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空客E-Fan电动飞机成功跨越英吉利海峡

1909 年法国人路易·布莱里奥驾驶飞机成为人类历史上飞越英吉利海峡的第一人。约一个世纪后,作为零排放、电力驱动载人飞行器的代表,欧洲空客公司E-Fan 电动私人飞机成功跨越英吉利海峡的飞行将成为航空史上的里程碑。

E-Fan 飞机有两具电动马达带动两组可变频涡扇推进器,总耗电60 千瓦,内建12 cell 的锂聚合物电池,电池以被动式气冷散热,起飞时先由机轮动力马达如电动车一般加速到时速60 公里,才改用涡扇推进器推进,可大幅减少起飞过程所需的能量,全机重量500 公斤,可搭乘2 人。特别的是,E-Fan100%依靠电池续航,无需航油提供动力。由于依靠电池提供动力,E-Fan 在飞行过程中不会排放废气,在E-Fan 试飞的过程中也几乎听不到任何刺耳的噪音,相比普通飞机显得非常安静。现在,空客公司将E-Fan 作为教练机使用,其优点就是费用低,可以极大降低学习驾驶的费用,E-Fan 飞行一小时的能源成本只有2 欧元(约合人民币17 元),而传统的教练机,同样以飞行一小时计算,燃料成本需要36-46 欧元。分布式电能推进(DEP)

  相比传统活塞发动机或涡轮式引擎,电动飞机所运用的电能推进(electric propulsion)的技术优势颇为明显,例如电子控制的最新式电动引擎能够提供大量扭力,可有效推动螺旋桨、扇叶及轮胎。电动引擎所需零件较少,也减 少了出现零件磨损或破损的机会。特别的是,电能推进有能力打破现有飞机设计限制,让一些颠覆传统飞机设计的概念成真,而这其中的奥妙在于“分布式电能推 进”(DEP)。

  “分布式电能推进”概念在于利用 一系列电能螺旋桨,取代现有飞机笨重的喷射引擎,而且不一定要安装在机翼下,可按需要设置在机身不同位置。除了允许打造出外表截然不同的飞机外,也可以减 少机翼面积及重量,节省燃料。同时每个电能螺旋桨能够单独控制和运作,通过调节飞机不同部位的推力,有助机师更好应对飞行环境改变,例如突如其来的强风或 气流。

  除了近日引发关注的E-Fan 电动飞机,空客公司与英国飞机引擎制造商劳斯莱斯合 作,共同生产一款名为E-Thrust 的电动式飞机。E-Thrust 的目标是要实现这样的目标, 能够携带90 名乘客飞行两个小时甚至更久。不过, 这也要依赖于未来储存电池在技术的突破才能得以实现。同时,这个概念也是使用分布式推进的概念, 但有一点不同的是,E-thrust是混合动力飞机。空客两种飞机的研发,能够在未来的发展中取长补短。
E-Thrust机尾装有传统喷射引擎,每边机翼则各有3个电力推动的螺旋桨。飞机起飞时,引擎和6 个螺旋桨会全速运作,提供最大升力;当到达航行高度,喷射引擎功率会稍为下降,但仍足以推动螺旋桨及为电池充电;开始下降时,喷射引擎及螺旋桨都会关闭, 让飞机进入滑翔状态,迎面而来的气流会把螺旋桨变成风车一样,为电池充电;降落时则主要利用螺旋桨,若需要额外动力则可再次启动喷射引擎。混能系统优势在 于可提升涵道比(bypassratio),即空气被引进喷射引擎后,流经核心部位外( 外进气道) 的空气及流进燃烧室(内进气道) 的空气流量比率。

  早期客机的引擎主要从内进气道喷出的空气取得推力,涵道比约为5:1,这导致它们需要更多能量及产生较大噪音,现代客机涵道比则约为12:1, 而只有尾部设有喷射引擎的E-Thrust,涵道比估计高达20:1,使得它燃油效率高之外还非常安静。而另一优势来自于,分散在机翼上的螺旋桨,可有效 捕捉到流经机翼表面的缓慢空气,这些空气会对机翼构成拉力,犹如把客机向后拖,令客机要消耗更多燃料维持航速。电动螺旋桨可以把这些缓慢空气加速,减少对 客机的拉力。

  混合动力系统的一大优点就是它提供了一个巨大的提升飞机的“搭桥”比率。当爆炸离开核心的涡轮, 通过轴转动风扇前面的引擎来吸引更多的空气。E-Thrust 整齐的混合设置都围绕这些问题, 因为只有尾巴的喷气发动机燃烧的核心。这意味着所有的空气流经6 个电动的粉丝为其“有效”的涵道比20:1 或更多。这将为飞机极大地节省燃油, 变得安静。

  NASA(美国航 空航天局)已经测试了名为前沿异步推进的技术(LEAPTech),这种新型机翼设计很有可能应用于新一代飞行模拟器X-Plane 上。LEAPTech 的主要潜在优势包括,降低对石油燃料的依赖,改善飞机性能和飞行质量,并降低飞机噪声。LEAPTech 项目是NASA未来10 年内将飞机工业过渡到电力推进系统的一个重要部分,并且具有在下一个时期向通用航空飞机转化,并在长期内向运输飞机转化的潜力。

  现在,NASA 正在利用DEP 技术打造小型飞机Sceptor。Sceptor 的小型螺旋桨会增加飞机的升力以较低的速度, 使它在更短的跑道上起飞和降落。这也意味着机翼可能更加纤细, 也许只有三分之一的传统飞机机翼的宽度, 从而节约重量和燃油成本。可是,大翅膀在飞机巡航时效率不高, 因为它们造成了许多阻力。Sceptor 巡航的翅膀将更加优化, 但仍旧可以提供足够的提升有助于防止在起飞或降落的停滞。一旦Sceptor 测试成功,这项技术有可能融入小型客机中,帮助它们达到零排放和极度安静的飞行,营运开支也会较现在少30%。

  电动飞机仍有多项重大技术障碍需要跨越,当中最棘手的在于电池容量和推力。虽然近年来电池技术的研究突飞猛进,但续航力相对传统飞机仍有明显差 距,例如E-Fan 所用的锂离子电池只能支撑约一小时的飞行。另一方面,超导体的技术和研究未足以为飞机提供理想的推力,使得电动飞机在性能上仍然难以跟传统的飞机相比。