電動飛機

概述

　　1957年6月30日，一架使用永磁電動機和銀鋅電池驅動的電動模型飛機---“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。從20世紀70年代開始，電力模型飛機開始陸續(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？飛機模型在室內試飛成功。右圖為無線能量傳輸電動飛機模型，源自美國國家航空航天局官網。

　　2009年7月7日，世界上首架利用燃料電池驅動的有人駕駛飛機在德國漢堡升空，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，打破了太陽能飛機不能晝夜飛行的歷史紀錄。

　　2012年5月24日，瑞士一架太陽能動力載人飛機的飛機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，世界上已經完成研制的電動飛機多數(shù)屬于實驗性質的試用品，包括有人駕駛和無人駕駛飛機。

優(yōu)點

　　電動飛機使用電動力推進系統(tǒng)代替內燃機動力，從而獲得了很多優(yōu)點和獨特品質。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。此外，還具有安全可靠（不會發(fā)生爆炸和燃料泄漏）、結構簡單、操作使用簡便、維修性好/費用低、經濟性好等特點。在設計上也有很多優(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；可設計出具有超常性能的飛機，滿足特殊用途需求等。

分類

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

太陽能飛機

　　“太陽挑戰(zhàn)者”號

　　1980年，保羅·麥卡克萊迪（Paul MacCready）設計的蜘蛛絲-企鵝號？（Gossamer Penguin）太陽能飛機在美國加利福尼亞州第一次實現(xiàn)載人飛行，當時是由他十三歲的兒子進行控制。1981年，改進型的“太陽挑戰(zhàn)者”號成功穿越了英吉利海峽，當時平均時速為54公里。它是一架單座太陽能飛機，翼展14．3米，飛機空重90公斤，機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”號的基礎上，美國航空環(huán)境公司（AeroVironment）？在美國宇航局環(huán)境研究飛機和傳感技術項目資助下設計制造出“太陽神”號太陽能無人機。“太陽神”號耗資約1500萬美元，用碳纖維合成物制造，整架飛機僅重590公斤，比小型汽車還要輕。“太陽神”號兩個寬大的機翼全面伸展時卻達75米，波音747飛機和“陽光動力”號飛機都望塵莫及。 1999年，“太陽神”號在加州試飛，當時完全靠電池驅動。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，由地面兩名機師透過遙控設備“駕駛”；飛行了10小時17分后，“太陽神”號達到22800米的目標高度。2003年6月26日，“太陽神”號因在試飛時突然遭遇強湍流導致空中解體，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”號太陽能飛機在試飛成功。這架飛機耗資？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。機身由超輕碳纖維復合材料制成，翼展長達63.4米，相當于波音747的長度，重量相當于一輛普通轎車，其機翼上裝有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。飛機每臺發(fā)動機的最大功率為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動的飛機。

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

　　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，抵達西班牙首都馬德里。此后，受直布羅陀海峽多風天氣影響，“太陽驅動”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－薩累機場。皮卡爾在走下飛機后對媒體說，“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2500公里。他說，此次飛行不僅是為了增強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。

　　此次飛行標志著人類歷史上第一架太陽能飛機完成跨越歐非大陸之旅。據報道，有專家預計，40多年后，太陽能飛機在解決太陽能吸收、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有望投入運營。

蓄電池電動飛機

　　Cri-Cri電動飛機

　　2010年9月2日，歐洲航宇集團公司（EADS公司）全電飛機Cri-Cri在巴黎Le Bourget機場正式進行首飛。這架四引擎的特技飛行飛機由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)。飛機在首飛中進行了7分鐘的不間斷飛行。

　　Cri-Cri是單座型飛機，基于Cri-Cri自制飛機研制，采用了復合材料，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臺無刷電機驅動的反向旋轉螺旋槳，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/小時的速度進行15分鐘的特技飛行，爬升速度5.3米/秒。

　　E430電動飛機

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

　　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，機身長？約7米，可乘坐兩人，配有40千瓦（54馬力）的電動機，動力采用30AH的鋰聚合物電池，產品性能大大優(yōu)于世界同類產品。2009年1月24日，E430在位于上海郊區(qū)的機場首次起飛，獲得了一系列堪稱世界第一的技術參數(shù)：最大起飛重量430公斤，最高時速150公里，經濟時速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，標志著世界第一架商用純電動飛機正式誕生，一舉打破了歐美國家長期主宰低空飛行的格局。首屆林白電動飛機大獎評審會決定將最佳電動飛機大獎頒發(fā)給中國Yuneec公司，美國Sonex飛機公司獲得最佳電動系統(tǒng)設計獎，德國的Lange飛機公司獲得最佳電動滑翔機獎。去年，E430又榮獲英國倫敦設計博物館主辦的英國生命保險設計大獎，被授予交通類設計大獎。

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

燃料電池飛機

　　“安塔里斯”號

　　2009年7月7日，世界首架利用燃料電池驅動的有人駕駛飛機在德國漢堡升空。？這架飛機名為“安塔里斯”號DLR-H2型機動滑翔機。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，飛機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)生電化反應產生能量。在最佳情況下，這種飛機可連續(xù)飛行5小時，飛行半徑達到750公里。[2]？

面臨挑戰(zhàn)

　　技術難題

　　各類電動飛機發(fā)展面臨的最大技術挑戰(zhàn)是電動力推進系統(tǒng)關鍵性能指標低、技術不成熟、重量過大，僅能滿足電動飛機的最低使用要求。此外，電動力推進系統(tǒng)實用性、安全性和可靠性有待提高。電動力推進系統(tǒng)重量過大是電動飛機設計的最大難題。

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

　　太陽能電動飛機設計上的主要技術挑戰(zhàn)大尺寸機翼的氣動彈性、晝夜連續(xù)飛行等。太陽能電動力推進系統(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%。太陽能飛機超大展弦比、大面積機翼會造成嚴重的氣動彈性問題。

　　成本過高

　　鋰電池、燃料電池和太陽能電池等電動力推進系統(tǒng)關鍵部件成本高，電動力推進系統(tǒng)和電動飛機的開發(fā)成本也很高，經濟因素制約著其發(fā)展的一個問題。

　　適應能力差

　　天氣和環(huán)境適應能力也是一個重大技術問題。目前電動飛機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，這在技術上存在較高難度。