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未來已至,電動航空開啟飛行“新體驗”

來源:中國科學報2020-03-31 09:58

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  有朝一日,我們或許可乘坐依靠電池驅動的“零排放”環保飛機飛往世界各地,而搭乘“零排放”的環保“空中的士”通勤、短途旅行也將不再是夢想。

  3月27日,美國宇航局發布了全電動飛機“X-57 Maxwell”的最終構型概念圖,備受期待。而就在前不久,美國能源部先進能源研究計劃署也宣布資助5500萬美元開展“協調冷卻的集成驅動電動機(ASCEND)”和“低碳高效率航空電混合動力系統(REEACH)”兩大研發項目,旨在推動窄體商用客機低成本高性能航空電動發動機技術和高效燃燒碳中性航空燃油的動力系統研究。

  被稱為新一輪“飛行革命”的電動航空時代已然到來。在專家們看來,電動航空因其諸多優勢和特點,已成為世界航空領域發展的前沿熱點,在全球都處在起步階段時,中國理應努力占領電動航空技術制高點。

  “下一代飛機的方向”

  近代航空事業起步以來,飛機歷經100余年的發展,為人們生活出行提供了極大地便利,給社會和經濟帶來了巨大的效益,成為現代社會不可或缺的交通方式和經濟組成部分。但與此同時,也隨之帶來了令人困擾的環境和污染問題。

  比如:噪聲污染既讓機場及航線附近的居民苦不堪言,也讓機艙內的乘客有著較差的飛行體驗;航空煤油燃燒后排放出大量的二氧化碳、氮氧化物等溫室氣體會加劇溫室效應,從而影響全球變化;此外,飛機燃料正在消耗著越來越多的能源,“尾氣”排放還會導致大量污染物聚集造成空氣污染,影響人們身體健康。

  根據航空業的統計預測,世界航空運輸旅客周轉量(RPK)年均增速為4.4%~4.7%,仍處于較快增速區間,未來20年,將保持平均每15年翻一番的增長態勢。如若不采取減排措施,預計到2050年航空業碳排放將可能占全球溫室氣體排放量的10%,成為全球氣候改變的“罪魁禍首”。

  國際航空運輸協會呼吁,應通過全球性的解決方案來減少航空業排放,并提出航空業的環境目標是,到2050年,碳排放量將比2005年凈減少50%。

  “零排放”的電動飛機的出現為從根本上實現綠色航空、完成減排目標開辟了一條“充滿希望”的路徑。

  “電動飛機是以電動機帶動螺旋槳、涵道風扇或其他裝置產生前進動力的飛機。”北京航空航天大學航空科學與工程學院教授黃俊告訴《中國科學報》。

  與燃油發動機相比,電動機在環保方面有諸多優勢。

  航空工業機載公司高級專務、航空電力系統航空科技重點實驗室主任李開省指出,電動航空的核心和關鍵聚焦“三電”,即:電動機、電控和電池(動力來源)。由它們組成的電推進系統使飛機排放可接近于零排放、零污染,減少碳排放稅的繳納,從而降低了成本。此外,電動航空產生的噪音相對較小,電動機的工作效率也要比燃油發動機高很多。

  “這是我們下一代飛機的發展方向。誰在電動航空的關鍵核心技術,特別是發動機技術(電推進技術)上領先,誰就有可能領先世界。”李開省說。

  當前各國政府、高校科研院所和企業等都在加快關鍵技術研發,試圖占領技術高地。專家們表示,美國能源部支持的項目正是試圖解決電動機“高功率、小重量與協調發熱冷卻”以及動力能源系統這兩大核心問題。

  “未來,在堅持執行碳排放標準的情況下,傳統超排放量的飛機有可能遭遇飛行受限,甚至被淘汰。誰先研發出可商用的電動飛機,誰就會搶占先機。所以,我們需要盡早進行戰略布局。”黃俊說。

  核心技術尚待突破

  “近十年來,技術發展讓航空業發生了天翻地覆的變化,目前正處在各種技術、原理的快速變革期。”清華大學航空航天學院教授陳海昕告訴《中國科學報》。

  從傳統航空到電動航空經歷了類似于電動汽車的發展過程,從傳統的燃油飛機,到混合動力飛機,再到未來依靠電力推進的電動飛機。

  對于電動飛機來說,專家們一致認為,電推進系統是電動飛機技術發展的核心,而電動飛機的性能和用途主要取決于其電推進系統。

  電池是電推進系統的關鍵部件之一。目前備受關注的是鋰離子電池、氫燃料電池、太陽能電池、超導電容等。

  陳海昕表示,電池技術需要考慮能量密度、安全性、充電速度、環保性等多方面因素。盡管近年來電池技術已取得了較大發展,但目前仍無法兼顧安全性和續航能力。“飛機的重量其實就是阻力,飛機設計講究為‘每一克重量而奮斗’,若電池很重,或儲存不了太多電量,則對飛機的意義不大。我們還有很長一段路要走。”

  的確,飛機燃油的能量密度大約為12700kW·h/kg,而目前電池能量密度最大僅能夠達到500W·h/kg,兩者相距甚遠,高能量密度長壽命的電池技術亟待突破。

  “不過,傳統燃油發動機效率較低,當電池能量密度提高到一定程度時,未來就有可能取代傳統的發動機。但目前,要采用電力系統直接驅動大型飛機還有一定困難。”李開省表示,可采取混合動力推進技術作為過渡方案。

  混合動力技術即將傳統燃氣渦輪與電力發動機相結合。黃俊認為,電動飛機的推進系統具有相對尺度無關的特性,也就是說若將一個100 kw的電機和控制器分解成 100個1kw的電機、或10個10kw的電機,其總的功率重量比和總效率基本保持不變。應用該特性,可有效提高空氣動力效率并降低機翼面積和結構重量。例如,美國宇航局的X-57電動飛機機翼前緣配置12個高升動力馬達提供推進力。

  電動汽車的飛速發展為電動航空的技術革命奠定了堅實的基礎。李開省認為,電動航空的下一代核心技術還應關注集成電力電子控制技術,其中碳化硅高溫電力電子技術是實現電力系統高功率密度變換器的關鍵。此外,還有電動飛機整體設計技術,“就像人身體健康需要各個部位健康一樣,只有飛機整體協調設計,才能制造出一架性能優良客戶滿意的飛機。”

  全球競賽進行時

  在陳海昕看來,電動垂直起降機、支線飛機的電動化、純電動飛機的實用化將成為未來電動飛機關注的領域。他指出,還要關注在電動飛機整個大循環內的效率提升和節能減排問題。

  目前,4座及以下的小型電動飛機已試飛成功,部分取得適航許可。比如:我國自主研制的RX1E銳翔雙座電動輕型飛機和四座電動飛機RX4E均已首飛成功,前者已應用于飛行員教練機;法國空客集團的全電動E-Fan驗證機也即將作為教練機使用等。

  可預見的未來,小型電動飛機將廣泛應用于短途運輸、觀光旅行、航空測繪、“空中的士”等領域,給乘客以更安靜、更高效、更便利的飛行體驗。

  而更大座級的客機還多停留在概念圖和設計圖上,在專家們看來,要想實現150座級的大型商用電動飛機,至少還需要20年時間。當前,各國政府與企業紛紛涌入加大研發力度。據不完全統計,截止2019年6月,全球約有170個在研的電推進飛機項目,主要集中在北美和歐洲地區。

  專家們呼吁,我國電動航空業如雨后春筍,正在全面發展,國家應加大支持力度,提高行業競爭力。

  陳海昕認為,不妨讓企業先動起來,“百花齊放”,讓市場需求驅動技術的發展,國家發揮引導作用。

  李開省表示,目前正是實現彎道超車的好時機,在科研院所、民企和國企各自發揮優勢的同時,國家可組建電動航空國家隊加強攻關力量,不僅推動整個行業發展,還將帶動超導等工業的大發展。更重要的是,需要制定電動航空技術的發展戰略和路線圖,分階段分批實施,做到有的放矢。

  “國家要像支持電動汽車一樣支持電動航空的發展。”黃俊表示,我國電動飛機的型號發展已與國際同步,這為今后發展奠定了良好基礎。“這是一個全新的事物,需要重新建立理論和技術體系,需要多學科設計找到耦合效應,才能整體提升效率,任何單方面的突破都是不夠的。”(韓揚眉)

[ 責編:張夢凡 ]
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