純電動飛機(jī)調(diào)研

1、電動飛機(jī)，離我們還有多遠(yuǎn)？2017-05-12來源：好奇心日報(bào)作者：馬若飛投稿排行榜2017-05-13 12:19:20習(xí) 我來說兩句(1)字體大?。捍笾行》窒鞻ariFlightA-CDM智慧機(jī)場大腦巳覆蓋國內(nèi)外85家機(jī)場1957年的預(yù)言，其實(shí)沒有近很多1957年夏天，一個美國少年在達(dá)拉斯坐上一輛長途巴士，準(zhǔn)備前往俄克拉荷馬城看望 他的父親。這時(shí)距離蘇聯(lián)發(fā)射人類第一顆人造衛(wèi)星“斯普特尼克1號”還有三個月、距離NBC開始 播放彩色電視節(jié)目還有一年。飛行汽車10年內(nèi)就會普及。這是少年羅伯特薩德勒(Robert Sadler)在大巴上看大眾機(jī)械(Popular Mechanics) 雜志的結(jié)論。

2、7月刊的封面上，展示了一輛會飛的汽車。這輛車沒有車輪，車身中部是紅色 的乘員艙，車身前后布置了四個升力風(fēng)扇。封面左下角寫道：1967年，你的飛行汽車。12歲的薩德勒為此懊惱了幾個星期。他還沒拿到駕照，覺得等他長大就沒辦法開到地面上跑的汽車了。薩德勒后來參加了越戰(zhàn)、當(dāng)過警察，退休之后成了小說家。在第一本小說牙買加月亮 里，他用書中的虛擬人物再次演繹了這段1957年夏天的內(nèi)心波瀾：我永遠(yuǎn)都不能開車了。現(xiàn)在60年過去。人類去了月球，不止一次。但飛行汽車一直沒有影子直到最近。今年4月底的TED大會上，創(chuàng)業(yè)公司Kitty Hawk的空氣動力負(fù)責(zé)人Todd Reichert上 臺放了一段視頻：一個極限運(yùn)動

3、愛好者裝扮的人騎在一個大疆和摩托車結(jié)合體一樣的飛 車二飛了起來。Reichert幾個月后就會有比較粗糙的樣機(jī)供人騎行，年底前看上去更完善的產(chǎn)品會上 市。Kitty Hawk CEO是原Google無人駕駛負(fù)責(zé)人Sebastian Thrun，它的投資來自 Google創(chuàng)始人拉里佩奇。Kitty Hawk只是一眾飛行公司里野心最小的那一個。在Reichert宣布飛行計(jì)劃的那周，Uber在達(dá)拉斯召開了飛行出租車大會。會上，制造 出休伊、眼鏡蛇、魚鷹等直升機(jī)巨頭貝爾直升機(jī)宣布了和Uber合作電動飛行出租車的計(jì)劃。另一邊，空客宣布了類似的計(jì)劃，在硅谷成立了一家叫A3的全資子公司，主要目標(biāo)也 是研制可以

4、承載一人的垂直起降電動飛機(jī)，項(xiàng)目名字叫做Vahana”，梵語的意思是“神的座 駕”。Uber和空客的計(jì)劃都差不多：造一個無人垂直起降飛行器，可以自動去接了乘客再飛 到目的地。2020年就來。更宏偉的是硅谷最大創(chuàng)業(yè)孵化器YC今年推出的萊特電動(Wright Electric)20年 內(nèi)，帶來電力飛行的，能夠乘坐上百人的支線客機(jī)。萊特電動、Kitty Hawk(萊特兄弟試飛人類第一架飛機(jī)的地名)，從這些名字也能看出 他們的野心。2017真的會變成“1967” 了么？市場期待電動飛機(jī)，這關(guān)系到航空公司成本所有這些計(jì)劃的共同點(diǎn)都是電動，因?yàn)殡姍C(jī)和電池足夠簡單?！翱罩谐鲎廛嚒庇盟鼈?，體 積有望比直升機(jī)更

5、小。支線客機(jī)用它，更省錢。今天航空業(yè)不擔(dān)心飛機(jī)性能?，F(xiàn)代的民航飛機(jī)是人類創(chuàng)造出的性價(jià)比最高的交通工具之 。今天客機(jī)的動力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了起飛需求。波音在售的雙發(fā)動機(jī)客機(jī)，在一臺發(fā)動機(jī)停機(jī)后還可以保證順利降落。而且它的人均效率比汽車發(fā)動機(jī)高許多。以波音最新推出的787型洲際客機(jī)為例，787-8型飛機(jī)的最大油箱容積超過12萬升， 最遠(yuǎn)航程超過15000公里。以3級客艙配置的242個座位計(jì)算，每一位乘客每公里只消耗 0.03升航空煤油。實(shí)際上很多兩級艙位設(shè)計(jì)的787-8能運(yùn)載超過300人。這個油耗性能，一輛轎車要坐滿四個人才能達(dá)到一一而且慢得多。航空煤油的價(jià)格大約 只有汽油的一半或更低。但這個燃油成本還是

6、太高。目前，在競爭激烈的美國航空公司，燃油成本要占全部成本 的三分之一。航空公司已經(jīng)減無可減，只好把成本縮減放在了增加座位數(shù)和減少服務(wù)上。于是經(jīng)濟(jì)艙 越來越擠、東西越來越難吃、能免費(fèi)帶上去的行李越來越小。同時(shí)航空發(fā)動機(jī)，還在消耗化石燃料，飛行過程中會排量大量的二氧化碳。2012年， 歐洲曾將航空業(yè)納入歐盟碳排放交易體系(Emissions Trading System, ETS)，規(guī)定從歐 洲出發(fā)及抵達(dá)的航班所屬的公司都必須為全年排放的所有二氧化碳繳納15%的費(fèi)用。這個 措施讓單張機(jī)票價(jià)格漲價(jià)至少60歐元。但美國、中國等航空業(yè)大國家抵制這一法案，認(rèn)為這個法案沒有從發(fā)動機(jī)制造、燃料等 源頭領(lǐng)域控

7、制排放，對航空公司征收是不公平的。2013年秋天開始，歐盟針對航空公司的 碳排放收費(fèi)暫停。雖然暫停了，但減少碳排放的方向沒有變。航空運(yùn)輸業(yè)在全球范圍內(nèi)制定的碳減排目標(biāo)包括，到2020年，每年將燃油效率提高 1.5%； 在 2020年前，制定凈排放量上限并實(shí)現(xiàn)碳中和增長；截至2050年，將碳排放量降 低至2005年的一半。在這樣的困境下，現(xiàn)在航空公司采用的改進(jìn)措施是使用從食品廢物油 等中提取的生物燃料，來替換航空煤油，以同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能和縮減成本。但是，生物燃油不是徹底的解決方案，因?yàn)楝F(xiàn)在的問題是，全球都對二氧化碳排放控制 越來越嚴(yán)格。也就是說，總有一天航空業(yè)也會是碳排放管制的行業(yè)。也許航空公司沒有

8、選擇， 但是作為飛機(jī)制造商，像空中客車和波音的這樣的公司，為了公司和行業(yè)的未來，也必須找 到替代方案。電動飛行的最大挑戰(zhàn)是動力電動正在改造汽車業(yè)，現(xiàn)在進(jìn)入飛行生意的新公司也在做同樣的事。但這也是最難的地方。讓現(xiàn)代民航飛機(jī)這么高效飛行的原因來自機(jī)翼下吊著的那兩臺渦輪噴氣發(fā)動機(jī)。常見民航客機(jī)都已經(jīng)是噴氣式發(fā)動機(jī)，但它們和加速時(shí)噴射出長長火焰的戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī) 不一樣，民航客機(jī)的發(fā)動機(jī)超過70%的推力不來自渦輪的壓縮燃燒，而是來自外圈被推動 的風(fēng)扇。你能從正面看到一個旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇，正是這個風(fēng)扇為民航飛機(jī)提供了大部分動力。同時(shí)，還有很多支線客機(jī)使用渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)，最常見的ARJ系列、龐巴迪Dash 8 系

9、列和中國制造的新舟系列支線飛機(jī)。簡單說，今天在飛的民航客機(jī)，幾乎全都靠燃燒航空燃油推動風(fēng)扇或螺旋槳轉(zhuǎn)動產(chǎn)生動 力。這就給電動飛機(jī)帶來了可能，因?yàn)榭侩娏︱?qū)動電動機(jī)，也可以讓風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)，讓飛機(jī)起飛。 理論上來說，波音和空客飛機(jī)使用的渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)，把核心部件從渦輪換成電動機(jī)，只要 有足夠的電力驅(qū)動風(fēng)扇以相似的速度旋轉(zhuǎn)，飛機(jī)照樣可以飛。問題是，現(xiàn)在的電池還太弱了。根據(jù)Batterybro網(wǎng)站的計(jì)算，噴氣飛機(jī)使用的航空煤油每千克的能量密度，是常見的 動力電池18650電池的138倍。18650是一種棒狀的鋰電池單元，特斯拉汽車的電池就是 7000多塊這種部件組成。很顯然，給787換上電機(jī)，載著300人從

10、北京飛到紐約是完全沒可能了。退而求其次，改進(jìn)氣動力設(shè)計(jì)造、小一點(diǎn)的飛機(jī)是普遍想法。創(chuàng)業(yè)公司萊特電動的目標(biāo)就是如此。這家YC孵化的公司每周都會發(fā)一份周報(bào)，介紹 自己接觸了什么人、做了什么工作、研究了什么問題。在2017年4月23日萊特電動的周報(bào)里，他們設(shè)定了一個電池技術(shù)目標(biāo)：400瓦時(shí)每 千克的能量密度。但這個密度只有航空燃油的數(shù)十分之一，但還是比今天特斯拉18650的 250瓦時(shí)每千克高出太多。同時(shí)，鋰電池的技術(shù)進(jìn)步也很緩慢。隨著手機(jī)、電腦、電動汽車的應(yīng)用，這20年來， 工業(yè)用鋰電池得到了不小的改進(jìn)。但從1991年到2011年，鋰電池的能量密度提升了一倍， 達(dá)到了大約200-300瓦時(shí)每千克的

11、水平，同時(shí)，這種改進(jìn)帶來的增長曲線正在變慢。按照這個曲線，即使按照萊特電動自己預(yù)期可以滿足最低要求的電池性能，現(xiàn)在的電池 能量密度至少需要再提升50%到一倍性能指標(biāo)才能達(dá)標(biāo)。以今天的進(jìn)步速度，可能是20年 甚至更遠(yuǎn)的事。另外一個選擇來自燃料電池。理論上來說，燃料電池是一個非常優(yōu)越的動力來源，比如 氫燃料電池或是乙醇燃料電池，都可以用常規(guī)的燃料罐來存儲燃料，續(xù)航里程也很長。豐田 制造的Mirai氫燃料電池車，充滿一罐氫氣的時(shí)間只要幾分鐘，續(xù)航里程可以達(dá)到700公 里。但是燃料電池目前不可能在民航飛機(jī)上大規(guī)模應(yīng)用，一個原因是燃料電池所需的貴金屬 材料比較稀缺，造價(jià)太貴，另一個是大規(guī)模的燃料電池反應(yīng)

12、堆放在飛機(jī)上不夠安全。目前上天的電動飛機(jī)，都不適合大量載人已經(jīng)有很多原型和試驗(yàn)機(jī)在電力飛機(jī)上做了許多嘗試。NASA和AeroVironment合作開發(fā)的太陽神（Helios）太陽能原型機(jī)是最著名的電動飛 機(jī)之一。這架無人遙控飛機(jī)長度只有3.6米，相當(dāng)于一臺奔馳-Smart微型車，但翼展非常 大，超過了 75米，比翼展65米的波音747客機(jī)還要寬，看上去就像一根會飛的尺子。太陽神的機(jī)翼表面覆蓋了太陽能電池，同時(shí)有鋰電池存儲多余的電力，有14具2馬力 的電動引擎驅(qū)動飛機(jī)。根據(jù)設(shè)計(jì)，這架飛機(jī)可以飛到30000米高，同時(shí)續(xù)航可以達(dá)到幾個 月之久。2001年，太陽神飛機(jī)試飛成功，飛行高度最高達(dá)到2952

13、4米，打破了固定翼飛機(jī)的世 界紀(jì)錄，并且保持了超過40分鐘。相比之下，正常民航飛機(jī)飛行的高度大概是9000米左 右。在30000米這個高度上，太陽神可以避開所有氣流、陰雨等大氣活動，實(shí)際上已經(jīng)變 成了一臺大氣層中的衛(wèi)星，這也是太陽神的設(shè)計(jì)初衷。2003年，太陽神飛機(jī)的改進(jìn)版，動力系統(tǒng)更換為氫燃料電池的第二代原型機(jī)在試飛起 飛階段因?yàn)闅庀笤蚴陆怏w。電動飛機(jī)當(dāng)然也有可以載人的。2014年空中客車在法國范堡羅航展上展出了一臺叫做E-Fan的雙座小型飛機(jī)，這架飛機(jī)由鋰電池電力驅(qū)動，機(jī)翼后方安裝了兩臺60千瓦的電動 機(jī)用來驅(qū)動涵道風(fēng)扇，可以提供1小時(shí)的續(xù)航時(shí)間。E-Fan在范堡羅航展上的試飛很成功。

14、在空中客車的計(jì)劃中，E-Fan未來的改進(jìn)型上會 有一些有趣的設(shè)計(jì)，比如起落架輪就像汽車一樣是有動力的，可以在起飛時(shí)用輪子加速到約 60公里再利用電動發(fā)動機(jī)起飛，以節(jié)省電力一一不然就需要全程靠螺旋槳煽起的風(fēng)在地面 推動飛機(jī)到起飛速度，這是最耗能的階段?？罩锌蛙囋O(shè)計(jì)E-Fan的長期發(fā)展目標(biāo)是從這架用于訓(xùn)練的兩座鋰電池發(fā)飛機(jī)開始，發(fā) 展出續(xù)航更長，四個座位，換裝煤油燃料電池的輕型飛機(jī)，最終目標(biāo)是在2020年之后完成 一種90個座位，可以投入商業(yè)運(yùn)營的電動支線客機(jī)。但因?yàn)殡妱语w機(jī)的相關(guān)進(jìn)展太慢，E-Fan計(jì)劃在2017年4月被取消，空中客車轉(zhuǎn)向了 傳統(tǒng)引擎加混合動力，比如裝著電動輪子飛機(jī)的研發(fā)。還有另

15、外一架電動飛機(jī)走得更遠(yuǎn)。2016年7月，瑞士探險(xiǎn)家貝特朗皮卡爾和安德烈波許博格主導(dǎo)的太陽能飛機(jī)項(xiàng)目“陽 光動力2號”(Solarimpulse 2)累計(jì)歷時(shí)558小時(shí)，分成17段航程完成了環(huán)球飛行。這架飛機(jī)由“陽光動力”項(xiàng)目組設(shè)計(jì)制造，翼展71.9米，機(jī)翼上安裝了 11628塊柔性單 晶硅太能能電池，總面積200平方米。這些電池給總共86千瓦時(shí)的鋰離子電池充電，驅(qū)動 四臺約7千瓦的電動機(jī)在白天和夜晚不間斷運(yùn)行。陽光動力2號2015年3月9號從阿聯(lián)酋阿布扎比出發(fā)，歷經(jīng)13小時(shí)抵達(dá)安曼的馬斯 喀特，稍作停留之后飛往印度艾哈邁達(dá)巴德。之后的路程途徑印度瓦拉納西、緬甸曼德勒、 中國重慶、日本名古屋、美

16、國夏威夷等等地點(diǎn)，最終回到阿布扎比。這17段航段中大部分 航程時(shí)間在20個小時(shí)以內(nèi)，但少部分航段的時(shí)間長達(dá)數(shù)天：從南京飛往名古屋歷時(shí)44小 時(shí)，從名古屋飛往夏威夷歷時(shí)117小時(shí)，從夏威夷飛往加州歷時(shí)62小時(shí)。這架飛機(jī)之所以分段航行，除了項(xiàng)目本身是希望前往世界各地宣傳清潔能源之外，主要 原因是這架飛機(jī)總重只有2.3噸，更像一臺動力滑翔機(jī)，更容易受氣流影響，所以飛行員必 須長期保持駕駛狀態(tài)。在橫跨太平洋的117小時(shí)飛行中，也就是超過5個日夜的飛行中， 飛行員必須以一種駕駛兩個小時(shí)，睡覺20分鐘的特殊模式來完成飛行。換句話說，這架飛機(jī)的動力部分足以支持它一直在天上飛，但控制系統(tǒng)不夠完善，飛行 員堅(jiān)持

17、不了那么長時(shí)間。關(guān)于“陽光動力2號”，有一件很有趣的事情。2015年3月31日凌晨，陽光動力2號接 近重慶江北機(jī)場。在降落之前，陽光動力2號在空中遭遇了強(qiáng)風(fēng)。駕駛員貝特朗皮爾卡被 地面告知，他當(dāng)時(shí)的地速，也就是飛機(jī)相對于地面的絕對速度是-20公里每小時(shí)。也就是 說，這架飛機(jī)的速度比當(dāng)時(shí)的風(fēng)速還要慢。實(shí)際上，包括NASA太陽神、陽光動力2號在內(nèi)的長續(xù)航太陽能電力飛機(jī)，都采用的 相似的設(shè)計(jì)，與其說他們是飛機(jī)，不如說是動力滑翔機(jī)。很顯然，買機(jī)票出行的乘客不能接受這樣的速度。在之前的一次采訪中，空中客車的首席技術(shù)官Paul Eremenko曾表示，如果動力系統(tǒng) 發(fā)生革命，未來的民航飛機(jī)將不再采用現(xiàn)在這

18、種樣子，外形可能會發(fā)生較大改變。他說，如果未來的混合動力發(fā)動機(jī)小型化，一架飛機(jī)就可能安裝很多個發(fā)動機(jī)。如此一 來，飛機(jī)現(xiàn)在的機(jī)翼-機(jī)身結(jié)構(gòu)可能會被替代，變成協(xié)和式飛機(jī)的三角翼或是NASA X-48實(shí) 驗(yàn)飛機(jī)那樣的翼身融合結(jié)構(gòu)?？罩锌蛙嚹壳耙呀?jīng)在飛機(jī)的能源改變上做了一些嘗試。今年3月，空中客車已經(jīng)宣布 和西門子達(dá)成合作，會在混合動力民航飛機(jī)方面聯(lián)合開發(fā)。Paul Eremenko同時(shí)說，全電動化大型商業(yè)用飛機(jī)受能量存儲技術(shù)，也就是電池技術(shù) 的限制，現(xiàn)在談?wù)撨€為時(shí)尚早。類似大號無人機(jī)的空中出租車是大公司的目標(biāo)稍微近一點(diǎn)的是電動飛行出租車。在電影第五元素里，未來的紐約已經(jīng)變成了一座立體城市，經(jīng)典的黃

19、色出租車已經(jīng) 變成了飛船，不同的車道變成了在空中不同高度層飛行。這差不多就是Uber 4月底召開飛行大會的目標(biāo)。會上，Uber宣布會和貝爾直升機(jī)合作， 聯(lián)合開發(fā)用于城市空中通勤的自動交通系統(tǒng)。在Uber的設(shè)想里，電動無人飛行器也是汽車 的代替，但并不按照汽車的方式來前進(jìn)。Uber設(shè)想，當(dāng)飛行技術(shù)和自動駕駛技術(shù)成熟之后，鬧市區(qū)的樓頂和城郊的住宅區(qū)會建 立能容納數(shù)艘電動飛行器的停機(jī)坪，用戶只需要像今天的用手機(jī)叫車一樣呼叫一架飛車就可 以快速通勤。同樣的，空中客車的的計(jì)劃也是如此。2017日內(nèi)瓦車展上，空中客車展出了一個叫做 Pop.Up的電動個人飛行器的原型。這臺被稱為電動汽車的載具目前還是一臺靜

20、態(tài)展示模型，外形看起來很熟悉：四個帶函 道的旋翼田字形排列，下方有一個成員吊艙，看起來完全就是大疆“精靈”航拍無人機(jī)的放大 版。這種設(shè)計(jì)非常普遍，在2016年的CES展會上，中國玩具無人機(jī)廠商億航也展出了一 個非常類似的東西。目前，有創(chuàng)業(yè)公司的原型個人飛行器采用了類似的傾轉(zhuǎn)旋翼設(shè)計(jì)。德國慕尼黑的百合航 空(Lilium Aviation)4月份曾成功試飛了他們的原型機(jī)。這臺飛機(jī)是雙座、電動、垂直起降結(jié)構(gòu)，由機(jī)翼和機(jī)身前部共36臺小型涵道風(fēng)扇提供 動力，起飛階段風(fēng)扇朝下，平飛階段風(fēng)扇轉(zhuǎn)向后方。百合航空宣稱，這架飛機(jī)可以續(xù)腿00 公里，速度可以達(dá)到300公里每小時(shí)。但這架飛機(jī)看上去也很不靠譜。Em

21、bry-Riddle航空大學(xué)的空氣動力學(xué)家Charles Eastlake說，這架飛機(jī)的性能言過其實(shí)，因?yàn)閰^(qū)區(qū)600公斤的起飛重量，所包含的電池?zé)o 法驅(qū)動這架450馬力的飛機(jī)飛行一小時(shí)。實(shí)際上，裝了超過900公斤電池的特斯拉Model S， 也只能在地上跑400公里而已。但這樣的設(shè)計(jì)確實(shí)看上去是飛行汽車的方向:垂直起降而不需要跑道，乘員艙不用太大， 像轎車一樣能坐2-4個人就足夠了，同時(shí)續(xù)航也無需太長，因?yàn)槌鞘型ㄇ谝话胍簿驮?00 公里以內(nèi)。要達(dá)到垂直起降、同時(shí)兼顧飛行速度的需求，波音和貝爾直升機(jī)聯(lián)合研發(fā)的V-22魚鷹 傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)設(shè)計(jì)會比大疆更合適。V-22有兩具旋翼，起飛的時(shí)候旋翼向上垂直起

22、飛，之后旋翼會旋轉(zhuǎn)朝向前方，飛機(jī)的 飛行姿態(tài)就變成了固定翼飛機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)比直升飛機(jī)更好的飛行性能。但這件事實(shí)現(xiàn)并不容易，因?yàn)槿祟惒⒉徽嬲斫怙w行背后的原理。廣泛流傳的飛行理論： 飛機(jī)能飛是因?yàn)闄C(jī)翼上下表面的表面積不同，空氣流過產(chǎn)生壓力差讓飛機(jī)起飛。這種理論已 經(jīng)被NASA自己的研究結(jié)果否定。直接的反證是戰(zhàn)斗機(jī)頭朝下也可以飛行，理論上來說這 時(shí)候機(jī)翼無法產(chǎn)生升力。所以盡管航空業(yè)通過大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了各種不同飛機(jī)設(shè)計(jì)的飛行效果。但每當(dāng)一個新設(shè)計(jì) 出現(xiàn)，還是需要非常多的測試，實(shí)際經(jīng)歷各種極限狀況，才能保證安全。這個過程還不能完 全在實(shí)驗(yàn)室用計(jì)算機(jī)仿真解決。V-22魚鷹的研發(fā)因?yàn)槭侨碌念I(lǐng)域，就曾遇到重大波折。1997年開始，魚鷹在原型機(jī) 階段發(fā)現(xiàn)飛機(jī)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)，容易陷入渦環(huán)效應(yīng)導(dǎo)致墜毀，發(fā)生了三次重大事故，造成20多名 士兵和工程人員喪生，這個故障后來得到解決。軍人在訓(xùn)練中喪生，飛機(jī)在試飛階段死亡都是令人遺憾但預(yù)期中可能發(fā)生的損失。但叫 出租