電動式飛機蓄勢待發(fā)

李雨蒙

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

無污染低成本

E-Fan 飛機有兩具電動馬達帶動兩組可變頻渦扇推進器，總耗電60 千瓦，內建12 cell 的鋰聚合物電池，電池以被動式氣冷散熱，起飛時先由機輪動力馬達如電動車一般加速到時速60 公里，才改用渦扇推進器推進，可大幅減少起飛過程所需的能量，全機重量500 公斤，可搭乘2 人。特別的是，E-Fan100%依靠電池續(xù)航，無需航油提供動力。由于依靠電池提供動力，所以E-Fan 在飛行過程中不會排放廢氣，在E-Fan 試飛的過程中也幾乎聽不到任何刺耳的噪音，相比普通飛機顯得非常安靜。現在，空客公司將E-Fan 作為教練機使用，其優(yōu)點就是費用低，可以極大降低學習駕駛的費用，E-Fan 飛行一小時的能源成本只有2 歐元（約合人民幣17 元），而傳統的教練機，同樣以飛行一小時計算，燃料成本需要36-46 歐元。

分布式電能推進（DEP）

相比傳統活塞發(fā)動機或渦輪式引擎，電動飛機所運用的電能推進（electric propulsion）的技術優(yōu)勢頗為明顯，例如電子控制的最新式電動引擎能夠提供大量扭力，可有效推動螺旋槳、扇葉及輪胎。電動引擎所需零件較少，也減少了出現零件磨損或破損的機會。特別的是，電能推進有能力打破現有飛機設計限制，讓一些顛覆傳統飛機設計的概念成真，而這其中的奧妙在于“分布式電能推進”（DEP）。

“分布式電能推進”概念在于利用一系列電能螺旋槳，取代現有飛機笨重的噴射引擎，而且不一定要安裝在機翼下，可按需要設置在機身不同位置。除了允許打造出外表截然不同的飛機外，也可以減少機翼面積及重量，節(jié)省燃料。同時每個電能螺旋槳能夠單獨控制和運作，通過調節(jié)飛機不同部位的推力，有助機師更好應對飛行環(huán)境改變，例如突如其來的強風或氣流。

空客的E-Thrus 混合動力飛機

除了近日引發(fā)關注的E-Fan 電動飛機，空客公司與英國飛機引擎制造商勞斯萊斯合作，共同生產一款名為E-Thrust 的電動式飛機。E-Thrust 的目標是要實現這樣的目標， 能夠攜帶90 名乘客飛行兩個小時甚至更久。不過， 這也要依賴于未來儲存電池在技術的突破才能得以實現。同時，這個概念也是使用分布式推進的概念， 但有一點不同的是，E-thrust是混合動力飛機。空客兩種飛機的研發(fā)，能夠在未來的發(fā)展中取長補短。

E-Thrust機尾裝有傳統噴射引擎，每邊機翼則各有3個電力推動的螺旋槳。飛機起飛時，引擎和6 個螺旋槳會全速運作，提供最大升力；當到達航行高度，噴射引擎功率會稍為下降，但仍足以推動螺旋槳及為電池充電；開始下降時，噴射引擎及螺旋槳都會關閉，讓飛機進入滑翔狀態(tài)，迎面而來的氣流會把螺旋槳變成風車一樣，為電池充電；降落時則主要利用螺旋槳，若需要額外動力則可再次啟動噴射引擎。混能系統優(yōu)勢在于可提升涵道比（bypassratio），即空氣被引進噴射引擎后，流經核心部位外（ 外進氣道） 的空氣及流進燃燒室（內進氣道） 的空氣流量比率。

早期客機的引擎主要從內進氣道噴出的空氣取得推力，涵道比約為5：1，這導致它們需要更多能量及產生較大噪音，現代客機涵道比則約為12：1， 而只有尾部設有噴射引擎的E-Thrust，涵道比估計高達20：1，使得它燃油效率高之外還非常安靜。而另一優(yōu)勢來自于，分散在機翼上的螺旋槳，可有效捕捉到流經機翼表面的緩慢空氣，這些空氣會對機翼構成拉力，猶如把客機向后拖，令客機要消耗更多燃料維持航速。電動螺旋槳可以把這些緩慢空氣加速，減少對客機的拉力。

混合動力系統的一大優(yōu)點就是它提供了一個巨大的提升飛機的“搭橋”比率。當爆炸離開核心的渦輪， 通過軸轉動風扇前面的引擎來吸引更多的空氣。E-Thrust 整齊的混合設置都圍繞這些問題， 因為只有尾巴的噴氣發(fā)動機燃燒的核心。這意味著所有的空氣流經6 個電動的粉絲為其“有效”的涵道比20：1 或更多。這將為飛機極大地節(jié)省燃油， 變得安靜。

NASA LEAPTech 機翼技術

NASA（美國航空航天局）已經測試了名為前沿異步推進的技術（LEAPTech），這種新型機翼設計很有可能應用于新一代飛行模擬器X-Plane 上。LEAPTech 的主要潛在優(yōu)勢包括，降低對石油燃料的依賴，改善飛機性能和飛行質量，并降低飛機噪聲。LEAPTech 項目是NASA未來10 年內將飛機工業(yè)過渡到電力推進系統的一個重要部分，并且具有在下一個時期向通用航空飛機轉化，并在長期內向運輸飛機轉化的潛力。

Sceptor 小型電動飛機

現在，NASA 正在利用DEP 技術打造小型飛機Sceptor。Sceptor 的小型螺旋槳會增加飛機的升力以較低的速度， 使它在更短的跑道上起飛和降落。這也意味著機翼可能更加纖細， 也許只有三分之一的傳統飛機機翼的寬度， 從而節(jié)約重量和燃油成本。可是，大翅膀在飛機巡航時效率不高， 因為它們造成了許多阻力。Sceptor 巡航的翅膀將更加優(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 測試成功，這項技術有可能融入小型客機中，幫助它們達到零排放和極度安靜的飛行，營運開支也會較現在少30%。

技術挑戰(zhàn)

電動飛機仍有多項重大技術障礙需要跨越，當中最棘手的在于電池容量和推力。雖然近年來電池技術的研究突飛猛進，但續(xù)航力相對傳統飛機仍有明顯差距，例如E-Fan 所用的鋰離子電池只能支撐約一小時的飛行。另一方面，超導體的技術和研究未足以為飛機提供理想的推力，使得電動飛機在性能上仍然難以跟傳統的飛機相比。

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

編譯自《大西洋月刊》《NASA 官網》