電動飛機(jī)

概述

　　1957年6月30日，一架使用永磁電動機(jī)和銀鋅電池驅(qū)動的電動模型飛機(jī)---“無線電皇后”號在英國試飛成功，這是有官方報道的世界上第一架電動飛機(jī)。從20世紀(jì)70年代開始，電力模型飛機(jī)開始陸續(xù)試飛。

　　2003年9月，美國國家航空航天局研制的無線能量傳輸（Power Beaming）電動？飛機(jī)模型在室內(nèi)試飛成功。右圖為無線能量傳輸電動飛機(jī)模型，源自美國國家航空航天局官網(wǎng)。

　　2009年7月7日，世界上首架利用燃料電池驅(qū)動的有人駕駛飛機(jī)在德國漢堡升空，實現(xiàn)二氧化碳零排放。

　　2010年4月7日，瑞士的“陽光動力”(Solar Impulse)號太陽能飛機(jī)首次成功試飛，同年7月8日，完成26小時晝夜試飛，證明了晝夜飛行的可行性，打破了太陽能飛機(jī)不能晝夜飛行的歷史紀(jì)錄。

　　2012年5月24日，瑞士一架太陽能動力載人飛機(jī)的飛機(jī)首次嘗試從瑞士到摩洛哥的洲際飛行，全程使用太陽能動力。

　　截止2012年6月，世界上已經(jīng)完成研制的電動飛機(jī)多數(shù)屬于實驗性質(zhì)的試用品，包括有人駕駛和無人駕駛飛機(jī)。

優(yōu)點

　　電動飛機(jī)使用電動力推進(jìn)系統(tǒng)代替內(nèi)燃機(jī)動力，從而獲得了很多優(yōu)點和獨特品質(zhì)。最突出的優(yōu)點是節(jié)能環(huán)保，效率高能耗低，同時實現(xiàn)接近零排放，噪聲和振動水平很低，乘坐舒適性好，是名符其實的環(huán)境友好飛機(jī)。此外，還具有安全可靠（不會發(fā)生爆炸和燃料泄漏）、結(jié)構(gòu)簡單、操作使用簡便、維修性好/費用低、經(jīng)濟(jì)性好等特點。在設(shè)計上也有很多優(yōu)勢：總體布局靈活，可采用最佳布局和非常規(guī)/創(chuàng)新布局；可設(shè)計出具有超常性能的飛機(jī)，滿足特殊用途需求等。

分類

　　電動飛機(jī)與普通飛機(jī)的主要區(qū)別是依靠電動機(jī)而不是內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動。根據(jù)電動力推進(jìn)系統(tǒng)的不同，電動飛機(jī)可分為太陽能電動飛機(jī)（一般稱為太陽能飛機(jī)）、蓄電池電動飛機(jī)（目前主要是鋰電池電動飛機(jī)）和燃料電池電動飛機(jī)。除了純電動飛機(jī)以外，還有混合動力飛機(jī)。每種類型飛機(jī)又分成有人駕駛和無人駕駛兩類。

太陽能飛機(jī)

　　“太陽挑戰(zhàn)者”號

　　1980年，保羅·麥卡克萊迪（Paul MacCready）設(shè)計的蜘蛛絲-企鵝號？（Gossamer Penguin）太陽能飛機(jī)在美國加利福尼亞州第一次實現(xiàn)載人飛行，當(dāng)時是由他十三歲的兒子進(jìn)行控制。1981年，改進(jìn)型的“太陽挑戰(zhàn)者”號成功穿越了英吉利海峽，當(dāng)時平均時速為54公里。它是一架單座太陽能飛機(jī)，翼展14．3米，飛機(jī)空重90公斤，機(jī)翼和水平尾翼上表面共有16000多片硅太陽電池，在理想陽光的照射下能輸出3000瓦以上的功率。

　　“太陽神”號

　　在“太陽挑戰(zhàn)者”號的基礎(chǔ)上，美國航空環(huán)境公司（AeroVironment）？在美國宇航局環(huán)境研究飛機(jī)和傳感技術(shù)項目資助下設(shè)計制造出“太陽神”號太陽能無人機(jī)。“太陽神”號耗資約1500萬美元，用碳纖維合成物制造，整架飛機(jī)僅重590公斤，比小型汽車還要輕。“太陽神”號兩個寬大的機(jī)翼全面伸展時卻達(dá)75米，波音747飛機(jī)和“陽光動力”號飛機(jī)都望塵莫及。 1999年，“太陽神”號在加州試飛，當(dāng)時完全靠電池驅(qū)動。2001年，研究人員將“太陽神”號運往更加適宜飛行的夏威夷，裝上65000片太陽能板，由地面兩名機(jī)師透過遙控設(shè)備“駕駛”；飛行了10小時17分后，“太陽神”號達(dá)到22800米的目標(biāo)高度。2003年6月26日，“太陽神”號因在試飛時突然遭遇強(qiáng)湍流導(dǎo)致空中解體，墜入夏威夷考艾島附近海域。

　　“陽光動力”號

　　2010年7月8日，瑞士“陽光動力”號太陽能飛機(jī)在試飛成功。這架飛機(jī)耗資？一億美元、歷時七年打造，是世界上第一架晝夜連飛的太陽能飛機(jī)。機(jī)身由超輕碳纖維復(fù)合材料制成，翼展長達(dá)63.4米，相當(dāng)于波音747的長度，重量相當(dāng)于一輛普通轎車，其機(jī)翼上裝有1.2萬塊太陽能電池板，高性能聚合鋰電池以及4臺發(fā)動機(jī)。飛機(jī)每臺發(fā)動機(jī)的最大功率為10馬力即總功率為40馬力，飛行時速為70公里。更重要的是，它是一架完全由太陽能驅(qū)動的飛機(jī)。

　　截至2012年5月底，這架采用太陽能動力的載人飛機(jī)，仍保持著26小時10分鐘19秒的飛行時間紀(jì)錄，同時也創(chuàng)下了海拔9235米的飛行高度紀(jì)錄。

　　2012年5月24日，“陽光動力”號首次嘗試從瑞士到摩洛哥的洲際飛行，全程使用太陽能動力。此次飛行是為2014年的環(huán)球飛行作準(zhǔn)備。

　　2012年5月24日，從瑞士帕耶訥出發(fā)，由該項目的兩位發(fā)起人博爾施貝格和皮卡爾輪流駕駛。在歷時17個小時后，抵達(dá)西班牙首都馬德里。此后，受直布羅陀海峽多風(fēng)天氣影響，“太陽驅(qū)動”號在馬德里逗留了約10天。

　　2012年6月5日，“陽光動力”號從馬德里的巴拉哈斯機(jī)場起飛，飛向西班？牙西南部，6月5日深夜徐徐降落在北非國家摩洛哥的拉巴特－薩累機(jī)場。皮卡爾在走下飛機(jī)后對媒體說，“陽光動力”號的最終目的地是摩洛哥中部城市瓦爾扎扎特，總共飛行里程將達(dá)2500公里。他說，此次飛行不僅是為了增強(qiáng)人們對太陽能的信心，同時也是為了支持摩洛哥在瓦爾扎扎特建設(shè)大型太陽能發(fā)電站的計劃，以推動減少對化石燃料的依賴。

　　此次飛行標(biāo)志著人類歷史上第一架太陽能飛機(jī)完成跨越歐非大陸之旅。據(jù)報道，有專家預(yù)計，40多年后，太陽能飛機(jī)在解決太陽能吸收、大幅提高電池功效之后，能夠承載300名乘客的大型太陽能飛機(jī)有望投入運營。

蓄電池電動飛機(jī)

　　Cri-Cri電動飛機(jī)

　　2010年9月2日，歐洲航宇集團(tuán)公司（EADS公司）全電飛機(jī)Cri-Cri在巴黎Le Bourget機(jī)場正式進(jìn)行首飛。這架四引擎的特技飛行飛機(jī)由EADS創(chuàng)新工廠、Aero Composites Saintonge公司和綠色Cri-Cri協(xié)會聯(lián)合開發(fā)。飛機(jī)在首飛中進(jìn)行了7分鐘的不間斷飛行。

　　Cri-Cri是單座型飛機(jī)，基于Cri-Cri自制飛機(jī)研制，采用了復(fù)合材料，以降低自身重量，并彌補因安裝鋰電池而增加的重量。

　　Cri-Cri動力來自于由4臺無刷電機(jī)驅(qū)動的反向旋轉(zhuǎn)螺旋槳，無二氧化碳排放，能夠以110千米/小時的速度巡航30分鐘，以248千米/小時的速度進(jìn)行15分鐘的特技飛行，爬升速度5.3米/秒。

　　E430電動飛機(jī)

　　2010年7月28日，中國制造的世界首架商用純電動E430電動飛機(jī)在美國威斯康辛州奧什科什市機(jī)場“飛來者大會”試飛成功，起飛平穩(wěn)，飛行高度達(dá)到3000米左右。試飛現(xiàn)場共有80萬名飛行迷和近萬架飛機(jī)，其中包括中國E430電動飛機(jī)主創(chuàng)設(shè)計團(tuán)隊。

　　2009年1月，E430成功下線，其外形圓潤，帶有V形尾翼，翼展13.8米，機(jī)身長？約7米，可乘坐兩人，配有40千瓦（54馬力）的電動機(jī)，動力采用30AH的鋰聚合物電池，產(chǎn)品性能大大優(yōu)于世界同類產(chǎn)品。2009年1月24日，E430在位于上海郊區(qū)的機(jī)場首次起飛，獲得了一系列堪稱世界第一的技術(shù)參數(shù)：最大起飛重量430公斤，最高時速150公里，經(jīng)濟(jì)時速95公里；可續(xù)航2-3個小時，充電時間3-4個小時，每次充電約需5美元。

　　中國E430以良好的性能在奧什科什完美亮相，標(biāo)志著世界第一架商用純電動飛機(jī)正式誕生，一舉打破了歐美國家長期主宰低空飛行的格局。首屆林白電動飛機(jī)大獎評審會決定將最佳電動飛機(jī)大獎頒發(fā)給中國Yuneec公司，美國Sonex飛機(jī)公司獲得最佳電動系統(tǒng)設(shè)計獎，德國的Lange飛機(jī)公司獲得最佳電動滑翔機(jī)獎。去年，E430又榮獲英國倫敦設(shè)計博物館主辦的英國生命保險設(shè)計大獎，被授予交通類設(shè)計大獎。

　　2011年，中國Yuneec公司曾計劃實現(xiàn)E430批量生產(chǎn)，并通過英國公司全部包銷，每架飛機(jī)定價為8.9萬美元。

燃料電池飛機(jī)

　　“安塔里斯”號

　　2009年7月7日，世界首架利用燃料電池驅(qū)動的有人駕駛飛機(jī)在德國漢堡升空。？這架飛機(jī)名為“安塔里斯”號DLR-H2型機(jī)動滑翔機(jī)。它由德國航空航天中心和一些私人企業(yè)共同研制。德國航空航天中心專家約翰·迪特里希·沃納說：“我們在電池效率和表現(xiàn)上實現(xiàn)了許多改進(jìn)，飛機(jī)可以只靠燃料電池實現(xiàn)起飛。”“安塔里斯”利用氫作為燃料，通過和空氣中的氧發(fā)生電化反應(yīng)產(chǎn)生能量。在最佳情況下，這種飛機(jī)可連續(xù)飛行5小時，飛行半徑達(dá)到750公里。[2]？

面臨挑戰(zhàn)

　　技術(shù)難題

　　各類電動飛機(jī)發(fā)展面臨的最大技術(shù)挑戰(zhàn)是電動力推進(jìn)系統(tǒng)關(guān)鍵性能指標(biāo)低、技術(shù)不成熟、重量過大，僅能滿足電動飛機(jī)的最低使用要求。此外，電動力推進(jìn)系統(tǒng)實用性、安全性和可靠性有待提高。電動力推進(jìn)系統(tǒng)重量過大是電動飛機(jī)設(shè)計的最大難題。

　　對于氫燃料電池電動飛機(jī)，還有燃料電池及氫燃料存儲系統(tǒng)布局和設(shè)計問題。同時安全可靠的氫燃料存儲系統(tǒng)設(shè)計問題不容易解決。目前盡管一些技術(shù)試驗機(jī)取得成功，但有人駕駛氫燃料電池電動飛機(jī)還有很多方面需要發(fā)展完善，離實用還有一段距離。

　　太陽能電動飛機(jī)設(shè)計上的主要技術(shù)挑戰(zhàn)大尺寸機(jī)翼的氣動彈性、晝夜連續(xù)飛行等。太陽能電動力推進(jìn)系統(tǒng)從太陽能輸入到螺旋槳最終的動能輸出，總的能量利用率只有約10%。太陽能飛機(jī)超大展弦比、大面積機(jī)翼會造成嚴(yán)重的氣動彈性問題。

　　成本過高

　　鋰電池、燃料電池和太陽能電池等電動力推進(jìn)系統(tǒng)關(guān)鍵部件成本高，電動力推進(jìn)系統(tǒng)和電動飛機(jī)的開發(fā)成本也很高，經(jīng)濟(jì)因素制約著其發(fā)展的一個問題。

　　適應(yīng)能力差

　　天氣和環(huán)境適應(yīng)能力也是一個重大技術(shù)問題。目前電動飛機(jī)基本上只能在天氣良好的狀況下飛行，而對于降水、降雪、雷電等惡劣天氣情況和比較惡劣的環(huán)境條件下還不能飛行，要滿足實用要求，這些問題必須加以解決，這在技術(shù)上存在較高難度。