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(jī)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(jī)“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(jìn)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(jī)（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(jī)低成本高性能航空電動發(fā)動機(jī)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(jī)的方向”

 

       近代航空事業(yè)起步以來，飛機(jī)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(jì)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(jì)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(jī)場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；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(jī)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(jī)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(jī)是以電動機(jī)帶動螺旋槳、涵道風(fēng)扇或其他裝置產(chǎn)生前進(jìn)動力的飛機(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《中國科學(xué)報》。

 

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

 

       航空工業(yè)機(jī)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(jī)、電控和電池（動力來源）。由它們組成的電推進(jìn)系統(tǒng)使飛機(jī)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(jī)的工作效率也要比燃油發(fā)動機(jī)高很多。

 

“       這是我們下一代飛機(jī)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(jī)技術(shù)（電推進(jìn)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�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，美國能源部支持的項目正是試圖解決電動機(jī)“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(jī)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(jī)，誰就會搶占先機(jī)。所以，我們需要盡早進(jìn)行戰(zhàn)略布局。”黃俊說。

 

 

       “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(jī)，到混合動力飛機(jī)，再到未來依靠電力推進(jìn)的電動飛機(jī)。

 

       對于電動飛機(jī)來說，專家們一致認(rèn)為，電推進(jìn)系統(tǒng)是電動飛機(jī)技術(shù)發(fā)展的核心，而電動飛機(jī)的性能和用途主要取決于其電推進(jìn)系統(tǒng)。

 

       電池是電推進(jìn)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(jī)的重量其實就是阻力，飛機(jī)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(jī)的意義不大。我們還有很長一段路要走。”

 

       的確，飛機(jī)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(dá)到500W·h/kg，兩者相距甚遠(yuǎn)，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(jī)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(jī)。但目前，要采用電力系統(tǒng)直接驅(qū)動大型飛機(jī)還有一定困難。”李開省表示，可采取混合動力推進(jìn)技術(shù)作為過渡方案。

 

       混合動力技術(shù)即將傳統(tǒng)燃?xì)鉁u輪與電力發(fā)動機(jī)相結(jié)合。黃俊認(rèn)為，電動飛機(jī)的推進(jìn)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(jī)和控制器分解成 100個1kw的電機(jī)、或10個10kw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，可有效提高空氣動力效率并降低機(jī)翼面積和結(jié)構(gòu)重量。例如，美國宇航局的X-57電動飛機(jī)機(jī)翼前緣配置12個高升動力馬達(dá)提供推進(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)。”