电动飞机:飞行革命的引领者?

飞机那点事儿

　　电动飞机

　　在人类探索飞行的时间长廊中，电动飞机并不是什么新鲜事物。1957年6月30日，世界上第一架使用永磁电动机和银锌电池驱动的电动模型飞机——“无线电皇后”号在英国试飞成功。然而，由于一些关键技术尚未突破，电动飞机在商业运营领域并未获得实质性发展。

　　进入2015年，电动飞机再次进入大众的视野。巴黎当地时间7月10日上午10时15分，法国飞行员迪迪埃·埃斯蒂纳驾驶空客公司的全电动E-Fan验证机，从英国东南部肯特郡的莱德机场起飞，历时36分钟，持续飞行74公里，最终顺利降落在法国北部的加来-敦刻尔克机场。E-Fan由此成为继106年前路易·布雷里奥史诗般飞行之后，首架依靠自身动力起飞，并成功飞越英吉利海峡的双发电动飞机。

　　探索电动飞行

　　在人类实现动力飞行初期，飞越英吉利海峡对于航空爱好者来说是一个巨大的挑战。1909年7月25日，法国飞行员路易·布雷里奥驾驶“布雷里奥”Ⅺ轻型飞机成功飞越英吉利海峡，完成了首次国际飞行，在航空界引起巨大轰动。

　　100多年后，空客选择让E-Fan飞机横跨英吉利海峡，似乎意在以这种方式向先驱致敬，同时向外界表明电动飞机在实用领域已经迈出了重要一步。据悉，这款两座的验证机与其初始构型相比，锂电池储电量提高了60%，最高飞行高度达1000米。


　　事实上，空客早在十多年前就开始研究电动飞行技术。2012年10月，空客开始研制一架完全由电力驱动的E-Fan验证机。该机由法国飞机制造商ACS公司制造，并得到了赛峰集团、卓达宇航集团和西门子公司的技术支持。

　　2014年3月11日，E-Fan验证机在法国波尔多成功完成第一次试飞。今年6月中旬，空客在第51届巴黎航展上不仅安排E-Fan验证机进行飞行表演，而且还展出了即将投入批生产的E-Fan2.0全尺寸样机。

　　在飞越英吉利海峡之前，E-Fan验证机已经完成了100多次飞行，累计飞行时间超过50小时。今年5月，空客集团宣布将在法国西南部波城建立第一条E-Fan2.0全电动飞机总装线，首架E-Fan2.0飞机预计最早在2017年底投入运营。

　　此外，更大尺寸的4座电力飞机E-Fan4.0也已被空客列入了研发日程，预计在2019年投入使用。对于电动飞机项目，空客的长期计划是生产电力支线飞机和电力直升机，最终目标是生产出100座的电力支线飞机，预计到2050年实现这一宏伟目标。

　　E-Fan的创新

　　作为一款全电力驱动飞机，E-Fan的设计完全从零开始。

　　在总体设计上，E-Fan采用了流线型机身、下单翼和T形尾翼，基本上是一种标准的通用飞机，具有低阻力、高升力等特点。飞机长度为6.67米，翼展9.5米，机高2米，总体结构全部采用碳纤维复合材料制造，空重仅500千克。在性能方面，该机的升阻比达到16，巡航速度大约为160千米/小时，最大飞行速度为220千米/小时。

　　在减噪方面，E-Fan也表现出了极大的优势，与传统内燃机驱动的飞机相比，震动大大减少。在停机位大小、续航能力方面，E-Fan的设计完全能够满足飞行训练和航空俱乐部的需求。

　　由于是电力驱动，飞机的飞行性能不会受到海拔和高温天气的影响，没有螺旋桨转矩的影响，也没有震动，可以实现平稳飞行。为了提升安全性，E-Fan还装备了弹射降落伞救援系统。

　　此外，E-Fan还装备了全新的电能管理系统，可自动管理所有的电力性能，从而最大限度地简化了飞机的显示和控制系统。发动机风道能够增加静推力，减少噪声，提升地面的安全性。由于电机位于机身的中线附近，E-Fan在进行单发飞行时也能保证较好的操纵性能。

　　E-Fan的电机由韩国KOKAM公司生产的一系列250伏锂聚合物电池驱动。电池装配于机翼内，内部通风，采用被动冷却技术。大量的研究和压力测试验证了E-Fan飞机电池系统可提供充足的安全裕度。目前，飞机可以靠锂电池驱动飞行半小时，空客希望未来可以提升至1小时。

　　E-Fan的另一个创新在于其起落架设计。飞机有两个电力驱动、可伸缩轮的起落架，分别位于机身前部和后部，每一侧机翼下还装有辅助轮。机身后部的主轮由一个6千瓦的电动机驱动，为地面滑跑和起飞时加速至60千米/小时提供能量。因此，飞机在地面滑行和起飞初始加速阶段无需开启主电动机，几乎没有噪音。

　　革命性的E-Airbus

　　除了E-Fan电动飞机项目外，为了响应欧盟“航迹2050”计划(欧盟“航迹2050”计划的目标是以2000年的水平为基点，在2050年前实现将二氧化碳排放降低75%、氮氧化物排放降低90%、噪声降低65%)，空客还在进行混合电推进系统的研发，以寻求2030年服役的基于分布式混合电推进系统的翼身融合飞机方案。

　　2013年11月，空客集团公布了与德国西门子公司和英国罗罗公司联合开发的基于分布式混合电推进系统的“E-Airbus”100座级支线客机概念，并计划在欧盟“航迹2050”的框架下开展深入研究。


　　E-Airbus采用6台电动风扇，每个机翼上沿展向分布3台，并通过一个燃气动力单元(即涡扇发动机连接到发电机，以产生电力)为6台风扇提供电力和为电能存储装置充电，推进系统的等效涵道比预计将超过20。

　　在起飞阶段，E-Airbus所需的额外动力由电能储存装置提供;在巡航阶段，燃气动力单元将提供巡航动力，并带动发电机为电池充电;在初始下降阶段，燃气动力单元关闭，飞机为滑翔模式，之后涡扇发动机以风车状态起动，并产生电能;在降落阶段，燃气动力单元重新启动，提供过量的推力(备用推力)以备飞机所需。

　　罗罗公司称，分布式推进系统的一个主要优点就是能够集成到机体结构上，优化机体周围的流场，同时减轻飞机重量，降低阻力和噪声水平。另外，当边界层气流被风扇吸入并加速时，将减少飞机的尾迹，带来阻力的进一步降低。

　　虽然空客集团目前并没有公布E-Airbus飞机方案在2030年将会处于什么水平以及与“航迹2050”计划中环保目标的对应关系，但是作为“航迹2050”计划的中期动力解决方案，分布式混合电推进系统将大量采用“航迹2050”计划所发展的新技术，预计其具备足够的技术优势，能够使欧盟在实现“航迹2050”计划所定环保目标的征途中迈进一大步。

　　NASA摩拳擦掌

　　相对于欧洲和空客的高调，美国国家航空航天局(NASA)在新能源飞机研发方面要低调得多。但实际上，对于这一可能对航空工业带来重大变革的新技术，NASA早已摩拳擦掌。

　　2014年4月，在NASA“对环境负责任的航空”(ERA)项目支持下，美国试验系统航宇公司提出了一种分布式混合电推进系统架构，并利用仿真设计工具评估了采用这种推进系统的飞行器的性能。此后，波音、通用电气和普惠等公司陆续开展了民用航空分布式混合电推进系统研究。

　　分布式混合电推进系统，是指通过传统燃气涡轮发动机为分布在机翼或机身的多个电机/风扇提供电力，并由电机驱动风扇提供大部分或全部推力(燃气涡轮发动机可部分提供或不提供推力)的一种新型推进系统概念，其最大的优势是能够极大地降低推进系统的燃油消耗和各种排放。

　　美、欧政府均将分布式混合电推进系统视为有潜力在2030年后投入使用的、极有前景的民机动力解决方案，积极组织飞机系统集成商和动力厂商开展预研。

　　NASA已经批准了一项为期3年、总投资1500万美元的项目，将试飞采用分布式电推进(DEP)技术的X验证机。该验证机基于轻型通用飞机，一旦证明技术可行，NASA将在一型9座的通勤飞机验证机上进行进一步试验，为将来60~90座级混合电推进支线飞机上的应用打下基础。

　　目前，NASA位于爱德华兹空军基地的阿姆斯特朗飞行研究中心正在开展相关地面试验。该试验将一副翼展为9.45米的采用DEP技术的机翼安装在一辆卡车上进行滑跑测试。下一步，NASA计划在2017年开始X验证机的飞行试验。其首要目标是验证巡航状态下飞机所需能量能否降低5倍。能量的节省主要来自两方面：首先是碳氢燃料的燃烧效率从28%提高到电推进系统的92%，其次是DEP的气动集成收益。

　　除了推进效率的提升，NASA预测，采用DEP技术的飞行器总运营成本可降低30%。这主要是由于相比航空燃油，电力具有更低的成本。一般来说，电力成本仅为汽车汽油成本的一半，而汽车汽油成本则是航空燃油成本的一半。通常情况下，燃油成本占据了通用航空运营成本的50%左右。

　　除了上述两大优势之外，NASA预计，采用DEP技术的飞行器噪声相比当前螺旋桨驱动的通用飞机可降低15分贝，这来自于安静的电动机以及起飞降落阶段固定桨距桨叶的低叶尖速度。西锐公司SR22轻型飞机的桨叶叶尖速度为274.3米/秒，X验证机上的高升力桨叶的叶尖速度仅为122~152.4米/秒，优势可见一斑。

　　X验证机肩负的另一个使命是帮助NASA建立分布式混合电推力飞机的取证标准。目前，NASA正与标准研发机构如ASTM国际等开展合作，以推进新的能同时用于电动推进系统和通用飞机取证的一致标准。X飞机将只是向FAA提交虚拟取证申请，借此了解取证面临的挑战，这将有助于引领规则的制定。

　　无论是欧洲还是美国，在研发电动飞机过程中遇到的最大问题是当前技术水平下尚无高效的超导电动机和发电机。目前市场上销售的能效最高的电力储存装置是锂电池，但其比能量仅为0.15千瓦时/千克，正在研发中的下一代锂电池的最大比能量也仅为0.45千瓦时/千克，而要满足未来大型商用飞机的要求，电池的比能量至少应达到0.6千瓦时/千克。

　　另外，分布式混合电推进系统中的电动机功率密度必须至少达到16.2千瓦时/千克，而当前的技术仅能够达到8.8~11千瓦时/千克。这两方面的技术限制，导致当前各种分布式混合电推进系统的设计方案体积庞大并严重超重，甚至比传统的燃气涡轮发动机更加笨重。

　　未来发展分布式混合电推进系统，首先需要重点解决更大比能量的电能存储装置和超导电动机及发电机这两大技术难点，这也是国外目前探索和研究的重点。

　　例如，NASA正在持续开展超导技术研究，以进一步提高电机功率密度和能量效率。由于使超导发电机和电动机高效工作的关键之一是实现超冷环境，NASA目前的研究重点在于低温冷却和液氢冷却两种冷却方案。

　　低温冷却方案由喷气燃料驱动制冷机获得超导所需的低温，液氢冷却方案则由飞机携带液氢储罐以提供低温冷却，这两种方案目前都面临不少技术难题。因此，电动飞机要想真正引领未来飞行革命，还有很长的路要走。