2040油電混動飛上天

盧西

面對越來越嚴苛的環(huán)保標準，汽車行業(yè)幾十年前就開始進行混動技術(shù)的嘗試，到如今已經(jīng)有了很深的技術(shù)積累，在減排方面卓有成效。但迄今為止在商用航空市場還沒有混動飛機的身影，甚至沒有具體的技術(shù)研發(fā)項目。

直到挪威政府最近提出將于2040年短途航空全部由混動和電動飛機來執(zhí)飛，再次表現(xiàn)出北歐國家在環(huán)保領(lǐng)域的巨大野心。挪威機場運營商阿維諾爾公司表示非常支持，承諾將多采購混動甚至電動飛機來鼓勵飛機制造商。

由于飛機對動力的巨大需求和渦輪發(fā)動機的結(jié)構(gòu)，不能像汽車發(fā)動機一樣安裝三元催化器降低氮氧化合物排放。通用電氣公司在GEnX、Leap等最新商用發(fā)動機項目中大幅提高發(fā)動機效率降低排放，其核心在于其先進的燃燒室技術(shù)。但降低的排放幾乎只在巡航狀態(tài)中，地面滑行和低空飛行時，氮氧化合物排放幾乎沒有變化，還是非常高。而這部分的排放恰恰是對人類和環(huán)境影響最大的。

所謂混動飛機現(xiàn)指在機場滑行和低空飛行時由純電驅(qū)動以消除排放，在高空巡航時才開啟增程燃氣輪機。這也并不是一個全新的概念。

至少從空氣動力學(xué)來說，并不新?，F(xiàn)代超大涵道比商用渦扇發(fā)動機的推力，90%以上都是由外涵道風(fēng)扇制造的，更像是一臺燃氣輪機驅(qū)動同軸的推力風(fēng)扇。而電動推力風(fēng)扇則是完全省去了內(nèi)涵道，由電動機來驅(qū)動推力風(fēng)扇。可以說混動飛機的動力架構(gòu)甚至比混動汽車更簡單，飛機由電動風(fēng)扇驅(qū)動，風(fēng)扇的電能來自電池和增程燃氣輪機（渦軸發(fā)動機）。如果沒有增程需求，甚至連燃氣輪機都省了，就成了純電動飛機。降低風(fēng)扇噪音的同時由內(nèi)涵道和APU產(chǎn)生的噪音也全部被避免。

但，不新并不代表不難。混動飛機最大的限制就是電池。一臺起飛重量16噸的DHC-8-100/200，裝備兩臺普惠PW120系列發(fā)動機輸出總功率大約3兆瓦。輸出3兆瓦的電池需要極強的散熱系統(tǒng)，并且安全性被極大降低，載人商用飛行很不適用。而A320級別的干線窄體客機如果用電驅(qū)動起飛，則功率需求超過50兆瓦。輸出功率還不是最難克服的。

最大的難點在于電池能量密度，鋰離子電池為最高每千克0.65兆焦耳，而航空煤油Jet-A則有超過40兆焦耳/千克的能量密度。飛行對重量非常敏感，如此巨大倍數(shù)的能量密度差距，加上電力系統(tǒng)需要額外的導(dǎo)線和控制系統(tǒng)，再加其各有冗余，畢竟常溫超導(dǎo)還不存在。會極大降低飛機的效率，限制航程。

NASA已經(jīng)開展了部分探索，包括在地面建造全套的混動飛機動力架構(gòu)進行測試，以及電動推力風(fēng)扇的研發(fā)和風(fēng)洞測試。也提出過較為保守的方案：一臺渦扇在機尾，制造推力的同時輸出電力給翼吊布局的兩臺電推風(fēng)扇提供動力。這個方案同時整合了渦扇發(fā)動機附面層吸入技術(shù)，發(fā)動機吸入整個機身造成的低速附面層，這可以提高發(fā)動機外效率。

西門子在航空用大功率密度電機已經(jīng)有了一定的技術(shù)積累，和空客與羅羅組成合資公司。對一臺BAE146支線飛機進行改造，將其一臺渦扇發(fā)動機換為2兆瓦功率的電動風(fēng)扇。并在機身內(nèi)部加裝一臺燃氣輪機。另一航空巨頭波音當然不能袖手旁觀，與捷藍航空在西雅圖成立公司致力于開發(fā)混動飛機。

挪威想要在2040年實現(xiàn)目標，但是一臺傳統(tǒng)布局傳統(tǒng)動力的商用飛機的立項到投入商用尚需要經(jīng)過大約6～7年的時間，況且這套全新的動力架構(gòu)需要全新的結(jié)構(gòu)。更況且現(xiàn)在最核心的部分：電池、輸電系統(tǒng)在可預(yù)見的未來內(nèi)難有巨大突破。

雖然困難重重，但是面對越來越嚴苛的環(huán)境問題和越來越高的航空旅行需求，工程師總是需要想方設(shè)法找到可行路線?，F(xiàn)在看來非常不切實際，但技術(shù)的進步就是這么一點一點實現(xiàn)的啊。