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

3月27日，美國宇航局發(fā)布了全電動飛機“X-57 Maxwell”的最終構(gòu)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(xié)調(diào)冷卻的集成驅(qū)動電動機(ASCEND)”和“低碳高效率航空電混合動力系統(tǒng)(REEACH)”兩大研發(fā)項目，旨在推動窄體商用客機低成本高性能航空電動發(fā)動機技術(shù)和高效燃燒碳中性航空燃油的動力系統(tǒng)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(yōu)勢和特點，已成為世界航空領(lǐng)域發(fā)展的前沿?zé)狳c，在全球都處在起步階段時，中國理應(yīng)努力占領(lǐng)電動航空技術(shù)制高點。

“下一代飛機的方向”

近代航空事業(yè)起步以來，飛機歷經(jīng)100余年的發(fā)展，為人們生活出行提供了極大地便利，給社會和經(jīng)濟帶來了巨大的效益，成為現(xiàn)代社會不可或缺的交通方式和經(jīng)濟組成部分。但與此同時，也隨之帶來了令人困擾的環(huán)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(nèi)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(yīng)，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(dǎo)致大量污染物聚集造成空氣污染，影響人們身體健康。

根據(jù)航空業(yè)的統(tǒng)計預(yù)測，世界航空運輸旅客周轉(zhuǎn)量(RPK)年均增速為4.4%~4.7%，仍處于較快增速區(qū)間，未來20年，將保持平均每15年翻一番的增長態(tài)勢。如若不采取減排措施，預(yù)計到2050年航空業(yè)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?zhǔn)?rdquo;。

國際航空運輸協(xié)會呼吁，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)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(xiàn)為從根本上實現(xiàn)綠色航空、完成減排目標(biāo)開辟了一條“充滿希望”的路徑。

“電動飛機是以電動機帶動螺旋槳、涵道風(fēng)扇或其他裝置產(chǎn)生前進動力的飛機。”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《中國科學(xué)報》。

與燃油發(fā)動機相比，電動機在環(huán)保方面有諸多優(yōu)勢。

航空工業(yè)機載公司高級專務(wù)、航空電力系統(tǒng)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(guān)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(tǒng)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(chǎn)生的噪音相對較小，電動機的工作效率也要比燃油發(fā)動機高很多。

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

當(dāng)前各國政府、高?？蒲性核推髽I(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(xié)調(diào)發(fā)熱冷卻”以及動力能源系統(tǒng)這兩大核心問題。

“未來，在堅持執(zhí)行碳排放標(biāo)準(zhǔn)的情況下，傳統(tǒng)超排放量的飛機有可能遭遇飛行受限，甚至被淘汰。誰先研發(fā)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(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)航空航天學(xué)院教授陳海昕告訴《中國科學(xué)報》。

從傳統(tǒng)航空到電動航空經(jīng)歷了類似于電動汽車的發(fā)展過程，從傳統(tǒng)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(rèn)為，電推進系統(tǒng)是電動飛機技術(shù)發(fā)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(tǒng)。

電池是電推進系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一。目前備受關(guān)注的是鋰離子電池、氫燃料電池、太陽能電池、超導(dǎo)電容等。

陳海昕表示，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)已取得了較大發(fā)展，但目前仍無法兼顧安全性和續(xù)航能力。“飛機的重量其實就是阻力，飛機設(shè)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(shù)亟待突破。

“不過，傳統(tǒng)燃油發(fā)動機效率較低，當(dāng)電池能量密度提高到一定程度時，未來就有可能取代傳統(tǒng)的發(fā)動機。但目前，要采用電力系統(tǒng)直接驅(qū)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(shù)作為過渡方案。

混合動力技術(shù)即將傳統(tǒng)燃氣渦輪與電力發(fā)動機相結(jié)合。黃俊認(rèn)為，電動飛機的推進系統(tǒng)具有相對尺度無關(guān)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(yīng)用該特性，可有效提高空氣動力效率并降低機翼面積和結(jié)構(gòu)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(fā)展為電動航空的技術(shù)革命奠定了堅實的基礎(chǔ)。李開省認(rèn)為，電動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)是實現(xiàn)電力系統(tǒng)高功率密度變換器的關(guān)鍵。此外，還有電動飛機整體設(shè)計技術(shù)，“就像人身體健康需要各個部位健康一樣，只有飛機整體協(xié)調(diào)設(shè)計，才能制造出一架性能優(yōu)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(guān)注的領(lǐng)域。他指出，還要關(guān)注在電動飛機整個大循環(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(yīng)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(yù)見的未來，小型電動飛機將廣泛應(yīng)用于短途運輸、觀光旅行、航空測繪、“空中的士”等領(lǐng)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(shè)計圖上，在專家們看來，要想實現(xiàn)150座級的大型商用電動飛機，至少還需要20年時間。當(dāng)前，各國政府與企業(yè)紛紛涌入加大研發(fā)力度。據(jù)不完全統(tǒng)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(qū)。

專家們呼吁，我國電動航空業(yè)如雨后春筍，正在全面發(fā)展，國家應(yīng)加大支持力度，提高行業(yè)競爭力。

陳海昕認(rèn)為，不妨讓企業(yè)先動起來，“百花齊放”，讓市場需求驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展，國家發(fā)揮引導(dǎo)作用。

李開省表示，目前正是實現(xiàn)彎道超車的好時機，在科研院所、民企和國企各自發(fā)揮優(yōu)勢的同時，國家可組建電動航空國家隊加強攻關(guān)力量，不僅推動整個行業(yè)發(fā)展，還將帶動超導(dǎo)等工業(yè)的大發(fā)展。更重要的是，需要制定電動航空技術(shù)的發(fā)展戰(zhàn)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(fā)展。”黃俊表示，我國電動飛機的型號發(fā)展已與國際同步，這為今后發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)。“這是一個全新的事物，需要重新建立理論和技術(shù)體系，需要多學(xué)科設(shè)計找到耦合效應(yīng)，才能整體提升效率，任何單方面的突破都是不夠的。”(韓揚眉)

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