美國(guó)宇航局發(fā)布全電動(dòng)飛機(jī)“X-57 Maxwell”最終構(gòu)型概念圖。圖片來源：NASA

有朝一日，我們或許可以乘坐依靠電池驅(qū)動(dòng)的“零排放”環(huán)保飛機(jī)前往世界各地，搭乘“零排放”的環(huán)保“空中的士”通勤、短途旅行也將不再是夢(mèng)想。

3月27日，美國(guó)宇航局發(fā)布了備受期待的全電動(dòng)飛機(jī)“X-57 Maxwell”最終構(gòu)型概念圖。就在前不久，美國(guó)能源部先進(jìn)能源研究計(jì)劃署也宣布資助5500萬(wàn)美元開展“協(xié)調(diào)冷卻的集成驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)”和“低碳高效率航空電混合動(dòng)力系統(tǒng)”兩大研發(fā)項(xiàng)目，旨在推動(dòng)窄體商用客機(jī)低成本高性能航空電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)和高效燃燒碳中性航空燃油的動(dòng)力系統(tǒng)研究。

被稱為新一輪“飛行革命”的電動(dòng)航空時(shí)代已然到來。在專家們看來，電動(dòng)航空因其諸多優(yōu)勢(shì)，已成為世界航空領(lǐng)域發(fā)展的前沿?zé)狳c(diǎn)。在全球都站在同一“起跑線”時(shí)，中國(guó)應(yīng)努力占領(lǐng)電動(dòng)航空技術(shù)的制高點(diǎn)。

下一代飛機(jī)的方向

飛機(jī)在為人們出行提供極大便利的同時(shí)，也帶來了令人困擾的環(huán)境和污染問題。例如，噪聲污染既讓機(jī)場(chǎng)及航線附近的居民苦不堪言，也讓機(jī)艙內(nèi)的乘客有著較差的飛行體驗(yàn);航空煤油燃燒后排放出大量二氧化碳、氮氧化物等溫室氣體，加劇溫室效應(yīng);飛機(jī)尾氣排放還會(huì)導(dǎo)致大量污染物聚集造成空氣污染。

據(jù)預(yù)測(cè)，世界航空運(yùn)輸旅客周轉(zhuǎn)量年均增速為4.4%~4.7%，仍處于較快增速區(qū)間，未來20年還將保持平均每15年翻一番的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。若不采取減排措施，預(yù)計(jì)到2050年，航空業(yè)碳排放將占全球溫室氣體排放量的10%。

國(guó)際航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)呼吁，應(yīng)通過全球性的解決方案來減少航空業(yè)排放，并提出航空業(yè)的環(huán)境目標(biāo)——到2050年，碳排放量比2005年凈減少50%。“零排放”的電動(dòng)飛機(jī)的出現(xiàn)則為從根本上實(shí)現(xiàn)綠色航空、完成減排目標(biāo)開辟了一條“充滿希望”的路徑。

“電動(dòng)飛機(jī)是以電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)螺旋槳、涵道風(fēng)扇或其他裝置產(chǎn)生前進(jìn)動(dòng)力的飛機(jī)。”北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院教授黃俊告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

與燃油發(fā)動(dòng)機(jī)相比，電動(dòng)機(jī)在環(huán)保方面有諸多優(yōu)勢(shì)。航空工業(yè)機(jī)載公司高級(jí)專務(wù)、航空電力系統(tǒng)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任李開省指出，電動(dòng)航空的核心和關(guān)鍵聚焦“三電”，即電動(dòng)機(jī)、電控和電池(動(dòng)力來源)。由它們組成的電推進(jìn)系統(tǒng)使飛機(jī)排放接近于零排放、零污染，從而減少碳排放稅的繳納，降低成本。此外，電動(dòng)航空產(chǎn)生的噪聲相對(duì)較小，電動(dòng)機(jī)的工作效率也要比燃油發(fā)動(dòng)機(jī)高很多。

“這是我們下一代飛機(jī)的發(fā)展方向。誰(shuí)在電動(dòng)航空的關(guān)鍵核心技術(shù)，特別是發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)(電推進(jìn)技術(shù))上領(lǐng)先，誰(shuí)就有可能領(lǐng)先世界。”李開省說。

當(dāng)前，各國(guó)政府、高校、科研院所和企業(yè)等都在加快關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，試圖占領(lǐng)技術(shù)高地。專家們表示，美國(guó)能源部支持的項(xiàng)目正是試圖解決電動(dòng)機(jī)“高功率、小重量與協(xié)調(diào)發(fā)熱冷卻”以及動(dòng)力能源系統(tǒng)這兩大核心問題。

“未來，在堅(jiān)持執(zhí)行碳排放標(biāo)準(zhǔn)的情況下，傳統(tǒng)超排放量的飛機(jī)有可能遭遇飛行受限，甚至被淘汰。誰(shuí)先研發(fā)出可商用的電動(dòng)飛機(jī)，誰(shuí)就會(huì)搶占先機(jī)。所以，我們需要盡早進(jìn)行戰(zhàn)略布局。”黃俊說。

核心技術(shù)尚待突破

“近十年來，技術(shù)發(fā)展讓航空業(yè)發(fā)生了天翻地覆的變化，目前正處在各種技術(shù)、原理的快速變革期。”清華大學(xué)航天航空學(xué)院教授陳海昕告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

對(duì)于電動(dòng)飛機(jī)來說，專家們一致認(rèn)為，電推進(jìn)系統(tǒng)是電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)發(fā)展的核心，電動(dòng)飛機(jī)的性能和用途主要取決于其電推進(jìn)系統(tǒng)。而電池則是電推進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，備受關(guān)注的是鋰離子電池、氫燃料電池、太陽(yáng)能電池、超導(dǎo)電容等。

電池技術(shù)需要考慮能量密度、安全性、充電速度、環(huán)保性等多方面因素。盡管近年來電池技術(shù)已取得較大發(fā)展，但仍無法兼顧安全性和續(xù)航能力。“飛機(jī)的重量其實(shí)就是阻力，飛機(jī)設(shè)計(jì)講究‘為每一克重量而奮斗’。若電池很重或儲(chǔ)存不了太多電量，則意義不大。因此，我們還有很長(zhǎng)一段路要走。”陳海昕說。

目前，飛機(jī)燃油的能量密度大約為12700千瓦時(shí)/千克，而電池能量密度最大僅能夠達(dá)到500瓦時(shí)/千克，兩者相去甚遠(yuǎn)。高能量密度、長(zhǎng)壽命的電池技術(shù)亟待突破。

“不過，傳統(tǒng)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)效率較低，當(dāng)電池能量密度提高到一定程度時(shí)，就有可能取代傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)。但目前要采用電力系統(tǒng)直接驅(qū)動(dòng)大型飛機(jī)還有一定困難。”對(duì)此，李開省建議，可采取混合動(dòng)力推進(jìn)技術(shù)作為過渡方案。

混合動(dòng)力技術(shù)即將傳統(tǒng)燃?xì)鉁u輪與電力發(fā)動(dòng)機(jī)相結(jié)合。黃俊認(rèn)為，電動(dòng)飛機(jī)的推進(jìn)系統(tǒng)具有相對(duì)尺度無關(guān)的特性，也就是說若將一個(gè)100千瓦的電機(jī)和控制器分解成 100個(gè)1千瓦的電機(jī)或10個(gè)10千瓦的電機(jī)，其總的功率重量比和總效率基本保持不變。應(yīng)用該特性，可有效提高空氣動(dòng)力效率并減少機(jī)翼面積和結(jié)構(gòu)重量。例如，美國(guó)宇航局的X-57電動(dòng)飛機(jī)機(jī)翼前緣就配置了12個(gè)高升動(dòng)力馬達(dá)提供推進(jìn)力。

李開省認(rèn)為，電動(dòng)航空的下一代核心技術(shù)還應(yīng)關(guān)注集成電力電子控制技術(shù)，其中碳化硅高溫電力電子技術(shù)是研制電力系統(tǒng)高功率密度變換器的關(guān)鍵。此外，還有電動(dòng)飛機(jī)整體設(shè)計(jì)技術(shù)。“就像人身體健康需要各個(gè)部位健康一樣，只有整體設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)，才能制造出一架性能優(yōu)良、客戶滿意的飛機(jī)”。

抓住彎道超車的好時(shí)機(jī)

在陳海昕看來，電動(dòng)垂直起降機(jī)、支線飛機(jī)的電動(dòng)化、純電動(dòng)飛機(jī)的實(shí)用化將成為未來電動(dòng)飛機(jī)關(guān)注的領(lǐng)域。此外，還要關(guān)注電動(dòng)飛機(jī)整個(gè)大循環(huán)內(nèi)的效率提升和節(jié)能減排問題。

目前，4座及以下的小型電動(dòng)飛機(jī)已試飛成功，部分取得適航許可。如我國(guó)自主研制的RX1E銳翔雙座電動(dòng)輕型飛機(jī)和四座電動(dòng)飛機(jī)RX4E均已首飛成功，前者已應(yīng)用于飛行員教練機(jī);法國(guó)空客集團(tuán)的全電動(dòng)E-Fan驗(yàn)證機(jī)也即將作為教練機(jī)使用。

在可預(yù)見的未來，小型電動(dòng)飛機(jī)將廣泛應(yīng)用于短途運(yùn)輸、觀光旅行、航空測(cè)繪、“空中的士”等領(lǐng)域，給乘客以更安靜、高效、便利的飛行體驗(yàn)。但是，更大座級(jí)的客機(jī)還停留在概念圖和設(shè)計(jì)圖上，要想制造出150座級(jí)的大型商用電動(dòng)飛機(jī)，至少還需要20年時(shí)間。

當(dāng)前，各國(guó)政府與企業(yè)紛紛加大電動(dòng)飛機(jī)研發(fā)力度。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2019年6月，全球約有170個(gè)在研電推進(jìn)飛機(jī)項(xiàng)目，主要集中于北美和歐洲地區(qū)。我國(guó)電動(dòng)航空業(yè)也如雨后春筍般全面發(fā)展，專家們呼吁，國(guó)家應(yīng)加大支持力度，提高其行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

陳海昕覺得，不妨讓企業(yè)先動(dòng)起來，“百花齊放”，讓市場(chǎng)需求驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)家發(fā)揮引導(dǎo)作用。李開省則表示，目前正是我國(guó)實(shí)現(xiàn)彎道超車的好時(shí)機(jī)，在科研院所、民企和國(guó)企各自發(fā)揮優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，國(guó)家可組建電動(dòng)航空國(guó)家隊(duì)加強(qiáng)攻關(guān)力量，不僅推動(dòng)整個(gè)行業(yè)發(fā)展，還將帶動(dòng)超導(dǎo)等工業(yè)大發(fā)展。更重要的是，需要制定電動(dòng)航空技術(shù)的發(fā)展戰(zhàn)略和路線圖，分階段、分批實(shí)施，做到有的放矢。

我國(guó)電動(dòng)飛機(jī)的型號(hào)研發(fā)已與國(guó)際同步，這為今后發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)。“國(guó)家要像支持電動(dòng)汽車一樣支持電動(dòng)航空的發(fā)展。”黃俊表示，“這是一個(gè)全新的事物，需要重新建立理論和技術(shù)體系，需要多學(xué)科設(shè)計(jì)找到耦合效應(yīng)，才能提升整體效率，任何單方面的突破都是不夠的。”

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