiǎn)化了飛機(jī)的顯示和控制系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)道能夠增加靜推力，減少噪聲，提升地面的安全性。由于電機(jī)位于機(jī)身的中線(xiàn)附近，E-Fan在進(jìn)行單發(fā)飛行時(shí)也能保證較好的操縱性能。
E-Fan的電機(jī)由韓國(guó)KOKAM公司生產(chǎn)的一系列250伏鋰聚合物電池驅(qū)動(dòng)。電池裝配于機(jī)翼內(nèi)，內(nèi)部通風(fēng)，采用被動(dòng)冷卻技術(shù)。大量的研究和壓力測(cè)試驗(yàn)證了E-Fan飛機(jī)電池系統(tǒng)可提供充足的安全裕度。目前，飛機(jī)可以靠鋰電池驅(qū)動(dòng)飛行半小時(shí)，空客希望未來(lái)可以提升至1小時(shí)。
E-Fan的另一個(gè)創(chuàng)新在于其起落架設(shè)計(jì)。飛機(jī)有兩個(gè)電力驅(qū)動(dòng)、可伸縮輪的起落架，分別位于機(jī)身前部和后部，每一側(cè)機(jī)翼下還裝有輔助輪。機(jī)身后部的主輪由一個(gè)6千瓦的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，為地面滑跑和起飛時(shí)加速至60千米/小時(shí)提供能量。因此，飛機(jī)在地面滑行和起飛初始加速階段無(wú)需開(kāi)啟主電動(dòng)機(jī)，幾乎沒(méi)有噪音。
革命性的E-Airbus
除了E-Fan電動(dòng)飛機(jī)項(xiàng)目外，為了響應(yīng)歐盟“航跡2050”計(jì)劃(歐盟“航跡2050”計(jì)劃的目標(biāo)是以2000年的水平為基點(diǎn)，在2050年前實(shí)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(jìn)行混合電推進(jìn)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(jìn)系統(tǒng)的翼身融合飛機(jī)方案。
2013年11月，空客集團(tuán)公布了與德國(guó)西門(mén)子公司和英國(guó)羅羅公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的基于分布式混合電推進(jìn)系統(tǒng)的“E-Airbus”100座級(jí)支線(xiàn)客機(jī)概念，并計(jì)劃在歐盟“航跡2050”的框架下開(kāi)展深入研究。
E-Airbus采用6臺(tái)電動(dòng)風(fēng)扇，每個(gè)機(jī)翼上沿展向分布3臺(tái)，并通過(guò)一個(gè)燃?xì)鈩?dòng)力單元(即渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)連接到發(fā)電機(jī)，以產(chǎn)生電力)為6臺(tái)風(fēng)扇提供電力和為電能存儲(chǔ)裝置充電，推進(jìn)系統(tǒng)的等效涵道比預(yù)計(jì)將超過(guò)20。
在起飛階段，E-Airbus所需的額外動(dòng)力由電能儲(chǔ)存裝置提供;在巡航階段，燃?xì)鈩?dòng)力單元將提供巡航動(dòng)力，并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)為電池充電;在初始下降階段，燃?xì)鈩?dòng)力單元關(guān)閉，飛機(jī)為滑翔模式，之后渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)以風(fēng)車(chē)狀態(tài)起動(dòng)，并產(chǎn)生電能;在降落階段，燃?xì)鈩?dòng)力單元重新啟動(dòng)，提供過(guò)量的推力(備用推力)以備飛機(jī)所需。
羅羅公司稱(chēng)，分布式推進(jìn)系統(tǒng)的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)就是能夠集成到機(jī)體結(jié)構(gòu)上，優(yōu)化機(jī)體周?chē)牧鲌?chǎng)，同時(shí)減輕飛機(jī)重量，降低阻力和噪聲水平。另外，當(dāng)邊界層氣流被風(fēng)扇吸入并加速時(shí)，將減少飛機(jī)的尾跡，帶來(lái)阻力的進(jìn)一步降低。
雖然空客集團(tuán)目前并沒(méi)有公布E-Airbus飛機(jī)方案在2030年將會(huì)處于什么水平以及與“航跡2050”計(jì)劃中環(huán)保目標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但是作為“航跡2050”計(jì)劃的中期動(dòng)力解決方案，分布式混合電推進(jìn)系統(tǒng)將大量采用“航跡2050”計(jì)劃所發(fā)展的新技術(shù)，預(yù)計(jì)其具備足夠的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，能夠使歐盟在實(shí)現(xiàn)“航跡2050”計(jì)劃所定環(huán)保目標(biāo)的征途中邁進(jìn)一大步。
NASA摩拳擦掌
相對(duì)于歐洲和空客的高調(diào)，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)在新能源飛機(jī)研發(fā)方面要低調(diào)得多。但實(shí)際上，對(duì)于這一可能對(duì)航空工業(yè)帶來(lái)重大變革的新技術(shù)，NASA早已摩拳擦掌。
2014年4月，在NASA“對(duì)環(huán)境負(fù)責(zé)任的航空”(ERA)項(xiàng)目支持下，美國(guó)試驗(yàn)系統(tǒng)航宇公司提出了一種分布式混合電推進(jìn)系統(tǒng)架構(gòu)，并利用仿真設(shè)計(jì)工具評(píng)估了采用這種推進(jìn)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(kāi)展了民用航空分布式混合電推進(jìn)系統(tǒng)研究。
分布式混合電推進(jìn)系統(tǒng)，是指通過(guò)傳統(tǒng)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)為分布在機(jī)翼或機(jī)身的多個(gè)電機(jī)/風(fēng)扇提供電力，并由電機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇提供大部分或全部推力(燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)可部分提供或不提供推力)的一種新型推進(jìn)系統(tǒng)概念，其最大的優(yōu)勢(shì)是能夠極大地降低推進(jìn)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(jìn)系統(tǒng)視為有潛力在2030年后投入使用的、極有前景的民機(jī)動(dòng)力解決方案，積極組織飛機(jī)系統(tǒng)集成商和動(dòng)力廠商開(kāi)展預(yù)研。
NASA已經(jīng)批準(zhǔn)了一項(xiàng)為期3年、總投資1500萬(wàn)美元的項(xiàng)目，將試飛采用分布式電推進(jìn)(DEP)技術(shù)的X驗(yàn)證機(jī)。該驗(yàn)證機(jī)基于輕型通用飛機(jī)，一旦證明技術(shù)可行，NASA將在一型9座的通勤飛機(jī)驗(yàn)證機(jī)上進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)，為將來(lái)60?90座級(jí)混合電推進(jìn)支線(xiàn)飛機(jī)上的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。
目前，NASA位于愛(ài)德華茲空軍基地的阿姆斯特朗飛行研究中心正在開(kāi)展相關(guān)地面試驗(yàn)。該試驗(yàn)將一副翼展為9.45米的采用DEP技術(shù)的機(jī)翼安裝在一輛卡車(chē)上進(jìn)行滑跑測(cè)試。下一步，NASA計(jì)劃開(kāi)始X驗(yàn)證機(jī)的飛行試驗(yàn)。其首要目標(biāo)是驗(yàn)證巡航狀態(tài)下飛機(jī)所需能量能否降低5倍。能量的節(jié)省主要來(lái)自?xún)煞矫妫菏紫仁翘細(xì)淙剂系娜紵蕪?8%提高到電推進(jìn)系統(tǒng)的92%，其次是DEP的氣動(dòng)集成收益。
除了推進(jìn)效率的提升，NASA預(yù)測(cè)，采用DEP技術(shù)的飛行器總運(yùn)營(yíng)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(lái)說(shuō)，電力成本僅為汽車(chē)汽油成本的一半，而汽車(chē)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(yùn)營(yíng)成本的50%左右。
除了上述兩大優(yōu)勢(shì)之外，NASA預(yù)計(jì)，采用DEP技術(shù)的飛行器噪聲相比當(dāng)前螺旋槳驅(qū)動(dòng)的通用飛機(jī)可降低15分貝，這來(lái)自于安靜的電動(dòng)機(jī)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(jī)的槳葉葉尖速度為274.3米/秒，X驗(yàn)證機(jī)上的高升力槳葉的葉尖速度僅為122?152.4米/秒，優(yōu)勢(shì)可見(jiàn)一斑。
X驗(yàn)證機(jī)肩負(fù)的另一個(gè)使命是幫助NASA建立分布式混合電推力飛機(jī)的取證標(biāo)準(zhǔn)。目前，NASA正與標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)機(jī)構(gòu)如ASTM國(guó)際等開(kāi)展合作，以推進(jìn)新的能同時(shí)用于電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)和通用飛機(jī)取證的一致標(biāo)準(zhǔn)。X飛機(jī)將只是向FAA提交虛擬取證申請(qǐng)，借此了解取證面臨的挑戰(zhàn)，這將有助于引領(lǐng)規(guī)則的制定。
無(wú)論是歐洲還是美國(guó)，在研發(fā)電動(dòng)飛機(jī)過(guò)程中遇到的最大問(wèn)題是當(dāng)前技術(shù)水平下尚無(wú)高效的超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)。目前市場(chǎng)上銷(xiāo)售的能效最高的電力儲(chǔ)存裝置是鋰電池，但其比能量?jī)H為0.15千瓦時(shí)/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(shí)/千克，而要滿(mǎn)足未來(lái)大型商用飛機(jī)的要求，電池的比能量至少應(yīng)達(dá)到0.6千瓦時(shí)/千克。
另外，分布式混合電推進(jìn)系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)功率密度必須至少達(dá)到16.2千瓦時(shí)/千克，而當(dāng)前的技術(shù)僅能夠達(dá)到8.8?11千瓦時(shí)/千克。這兩方面的技術(shù)限制，導(dǎo)致當(dāng)前各種分布式混合電推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案體積龐大并嚴(yán)重超重，甚至比傳統(tǒng)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)更加笨重。
未來(lái)發(fā)展分布式混合電推進(jìn)系統(tǒng)，首先需要重點(diǎn)解決更大比能量的電能存儲(chǔ)裝置和超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)及發(fā)電機(jī)這兩大技術(shù)難點(diǎn)，這也是國(guó)外目前探索和研究的重點(diǎn)。
例如，NASA正在持續(xù)開(kāi)展超導(dǎo)技術(shù)研究，以進(jìn)一步提高電機(jī)功率密度和能量效率。由于使超導(dǎo)發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)高效工作的關(guān)鍵之一是實(shí)現(xiàn)超冷環(huán)境，NASA目前的研究重點(diǎn)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(qū)動(dòng)制冷機(jī)獲得超導(dǎo)所需的低溫，液氫冷卻方案則由飛機(jī)攜帶液氫儲(chǔ)罐以提供低溫冷卻，這兩種方案目前都面臨不少技術(shù)難題。因此，電動(dòng)飛機(jī)要想真正引領(lǐng)未來(lái)飛行革命，還有很長(zhǎng)的路要走。
結(jié)合通航
未來(lái)，隨著電池技術(shù)的愈發(fā)成熟，相信通航飛機(jī)也可以很好的實(shí)現(xiàn)從油動(dòng)向電動(dòng)的轉(zhuǎn)變，特別是當(dāng)下環(huán)境下，國(guó)際燃油價(jià)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(lái)，電池技術(shù)的成熟，會(huì)帶來(lái)飛機(jī)航時(shí)的改變，從而也會(huì)減少通航企業(yè)的成本開(kāi)支，成本一旦降下來(lái)，市場(chǎng)準(zhǔn)入門(mén)檻也會(huì)變低，未來(lái)通航發(fā)展看電動(dòng)飛機(jī)。
圣大通航
