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从地上到天上:航空巨头争相研发电动商用飞机 有望2030年落地

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 Winnie Lee • 2018-07-12 17:57:56 来源:前瞻网 E977G0

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(图源:NASA)

2008年,由于油价上涨,电动汽车经历了重生。现在是2018年,是时候重新开始了——在电动航空领域。

在过去的几十年里,航空领域的各个领域都取得了进展。1986年,伯特·鲁坦(Burt Rutan)首次在世界各地直飞、不加燃料地飞行。

30年后的今天,又一次环球旅行结束了,这标志着第一次电动环球航行。这一崇高的旅程开始于阿布扎比机场,16个月后回到了起点。

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。取而代之的是,它使用了太阳能电池板、电动机和四块41千瓦时的锂电池。

它被称为“阳光动力2号”(Solar Impulse 2),它在2016年完成飞行后改变了航空世界。

从那时起,电动商用飞机的前景就从梦想变成了可能。

包括电动飞行在内的未来是一个积极的前景,它将减少当前航空的燃料使用,减少排放,并创造一个更清洁的环境。

根据欧盟委员会的数据,飞机排放目前约占欧盟温室气体排放总量的3%,约占全球温室气体排放总量的4%。

这是一个相当重要的百分比,而且增长速度很快。

相比之下,从伦敦到纽约的航班上每人的排放量大致相当于一个人在欧盟一年的供暖时间。

有了电动航空,这些不断增加的排放可以减少。欧盟雄心勃勃的目标是到2030年将温室气体排放量减少1990年水平的40%,到2050年减少1990年排放量的80%。

从乘客的角度来看,电动飞机是一个巨大的胜利。新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保持性能,而不像燃烧引擎在这些海拔地区效率较低。

因此,飞机引擎的功率必须降低,才能产生等效的速度。

挑战

尽管围绕着电动飞行的理想而有许多大肆宣传和创新,我们的电动引擎驱动的商业飞行仍有很长的路要走。

Burt-Rutan设计的Long-EZ是最近电动飞行的一个例子。2012年,作为最快的电动飞机之一,这架飞机以每小时202.6英里的速度飞行,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585英里,载客量超过242人。

还有很长一段路要走,以目前电池和发动机技术的速度,直到2030年电动商业航空才会出现,甚至混合动力技术也将被用于商业航空。

目前,美国国家航空航天局正在进行一项名为“美国国家航空航天局电动飞机试验台”的项目。

这个项目着眼于目前电动飞行的技术障碍。有了这个试验台,提高效率和减少重量是目标。

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一个实用的可以使用的冷却系统。

这些系统的热管理将需要一个系统,在飞行中可以排出50到800千瓦的热量。用于大功率电子的集成电源模块需要一个冷却系统。

为了提高热性能,需要开发材料,并开发一个用于电力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。

目前最重要的限制因素不是发动机的重量,也不是飞机的设计,而是电池。目前的电池不能提供可行的电力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。

电力航空工业正押下重注,认为能源储存技术将在未来显著改善。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,需要的动力越来越少。

一旦所有这些都解决了,还存在另一个问题。

如何快速有效地更换电池,使飞机从着陆到搭载新乘客和起飞有一个快速的周转时间?

最好的解决方案是更换电池,但即使是这种解决方案也有其困难。电池的维护成本比燃气轮机要高,除此之外,充电周期仅为1,500次就需要更换电池。

此外,当这些电池需要充电时,用电量最高。

当前的竞争

Zunum Aero是一家由波音和捷蓝航空(JetBlue)支持的公司,该公司自2013年以来一直致力于生产10到50座的混合动力支线客机。

他们在2017年10月开始开发一款12座的飞机,目标是在2020年投入飞行。

该设计包括一系列混合管道风扇,这些风扇仅由电池供电,用于短途旅行;还有一个可提供1兆瓦至4-5兆瓦功率的扩展发电机。

一架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700海里。

2018年2月,Zunum公司宣布将建造其首个原型机。

空客E-Fan X公司正与罗尔斯•罗伊斯公司和西门子公司共同开发,想成为混合动力航空领域的先行者。

这款飞机的研发工作是在空中客车E-Fan的基础上完成的。E-Fan是一种两座的原型电动飞机,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包括电机和发电机,它们不是低温冷却的,也不是超导的,导致效率损失超过15%。

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

Eviation Alice是以色列的一种电动飞机,正在由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。这架飞机采用电力推进系统,由95%的复合材料制成。

该公司于2015年成立,目前正在生产其所有电力业务和通勤飞机的首个原型。

莱特电气(Wright Electric)是一家初创公司,目标是开发一种商用客机,使用电池,飞行距离不超过300英里。

该公司成立于2016年,已获得硅谷加速器Y Combinator等集团的风险投资。

2017年9月,英国廉价航空公司易捷航空(EasyJet)宣布,将与莱特电气(Wright Electric)合作开发一款180座的电动飞机,计划在2027年研发。

到目前为止,该公司已经研发出了一款双座的概念机,其中包含600磅的电池。

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(图源:Wright Electric)

Ampaire是一家最近成立的公司,目前正在承担一项重大任务,开发一款改装后的电动飞机,目标是在2020年底前获得美国联邦航空管理局(FAA)的认证。

这架飞机将能搭载7-9名乘客,航程可达100英里。

该公司希望开发一个电池交换系统,并希望明年试飞。

Joby航空公司在过去的十年里一直在从头开始开发他们自己的电动马达和他们目前的VTOL设计。

该公司最近获得了1亿美元的B系列融资,以准备生产和认证。

据报道,这款新型汽车目前正在研发中,只要充电一次就能飞150英里。这对于一架电动飞机来说是非常重要的,并且可以在商业航空领域内用于非常短途的飞行。

在未来的岁月里,街道上到处都是电动汽车,让我们不要忘记,要让我们的天空和我们的道路一样,还有很长的路要走。

当我们走在通往成功的电动飞机的漫长道路上时,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。

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