電動(dòng)式飛機(jī)蓄勢(shì)待發(fā)

李雨蒙

1909 年法國(guó)人路易·布萊里奧駕駛飛機(jī)成為人類歷史上飛越英吉利海峽的第一人。約一個(gè)世紀(jì)后，作為零排放、電力驅(qū)動(dòng)載人飛行器的代表，歐洲空客公司E-Fan 電動(dòng)飛機(jī)成功跨越英吉利海峽的飛行將成為航空史上的里程碑。

無(wú)污染低成本

E-Fan 飛機(jī)有兩具電動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)兩組可變頻渦扇推進(jìn)器，總耗電60 千瓦，內(nèi)建12 cell 的鋰聚合物電池，電池以被動(dòng)式氣冷散熱，起飛時(shí)先由機(jī)輪動(dòng)力馬達(dá)如電動(dòng)車一般加速到時(shí)速60 公里，才改用渦扇推進(jìn)器推進(jìn)，可大幅減少起飛過(guò)程所需的能量，全機(jī)重量500 公斤，可搭乘2 人。特別的是，E-Fan100%依靠電池續(xù)航，無(wú)需航油提供動(dòng)力。由于依靠電池提供動(dòng)力，所以E-Fan 在飛行過(guò)程中不會(huì)排放廢氣，在E-Fan 試飛的過(guò)程中也幾乎聽不到任何刺耳的噪音，相比普通飛機(jī)顯得非常安靜?，F(xiàn)在，空客公司將E-Fan 作為教練機(jī)使用，其優(yōu)點(diǎn)就是費(fèi)用低，可以極大降低學(xué)習(xí)駕駛的費(fèi)用，E-Fan 飛行一小時(shí)的能源成本只有2 歐元（約合人民幣17 元），而傳統(tǒng)的教練機(jī)，同樣以飛行一小時(shí)計(jì)算，燃料成本需要36-46 歐元。

分布式電能推進(jìn)（DEP）

相比傳統(tǒng)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)或渦輪式引擎，電動(dòng)飛機(jī)所運(yùn)用的電能推進(jìn)（electric propulsion）的技術(shù)優(yōu)勢(shì)頗為明顯，例如電子控制的最新式電動(dòng)引擎能夠提供大量扭力，可有效推動(dòng)螺旋槳、扇葉及輪胎。電動(dòng)引擎所需零件較少，也減少了出現(xiàn)零件磨損或破損的機(jī)會(huì)。特別的是，電能推進(jìn)有能力打破現(xiàn)有飛機(jī)設(shè)計(jì)限制，讓一些顛覆傳統(tǒng)飛機(jī)設(shè)計(jì)的概念成真，而這其中的奧妙在于“分布式電能推進(jìn)”（DEP）。

“分布式電能推進(jìn)”概念在于利用一系列電能螺旋槳，取代現(xiàn)有飛機(jī)笨重的噴射引擎，而且不一定要安裝在機(jī)翼下，可按需要設(shè)置在機(jī)身不同位置。除了允許打造出外表截然不同的飛機(jī)外，也可以減少機(jī)翼面積及重量，節(jié)省燃料。同時(shí)每個(gè)電能螺旋槳能夠單獨(dú)控制和運(yùn)作，通過(guò)調(diào)節(jié)飛機(jī)不同部位的推力，有助機(jī)師更好應(yīng)對(duì)飛行環(huán)境改變，例如突如其來(lái)的強(qiáng)風(fēng)或氣流。

空客的E-Thrus 混合動(dòng)力飛機(jī)

除了近日引發(fā)關(guān)注的E-Fan 電動(dòng)飛機(jī)，空客公司與英國(guó)飛機(jī)引擎制造商勞斯萊斯合作，共同生產(chǎn)一款名為E-Thrust 的電動(dòng)式飛機(jī)。E-Thrust 的目標(biāo)是要實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)， 能夠攜帶90 名乘客飛行兩個(gè)小時(shí)甚至更久。不過(guò)， 這也要依賴于未來(lái)儲(chǔ)存電池在技術(shù)的突破才能得以實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，這個(gè)概念也是使用分布式推進(jìn)的概念， 但有一點(diǎn)不同的是，E-thrust是混合動(dòng)力飛機(jī)?？湛蛢煞N飛機(jī)的研發(fā)，能夠在未來(lái)的發(fā)展中取長(zhǎng)補(bǔ)短。

E-Thrust機(jī)尾裝有傳統(tǒng)噴射引擎，每邊機(jī)翼則各有3個(gè)電力推動(dòng)的螺旋槳。飛機(jī)起飛時(shí)，引擎和6 個(gè)螺旋槳會(huì)全速運(yùn)作，提供最大升力；當(dāng)?shù)竭_(dá)航行高度，噴射引擎功率會(huì)稍為下降，但仍足以推動(dòng)螺旋槳及為電池充電；開始下降時(shí)，噴射引擎及螺旋槳都會(huì)關(guān)閉，讓飛機(jī)進(jìn)入滑翔狀態(tài)，迎面而來(lái)的氣流會(huì)把螺旋槳變成風(fēng)車一樣，為電池充電；降落時(shí)則主要利用螺旋槳，若需要額外動(dòng)力則可再次啟動(dòng)噴射引擎。混能系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)在于可提升涵道比（bypassratio），即空氣被引進(jìn)噴射引擎后，流經(jīng)核心部位外（ 外進(jìn)氣道） 的空氣及流進(jìn)燃燒室（內(nèi)進(jìn)氣道） 的空氣流量比率。

早期客機(jī)的引擎主要從內(nèi)進(jìn)氣道噴出的空氣取得推力，涵道比約為5：1，這導(dǎo)致它們需要更多能量及產(chǎn)生較大噪音，現(xiàn)代客機(jī)涵道比則約為12：1， 而只有尾部設(shè)有噴射引擎的E-Thrust，涵道比估計(jì)高達(dá)20：1，使得它燃油效率高之外還非常安靜。而另一優(yōu)勢(shì)來(lái)自于，分散在機(jī)翼上的螺旋槳，可有效捕捉到流經(jīng)機(jī)翼表面的緩慢空氣，這些空氣會(huì)對(duì)機(jī)翼構(gòu)成拉力，猶如把客機(jī)向后拖，令客機(jī)要消耗更多燃料維持航速。電動(dòng)螺旋槳可以把這些緩慢空氣加速，減少對(duì)客機(jī)的拉力。

混合動(dòng)力系統(tǒng)的一大優(yōu)點(diǎn)就是它提供了一個(gè)巨大的提升飛機(jī)的“搭橋”比率。當(dāng)爆炸離開核心的渦輪， 通過(guò)軸轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)扇前面的引擎來(lái)吸引更多的空氣。E-Thrust 整齊的混合設(shè)置都圍繞這些問(wèn)題， 因?yàn)橹挥形舶偷膰姎獍l(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的核心。這意味著所有的空氣流經(jīng)6 個(gè)電動(dòng)的粉絲為其“有效”的涵道比20：1 或更多。這將為飛機(jī)極大地節(jié)省燃油， 變得安靜。

NASA LEAPTech 機(jī)翼技術(shù)

NASA（美國(guó)航空航天局）已經(jīng)測(cè)試了名為前沿異步推進(jìn)的技術(shù)（LEAPTech），這種新型機(jī)翼設(shè)計(jì)很有可能應(yīng)用于新一代飛行模擬器X-Plane 上。LEAPTech 的主要潛在優(yōu)勢(shì)包括，降低對(duì)石油燃料的依賴，改善飛機(jī)性能和飛行質(zhì)量，并降低飛機(jī)噪聲。LEAPTech 項(xiàng)目是NASA未來(lái)10 年內(nèi)將飛機(jī)工業(yè)過(guò)渡到電力推進(jìn)系統(tǒng)的一個(gè)重要部分，并且具有在下一個(gè)時(shí)期向通用航空飛機(jī)轉(zhuǎn)化，并在長(zhǎng)期內(nèi)向運(yùn)輸飛機(jī)轉(zhuǎn)化的潛力。

Sceptor 小型電動(dòng)飛機(jī)

現(xiàn)在，NASA 正在利用DEP 技術(shù)打造小型飛機(jī)Sceptor。Sceptor 的小型螺旋槳會(huì)增加飛機(jī)的升力以較低的速度， 使它在更短的跑道上起飛和降落。這也意味著機(jī)翼可能更加纖細(xì)， 也許只有三分之一的傳統(tǒng)飛機(jī)機(jī)翼的寬度， 從而節(jié)約重量和燃油成本?？墒?，大翅膀在飛機(jī)巡航時(shí)效率不高， 因?yàn)樗鼈冊(cè)斐闪嗽S多阻力。Sceptor 巡航的翅膀?qū)⒏觾?yōu)化， 但仍舊可以提供足夠的提升有助于防止在起飛或降落的停滯。一旦Sceptor 測(cè)試成功，這項(xiàng)技術(shù)有可能融入小型客機(jī)中，幫助它們達(dá)到零排放和極度安靜的飛行，營(yíng)運(yùn)開支也會(huì)較現(xiàn)在少30%。

技術(shù)挑戰(zhàn)

電動(dòng)飛機(jī)仍有多項(xiàng)重大技術(shù)障礙需要跨越，當(dāng)中最棘手的在于電池容量和推力。雖然近年來(lái)電池技術(shù)的研究突飛猛進(jìn)，但續(xù)航力相對(duì)傳統(tǒng)飛機(jī)仍有明顯差距，例如E-Fan 所用的鋰離子電池只能支撐約一小時(shí)的飛行。另一方面，超導(dǎo)體的技術(shù)和研究未足以為飛機(jī)提供理想的推力，使得電動(dòng)飛機(jī)在性能上仍然難以跟傳統(tǒng)的飛機(jī)相比。

然而放眼未來(lái)，飛行科技的電動(dòng)化發(fā)展必將為航空業(yè)開啟第二個(gè)“黃金時(shí)代”。

編譯自《大西洋月刊》《NASA 官網(wǎng)》