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电动飞机有望成为现实 面临三大挑战

  • 2018年7月9日 GuoMeng来源:腾讯科技 1434 95
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7月9日消息,据外媒报道,2008年,由于油价上涨,电动汽车经历了重生。现在已是2018年,电动航空领域也是时候重生了。

电动飞机有望成为现实  面临三大挑战

7月9日消息,据外媒报道,2008年,由于油价上涨,电动汽车经历了重生。现在已是2018年,电动航空领域也是时候重生了。在过去的几十年里,航空领域和各个技术领域都取得了进展。1986年,伯特·鲁坦(Burt Rutan)在没有燃油补给的情况下,完成了世界上首次不间断环球飞行。

30年后的今天,又一次环球旅行结束了,只是这次是电力驱动的飞机的首次环球航行。这次旅程始于阿布扎比,16个月后最终回到了起点。这架飞机不同于以往的其他飞机,它不排放废气,也不燃烧燃料。相反,它使用了太阳能电池板、电动机和4块41千瓦时的锂电池。

这个小男孩正通过飞机窗口向外看得入迷

2016年,这架名为“太阳动力2号”(Solar Impulse 2)的飞机完成处女航,并从此改变了航空业的格局。从那时起,电动商用飞机的前景就从梦想变成了可能。电动飞机代表着积极的未来,它将削减当前航空燃料的使用,减少排放,并创造更清洁的环境。

欧盟委员会(European Commission)发布的数据显示,飞机排放目前占欧盟温室气体排放总量的3%左右,占全球温室气体排放量的4%左右。这是个相当高的比例,而且增长速度很快。相比之下,从伦敦飞往纽约航班上的人均排放量,大致相当于欧盟国家居民为自家供暖一年的排放量。

随着电动航空的发展,这些不断上升的排放可能会减少。它将使欧盟雄心勃勃的目标变得更加可行,即到2030年将温室气体排放量减少到1990年水平的40%,到2050年将其控制在1990年排放量的80%。

从乘客的角度来看,电动飞机将带来无数好处。新型飞机将带来更便宜的票价、更低的噪音和更高的爬升速度。有了电动引擎,飞机就能在空气阻力较小的高海拔地区维持高性能,而内燃机在高海拔地区效率较低。因此,飞机引擎的功率必须降低,才能产生等效的速度。

挑战

尽管围绕着电动飞机的理想和创新有各种各样的宣传,但我们距离实现电动飞机的商业飞行目标仍有很长的路要走。伯特·鲁坦(Burt Rutan)设计的Long-EZ是最近电动飞机的最新例证。2012年,作为速度最快的电动飞机之一,这架飞机的时速达到326公里,但其只搭载了一名乘客。相比之下,波音787客机的飞行速度为每小时941公里,载客量超过242人。

以目前电池和发动机技术的发展速度计算,电动航空的实现还有很长的路要走。即使到2030年,混合动力技术有望被用于商业航空。

目前正在进行的一个项目被称为美国宇航局(NASA)电动飞机试验台。这个项目着眼于解决目前电动飞机面临的各种技术障碍。这个试验台以提高效率和减轻重量成为主要目标。随着技术的进步,试验台可以适应为越来越大的发动机提供动力。

另一个存在的挑战是创造实用的冷却系统。这些系统的热管理需要一个冷却系统,大功率集成电源模块需要冷却系统。为了提高热性能,不仅需要开发新材料,还需要开发用于电子冷却的轻型系统。为了降低飞机的电阻,需要超导性和超冷电子学的帮助。

电池

目前最重要的限制因素不是引擎的重量,也不是飞机的设计,而是电池。目前的电池无法提供电动航空所需的动力-重量比。目前,飞机燃料产生的能量是同等质量电池的43倍。电动航空工业正在押下重注,认为能源储存技术将在未来得到显著改善。

这是有可能的,电池能量密度每年上升5%到8%。要使电池在经济上可行的小型航空领域工作,它们需要达到当前密度的五倍。好消息是,飞机的设计越来越好,随着时间的推移,需要的动力也越来越少。

一旦所有这一切都得到解决,另一个问题就出现了,即如何快速有效地更换电池,使飞机从着陆到搭载新乘客重新起飞更快捷?最好的解决方案就是更换电池,但即使是这种解决方案也存在困难。

电池的维护成本比燃气涡轮要高,除此之外,充电周期仅为1500次就需要更换电池。另外,当这些电池需要充电的时候,用电量会非常恐怖。

当前竞争

Zunum Aero是一家由波音公司和捷蓝航空支持的公司,该公司自2013年以来始终在研发10到50个座位的混合动力区域飞机。他们在2017年10月开始开发一款12座飞机,目标是在2020年飞行。

该设计包括一系列混合管道风扇,这些风扇仅由电池供电,并用于短途旅行。它还配有可提供1MW至4-5MW功率的扩展发电机。燃气涡轮机将被用来驱动两台550千瓦的发电机,以便将飞机的航程扩展到1296公里。2018年2月,Zunum Aero宣布将建造其首架原型机。

空中客车正在与劳斯莱斯(Rolls-Royce)和西门子(Siemens)合作开发E-Fan X,这是一种混合动力航空演示设备。这款飞机的研发工作是在空中客车Airbus E-fan基础上完成的。

E-fan是两座位原型电动飞机,正在由空中客车公司开发,它使用车载锂离子电池为两个电动机供电。这款E-Fan于2014年首次试飞,续航时间为60分钟。E-Fan X确实包括电机和发电机,但它们没有低温冷却,也没有超导性,导致效率损失超过15%。

空客希望在制造全电动飞机的过程中创造出一种能够在2020年飞行的混合电动模型,同时进一步发展这项技术。

Eviation Alice是以色列的一种电动飞机,正由Eviation Aircraft研制。这架飞机有三个螺旋桨,两个在翼梢,一个在机身后部。该飞机具有电力推进系统,由95%的复合材料制成。该公司成立于2015年,目前正在生产其所有电气业务和通勤飞机中的第一个原型。

Wright Electric是一家初创公司,旨在研发一种商用客机,它可以使用电池推动,适合在480公里范围内航行。该公司成立于2016年,已获得硅谷加速器Y combinatory等机构的风险投资。

2017年9月,英国廉价航空公司易捷航空(EasyJet)宣布,将在2027年前与Wright Electric开发一款180座的电动飞机。到目前为止,该公司已经建立了两个座位的概念证明设备,包括配置272公斤的电池。

Ampaire是一家最近刚起步的公司,目前正在进行一项重大任务,即开发改装款电动飞机,目标是在2020年之前获得联邦航空管理局的认证。这种飞机将能搭载7-9名乘客,航程可达160公里。该公司希望开发电池交换系统,并希望在明年进行试飞。

Joby Aviation公司在过去的十年里始终在开发他们自己的电动引擎和他们的VTOL设计。该公司最近完成了1亿美元的B轮融资,为生产和认证做准备。

据报道,这种新的电动飞机正在研发中,一次充电就能让最多5个人飞行240公里。这对于一架电动飞机来说这是非常重要的,并且可以在商业航空领域内用于短途飞行。

在未来几年里,街道上将充斥着电动汽车,当要让天空中的电动飞机变得与公路上的电动汽车同样繁忙还有很长的路要走。当我们走在通往成功电动飞机的漫长道路时,我们将会想起成功的电动汽车所经历的危险旅程。一旦突破了电池、引擎和设计的障碍,这些飞机将很快起飞。


延伸阅读

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