电动飞机可能成为航空界的下一个革命性变化吗对吗「航空电机发展」

时间：2022-11-30 14:29:33来源：搜狐

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超过半个世纪以来，飞机制造商一直都在探索能够替代化石燃料驱动飞机的新能源。1956年，康维尔公司（Convair）成功飞行了经过特别改装装有核能驱动通用电气J47喷气发动机的B-36H“和平制造者（Peacemaker）”飞机。而在此10年前，哈维兰德加拿大公司（De Havilland Canada）开发了一种相对较小的DHC-2“海狸（Beaver）”多用途飞机。该飞机由普惠公司的R-985“小胡蜂（Wasp Junior）”星型活塞发动机提供动力。这种发动机于1929年首次运行。

改装成核动力试验机的B-36H“和平制造者”
然而，正是这一种名不见经传的小型飞机的一个最新例子，在62年后，让航空工业在寻求替代内燃机方面取得突破，进入了一个全新的发展阶段。
加拿大港湾航空公司（Harbour Air）黄白相间的水上飞机在温哥华地区每天飞行多达300架次。然而，在2019年12月10日，该航空公司的一架编号为C-FJOS（建造编号c/n 1030）的DHC-2“海狸”从里士满的弗雷泽河（Fraser River at Richmond）出发，进行了一次可以载入飞行史册的飞行。这架经过改装的飞机被昵称为“ePlane飞机”，被港湾航空描述为“世界上第一架全电动商用飞机”。此次飞行是该航空公司获得ePlane认证并成为世界首个全电动飞机航空公司的一个重要里程碑。
哈维兰德加拿大公司的DHC-2“海狸”水上飞机
从水上飞机到ePlane
虽然港湾航空和magniX公司在认证其“电海狸”方面有许多重大障碍要克服，但乘客可能会在本世纪中叶之前乘坐上全电动商用飞机。
ePlane是一架使用magniX公司750马力（560千瓦）的电动引擎取代之前的普惠公司R-985“小胡蜂”星型活塞发动机的DHC-2“海狸”。港湾航空和magniX公司现在正在遵循发动机的审批程序对其进行测试。
港湾航空预计其在2019年12月首飞后，“还将需要一到两年时间来获得认证”。这表明该航空公司将于2020年或2021年末在其航线上推出全电动客运服务。在获得认证并获批初始服务后，该航空公司的所有40架DHC-2都将用新发动机进行改装。
去年，港湾航空和magniX公司宣布了ePlane合作伙伴关系。升级“海狸”飞机所需的修改包括安装电动机及其电池（以及该设备的安装座）、逆变器、冷却系统和电缆。同时还需要重新调整驾驶舱配置，以及安装连接地面充电站的充电装置并设置支持软件。
ePlane在弗雷泽河上的首飞
ePlane上安装的驱动飞机螺旋桨的电动马达
magniX公司生产的750型发动机是ePlane的心脏
影响深远
尽管港湾航空的转型计划只是过去十年间航空技术和行业发生的更多变化中的一个例子，但它反映了发达国家期望通过实现交通电气化以减少对化石燃料依赖的一些实用性进展。这种趋势的其他例子包括电动汽车和混合动力汽车。随着欧美各国公共交通电气化的举措以及将更多的电动技术引入工业生产和国家基础设施（例如国家电网）的举措，电动汽车正迅速从一种环保人士的时尚产品转变为广为大众接受的主流汽车。
现在，越来越多的人开始意识到和关注气候变化。例如，在过去一年的时间里，西方一些经济体所谓的“飞行耻辱”不断增加。这些都在促使航空航天业采取更快的行动以减轻其对环境影响的压力。
根据国际航空运输协会（International Air Transportation Association，IATA）的数据，航空运输业的二氧化碳排放量占全球化石燃料二氧化碳排放总量中的2.4%。这一点看似微不足道，但独立的非营利组织国际清洁运输理事会在2019年9月的一份报告中指出，在2013年至2018年间，商用航空的二氧化碳排放量增长了32%。
国际可持续航空联盟警告说，如果不采取严厉行动，到2050年航空运输业将占全球碳排放量的五分之一以上。联合国预测，到2030年，全球“人为”二氧化碳排放量必须比2010年减少约45％。并在2050年左右达到净的零排放。
到目前为止，航空业的工作集中在研究替代的燃料来源。在过去的几十年中，飞机生产商诸如波音和湾流使用它们的飞机和商业航空公司如荷兰航空（KLM）、英国航空（British Airways）、汉莎航空（Lufthansa）、美国航空（American Airlines）、美联航（United Airlines）和维珍大西洋航空（Virgin Atlantic）一起进行了使用生物燃料的示范飞行。同时，制造商和研究组织致力于开发和试用先进的材料和系统，以提高燃油效率。
但是，美国零排放电动动力总成公司的创始人兼首席执行官瓦莱里∙米夫塔霍夫（Valery Miftakhov）认为，上述变革的速度远远不够。在美国《福布斯（Forbes）》杂志2019年末发表的一篇文章中，米夫塔霍夫表示：“我们应该在航空动力方面做出一些根本性的改变。如果航空业对此不加理会，它将面临监管压力或文化和社会变化带来的日益增长的风险。”
波音和荷兰航空一起进行生物燃料的试验，并寻求获得监管的批准
第一架使用生物燃料的湾流公务机
电动飞机的努力
电子技术在航空界的应用并不是新事物。早在1883年，法国化学家、气象学家和飞行员加斯顿·蒂桑迪埃（Gaston Tissandier）就将西门子电动机安装到了飞艇上，进行了首次电动飞行。从上世纪60年代开始，连续几代飞机引入了更多的电气系统。
蒂桑迪埃的电动飞艇
迄今为止，电子技术对航空业的最大影响是线控飞行控制系统。线控飞行控制系统是在上世纪80年代随空中客车A320系列飞机投入商业应用的。最近，787“梦想飞机（Dreamliner）”是首架大部分关键机械系统（包括起落架、制动器、机翼防冰设备和环境控制系统）由液压或气动转成电力驱动的客机。
另外，从上世纪80年代的“太阳能挑战者（Solar Challenger）”到上世纪90年代后期美国宇航局（NASA）的“全球观察员（Global Observer）”无人驾驶飞机，再到2015/16年环球飞行的“太阳能动力2（Solar Impulse 2）”，有很多有人驾驶和无人驾驶的试验性电动飞机已经飞上天空。
今天，航空业已经进入电气时代。除了那些已经在飞机上使用的系统外，电气技术已经成为包括NASA和德国航空航天中心（Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt，DLR）在内的行业研究组织正在进行的未来飞机研究的关键方面。这些工作产生了一系列使用全电、涡轮-电动或混合电动技术的未来概念。全电动设计包括飞机的螺旋桨由电动机驱动，并用机载电池存储能源；涡轮-电动架构使用常规涡轴发动机为机载发电机提供动力，该发电机驱动多个分布式螺旋桨发动机；混合动力则是依靠储能系统来产生额外的动力以补充常规的燃油动力系统。
这些技术的研究涉及遥远的未来和前瞻性概念，因此可能会让人觉得遥不可及。但电动航空领域也包括涉及开发真实飞机的项目。
电池、储能和电源管理对于超长寿命太阳能无人驾驶平台和电动垂直起降飞机的发展都是必不可少的。
以色列的Eviation公司开发的“艾丽丝”9座通勤飞机
有几家初创公司正在研究混合电动客机配置。以色列的Eviation公司正在开发一款“艾丽丝（Alice）”9座通勤飞机。该飞机由magniX公司的输出功率为375轴马力（280千瓦）的magni250混合电动发动机或西门子输出功率为349轴马力（260千瓦）SP260D动力装置提供动力。Eviation公司在去年的巴黎航展上推出了该飞机的原型机，目标是在2022年获得认证并投入使用。该机目前已经获得了美国支线航空公司开普航空（Cape Air）的购买订单，但具体数量未知。
同时，大量开发企业正在为短途航班开发小型客机。瑞典初创公司哈特航空航天公司（Heart Aerospace）正在就其ES-19飞机与包括北欧航空（SAS）在内的几家北欧航空公司合作；西班牙的丹特航空动力公司（Dante AeroNautical）正在开发DAX-19飞机；而位于洛杉矶的莱特电气公司（Wright Electric）正在与易捷航空（easyJet）合作开发一种支线客机。
瑞典初创公司哈特航空航天公司开发的ES-19飞机
并非所有的电动飞机开发都涉及全新的设计。去年飞行的三个例子都是在已有飞机上安装混合电动发动机。除了我们在本文开头提到的港湾航空ePlane外，另两架是一架配备ZeroAvia公司混合电动发动机的派普尔（Piper）M250飞机和由加利福尼亚的Ampaire公司开发的装有混合电动装置的塞斯纳337飞机。
诸如此类的通用航空类型，或者较小的支线和通勤飞机，是目前所有电动化发展的重点，因为它们的较小的机身/发动机尺寸和较低的有效载荷/性能要求更具实用性的研究和引进新技术的方式。当然，飞机对重量的控制很敏感，这限制了电池和连线系统的大小，不可避免地意味着必须使用更小的飞机。
配备ZeroAvia公司混合电动发动机的派普尔M250飞机
事实上，稀星天外不认为电力驱动的飞机会在2030年前在航空业中占有相当大的比重。使用化石燃料发电机来扩大电动飞机的航程是可能的，但是它应用在更大型飞机的提升空间有限。
空中客车公司和罗尔斯∙罗伊斯公司
即便如此，大型和传统制造商对该领域的大量投资表明，业界对电动航空的兴趣浓厚。
许多大公司的工作都集中在将已有常规动力飞机转变成电动技术演示机。今年，巴西航空工业公司（Embraer）将测试一架采用混合电动发动机改装的EMB-203“伊帕内玛（Ipanema）”飞机。联合技术公司（UTC）航空航天分部计划在DHC-8-100飞机上测试混合动力系统。同时，ATR公司正在与新西兰航空合作为其涡轮螺旋桨飞机研究这些技术。
空中客车公司在过去近十年里在电动航空领域异常活跃。首先是为一架微型哥伦比亚（Colomban）Cri-Cri飞机上改装电动引擎，之后又进行了后续的“e-天才（e-Genius）”和“E-星（E-Star）”飞机的研发。这些早期工作促成了E-Fan计划，该计划在测试了三架较小的演示机之后，将进入更雄心勃勃的E-Fan X阶段。
空中客车e-Genius
空中客车e-Star
空中客车E-FAN
E-Fan X将基于BAE系统的一架阿夫罗（Avro）RJ100飞机，其右边内侧额定推力为3178千克（31千牛）的莱康明（Lycoming）AF502涡轮风扇发动机将被替换为单台混合动力发动机。该发动机使用电动机和逆变器代替涡扇发动机的核心，以及AE2100涡轴发电机和AE3007机舱。
编号为G-WEFX（制造编号c/n E3379）的测试平台于2000年开始在英国柴郡的伍德福德（Woodford，Cheshire）接受改造。之前，这架飞机曾以G-CFAC身份服务于英国航空公司的子公司城市飞行快线（CityFlyer Express），城市快线（CitiExpress）和连接（Connect）以及以HB-IYU身份服务于瑞士航空。E-Fan X将于今年晚些时候在贝德福德郡的克兰菲尔德（Cranfield in Bedfordshire）进行首次试飞。
空中客车E-FAN X
罗尔斯·罗伊斯公司（Rolls-Royce）在与空中客车公司合作开发E-Fan X项目的同时，还在2019年12月推出了基于“锋利复仇者NXT（Sharp Nemesis NXT）”的外观怪诞的电动技术演示机，取名为“加速飞行的未来（Accelerating the Future of Flight，ACCEL）”。罗罗公司和电动机与控制器制造商YASA公司以及初创公司“电气飞行（Electroflight）”一起打造了ACCEL。ACCEL的设计目的是期望通过达到480公里/小时的目标最高时速来打破电动飞机的速度和性能记录。该飞机的机身是由赛峰SMA SR305-230发动机驱动的“大青蛙（Big Frog）”飞机。2011年，它成为首台装备柴油发动机赢得在内华达州里诺举行的全国航空冠军赛的飞机。
锋利复仇者NXT竞速飞机
罗尔斯·罗伊斯公司电动部门的负责人表示：“制造世界上最快的全电动飞机无疑是航空工业的一个革命性变革。ACCEL项目飞机不仅是迈向世界纪录的重要尝试，它也将有助于发展罗尔斯·罗伊斯公司的能力，并确保我们处于技术开发的最前沿。这些技术可以在实现向低碳全球经济过渡中发挥决定性作用。”
如果成功通过了全功率测试和适航性检查，基于“锋利复仇者”竞速飞机的ACCEL计划将于今年春季进行首飞。罗罗公司表示，这架飞机将装配有史以来能量密度最大的电池组，通过将6000个电池单元打包安装，以最大程度地减轻重量并获得最大的热保护。
ACCEL的设计蓝图
先进的冷却系统将在大功率高速运行时直接冷却电池。该飞机将配备三台高功率密度星型电动机，其螺旋桨桨叶的旋转速度将比传统飞机低得多。制造商希望该飞机能够提供更稳定，更安静的乘坐体验，同时仍能产生超过500马力（372千瓦）的推力。
ACCEL使罗尔斯·罗伊斯公司能够测试其电动推进技术并展现出其对与开发低碳动力装置的环保承诺。也许正是基于同样的原因，空中客车公司支持了“空中竞赛E（Air Race E）”的原因。“空中竞赛E”是一项新的全电动飞机竞赛系列。赛事组织者声称，和空中客车公司的合作伙伴关系将“帮助我们推动航空业向着更清洁、更高效的方向发展。该系列赛事为试验先进的电动推进技术提供了试验平台。”
ACCEL电动竞速飞机
电动垂直起降飞机的出现
有人和无人驾驶的电动垂直起降（Electrical Veritical Take-Off and Landing，EVTOL）飞机在飞行电气化过程中将占据重要的一席之地。这是一种新兴的，通常看起来充满未来感的飞机，由全电动或混合电动发动机提供动力。这些系统旨在提供城市空中交通服务，特别是空中出租车和货运服务，在城市地区超短途运送乘客和货物。
eVTOL市场既有雄心勃勃的初创公司又有传统飞机制造商。目前这是一个热点，经常会听到或看到涉及该领域研究项目，技术试验以及演示飞机的试飞的各种新闻。最近的头条新闻包括：
空中客车公司对其“城市空中客车（CityAirBus）”演示机进行首次无束缚的试飞贝尔（Bell）推出了一款引人注目的使用4个涵道风扇做动力的概念飞机——Nexus 4EX巴西航空工业公司的子公司EmbraerX通过与总部位于旧金山的一家开发混合电动货运无人机的初创公司——埃罗伊航空公司（Elroy Air）——签订合作协议进入商业航空货运领域波音公司正在与一家名为Kitty Hawk的初创公司合作成立了一家名为Wisk的合资企业一起开发名为Cora的eVTOL共享出租车公司优步（Uber）宣布与现代汽车建立合作伙伴关系，以生产一款名为S-A1的电动空中出租车；去年下半年，德国公司Volocopter在新加坡海港展示了空中出租车而以同步飞行无人驾驶eVTOL而引人注目的中国E航公司（EHang）也准备在北美启动空中出租车业务，并进行了首次演示飞行。
空中客车的“城市空中客车”
贝尔公司的Nexus 4X
波音合资公司Wisk的Cora
中国E航的Ehang 216
eVTOL领域至关重要的工作除了涉及内部系统的研发工作外，还被拓展到将这些飞机融入现有的空中交通管理网络的技术。
举几个最近的例子，BAE系统公司宣布与一家美国公司短程游览空中机动公司（Jaunt Air Mobility）建立了合作伙伴关系，以研究如何提高eVTOLS上使用的电池效率。而霍尼韦尔公司开发了专门针对城市空中交通管理市场的Intuvue RDR 84K雷达的新版本。同时，美国宇航局和优步在研究上进行了合作，以模拟市中心的大规模eVTOL运营，以发现如何通过无人机实现安全高效的低空运行。NASA还专门启动了一个名为“城市空中机动（Urban Air Mobility）”项目和17个公司合作从技术、管理、法规等各个角度来探索未来城市大规模eVTOL的应用。
有哪些挑战？
尽管有这么多电动飞行方面的探索，电动飞行的前进道路仍然存在严峻的挑战。
稀星天外认为一个主要障碍是需要证明市场需求已经让电动飞机的售价可以获得可接受的投资回报，来支付开发和运营成本。新的电动飞机还必须“证明其实用程度已经达到或超出了零排放需求”。最初的电动支线飞机似乎是针对支线飞机市场中日益萎缩的小机型市场，制造商必须说服航空公司这些新产品将为其提供新的价值。
另外，和电动汽车一样，为旅客提供服务的电动飞机还需要能够在飞机处于登机口的转换时间内完成快速充电或更换用完的电池。这些技术成熟了吗？根据稀星天外的了解，按照目前锂离子电池的发展速度，到2020年代中期，将使功率密度提高到400-450瓦时/千克左右。要想使该功率密度提高到500瓦时/千克，需要新的化学方法。
然而，稀星天外请大家注意：即使电池确实达到了这一水平，该能量密度仍将只是喷气式飞机当前使用的化学燃料（约12千瓦时/千克）的1/25。
毫无疑问，要使电动航空真正成为主流，还有有许多技术挑战必需要克服。但是，自80年前喷气式发动机问世以来，这是又一次出现一种全新的推进技术。
随着企业家和先驱者不断突破我们的视野，稀星天外认为我们可以在今后的50年内看到更多的电动飞机飞上蓝天，许多记录会被打破。制造商，运营商和监管机构对于零排放飞机的追求，将最终帮助我们实现二氧化碳减排目标，换地球一个水清天蓝。