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电动飞机,离我们还有多远?

日期:2017-05-16 来源:好奇心日报 护眼模式:

电动飞机,离我们还有多远?

  1957年的预言,其实没有近很多 

  1957年夏天,一个美国少年在达拉斯坐上一辆长途巴士,准备前往俄克拉荷马城看望他的父亲。

  这时距离苏联发射人类第一颗人造卫星“斯普特尼克1号”还有三个月、距离NBC开始播放彩色电视节目还有一年。

  飞行汽车10年内就会普及。

  这是少年罗伯特·萨德勒(Robert Sadler)在大巴上看《大众机械》(Popular Mechanics)杂志的结论。7月刊的封面上,展示了一辆会飞的汽车。这辆车没有车轮,车身中部是红色的乘员舱,车身前后布置了四个升力风扇。封面左下角写道:1967 年,你的飞行汽车。

电动飞机。图片/Wikipedia

  12岁的萨德勒为此懊恼了几个星期。他还没拿到驾照,觉得等他长大就没办法开到地面上跑的汽车了。

  萨德勒后来参加了越战、当过警察,退休之后成了小说家。在第一本小说《牙买加月亮》里,他用书中的虚拟人物再次演绎了这段1957年夏天的内心波澜:我永远都不能开车了。

  现在60年过去。人类去了月球,不止一次。但飞行汽车一直没有影子……直到最近。

电动飞机。图片/Wikipedia

  今年4月底的TED大会上,创业公司Kitty Hawk的空气动力负责人Todd Reichert上台放了一段视频:一个极限运动爱好者装扮的人骑在一个大疆和摩托车结合体一样的“飞车”,飞了起来。

  Reichert几个月后就会有比较粗糙的样机供人骑行,年底前看上去更完善的产品会上市。

  Kitty Hawk CEO 是原 Google无人驾驶负责人Sebastian Thrun,它的投资来自Google创始人拉里·佩奇。

  Kitty Hawk只是一众飞行公司里野心最小的那一个。

  在Reichert宣布飞行计划的那周,Uber在达拉斯召开了飞行出租车大会。会上,制造出休伊、眼镜蛇、鱼鹰等直升机巨头贝尔直升机宣布了和Uber合作电动飞行出租车的计划。

  另一边,空客宣布了类似的计划,在硅谷成立了一家叫A3的全资子公司,主要目标也是研制可以承载一人的垂直起降电动飞机,项目名字叫做“Vahana”,梵语的意思是“神的座驾”。

  Uber和空客的计划都差不多:造一个无人垂直起降飞行器,可以自动去接了乘客再飞到目的地。2020年就来。

  更宏伟的是硅谷最大创业孵化器YC今年推出的莱特电动(Wright Electric)——20年内,带来电力飞行的,能够乘坐上百人的支线客机。

  莱特电动、Kitty Hawk(莱特兄弟试飞人类第一架飞机的地名),从这些名字也能看出他们的野心。

  2017真的会变成“1967”了么?

  市场期待电动飞机,这关系到航空公司成本 

  所有这些计划的共同点都是电动,因为电机和电池足够简单。“空中出租车”用它们,体积有望比直升机更小。支线客机用它,更省钱。

  今天航空业不担心飞机性能。现代的民航飞机是人类创造出的性价比最高的交通工具之一。今天客机的动力远远超过了起飞需求。波音在售的双发动机客机,在一台发动机停机后还可以保证顺利降落。

  而且它的人均效率比汽车发动机高许多。

波音787飞机。图片/Wikipedia

  以波音最新推出的787型洲际客机为例,787-8型飞机的最大油箱容积超过12万升,最远航程超过15000公里。以3级客舱配置的242个座位计算,每一位乘客每公里只消耗0.03升航空煤油。实际上很多两级舱位设计的787-8能运载超过300人。

  这个油耗性能,一辆轿车要坐满四个人才能达到——而且慢得多。航空煤油的价格大约只有汽油的一半或更低。

  但这个燃油成本还是太高。目前,在竞争激烈的美国航空公司,燃油成本要占全部成本的三分之一。

  航空公司已经减无可减,只好把成本缩减放在了增加座位数和减少服务上。于是经济舱越来越挤、东西越来越难吃、能免费带上去的行李越来越小。

  同时航空发动机,还在消耗化石燃料,飞行过程中会排量大量的二氧化碳。2012年,欧洲曾将航空业纳入欧盟碳排放交易体系(Emissions Trading System,ETS),规定从欧洲出发及抵达的航班所属的公司都必须为全年排放的所有二氧化碳缴纳15%的费用。这个措施让单张机票价格涨价至少60欧元。

  但美国、中国等航空业大国家抵制这一法案,认为这个法案没有从发动机制造、燃料等源头领域控制排放,对航空公司征收是不公平的。2013年秋天开始,欧盟针对航空公司的碳排放收费暂停。

  虽然暂停了,但减少碳排放的方向没有变。

  航空运输业在全球范围内制定的碳减排目标包括,到2020年,每年将燃油效率提高1.5%;在2020年前,制定净排放量上限并实现碳中和增长;截至2050年,将碳排放量降低至2005年的一半。在这样的困境下,现在航空公司采用的改进措施是使用从食品废物油等中提取的生物燃料,来替换航空煤油,以同时实现节能和缩减成本。

  但是,生物燃油不是彻底的解决方案,因为现在的问题是,全球都对二氧化碳排放控制越来越严格。也就是说,总有一天航空业也会是碳排放管制的行业。也许航空公司没有选择,但是作为飞机制造商,像空中客车和波音的这样的公司,为了公司和行业的未来,也必须找到替代方案。

  电动飞行的最大挑战是动力 

  电动正在改造汽车业,现在进入飞行生意的新公司也在做同样的事。

  但这也是最难的地方。

  让现代民航飞机这么高效飞行的原因来自机翼下吊着的那两台涡轮喷气发动机。

图片/Wikipedia

  常见民航客机都已经是喷气式发动机,但它们和加速时喷射出长长火焰的战斗机发动机不一样,民航客机的发动机超过70%的推力不来自涡轮的压缩燃烧,而是来自外圈被推动的风扇。你能从正面看到一个旋转的风扇,正是这个风扇为民航飞机提供了大部分动力。

  同时,还有很多支线客机使用涡轮螺旋桨发动机,最常见的ARJ系列、庞巴迪Dash 8系列和中国制造的新舟系列支线飞机。

  简单说,今天在飞的民航客机,几乎全都靠燃烧航空燃油推动风扇或螺旋桨转动产生动力。

  这就给电动飞机带来了可能,因为靠电力驱动电动机,也可以让风扇旋转,让飞机起飞。理论上来说,波音和空客飞机使用的涡轮风扇发动机,把核心部件从涡轮换成电动机,只要有足够的电力驱动风扇以相似的速度旋转,飞机照样可以飞。

图片/Wikipedia

  问题是,现在的电池还太弱了。

  根据Batterybro网站的计算,喷气飞机使用的航空煤油每千克的能量密度,是常见的动力电池18650电池的138倍。18650是一种棒状的锂电池单元,特斯拉汽车的电池就是7000多块这种部件组成。

  很显然,给787换上电机,载着300人从北京飞到纽约是完全没可能了。

  退而求其次,改进气动力设计造、小一点的飞机是普遍想法。

  创业公司莱特电动的目标就是如此。这家 YC 孵化的公司每周都会发一份周报,介绍自己接触了什么人、做了什么工作、研究了什么问题。

  在2017年4月23日莱特电动的周报里,他们设定了一个电池技术目标:400瓦时每千克的能量密度。但这个密度只有航空燃油的数十分之一,但还是比今天特斯拉18650的250瓦时每千克高出太多。

  同时,锂电池的技术进步也很缓慢。随着手机、电脑、电动汽车的应用,这20年来,工业用锂电池得到了不小的改进。但从1991年到2011年,锂电池的能量密度提升了一倍,达到了大约200-300瓦时每千克的水平,同时,这种改进带来的增长曲线正在变慢。

图片/Wikipedia

  按照这个曲线,即使按照莱特电动自己预期可以满足最低要求的电池性能,现在的电池能量密度至少需要再提升50%到一倍性能指标才能达标。以今天的进步速度,可能是20年甚至更远的事。

  另外一个选择来自燃料电池。理论上来说,燃料电池是一个非常优越的动力来源,比如氢燃料电池或是乙醇燃料电池,都可以用常规的燃料罐来存储燃料,续航里程也很长。丰田制造的 Mirai氢燃料电池车,充满一罐氢气的时间只要几分钟,续航里程可以达到700公里。

  但是燃料电池目前不可能在民航飞机上大规模应用,一个原因是燃料电池所需的贵金属材料比较稀缺,造价太贵,另一个是大规模的燃料电池反应堆放在飞机上不够安全。

  目前上天的电动飞机,都不适合大量载人 

  已经有很多原型和试验机在电力飞机上做了许多尝试。

NASA和AeroVironment合作开发的太阳神(Helios)太阳能原型机是最著名的电动飞机之一。图片/Wikipedia

  NASA和AeroVironment合作开发的太阳神(Helios)太阳能原型机是最著名的电动飞机之一。这架无人遥控飞机长度只有3.6米,相当于一台奔驰 Smart微型车,但翼展非常大,超过了75米,比翼展65米的波音747客机还要宽,看上去就像一根会飞的尺子。

  太阳神的机翼表面覆盖了太阳能电池,同时有锂电池存储多余的电力,有14具2马力的电动引擎驱动飞机。根据设计,这架飞机可以飞到30000米高,同时续航可以达到几个月之久。

  2001年,太阳神飞机试飞成功,飞行高度最高达到29524米,打破了固定翼飞机的世界纪录,并且保持了超过40分钟。相比之下,正常民航飞机飞行的高度大概是9000米左右。在30000米这个高度上,太阳神可以避开所有气流、阴雨等大气活动,实际上已经变成了一台大气层中的卫星,这也是太阳神的设计初衷。

  2003年,太阳神飞机的改进版,动力系统更换为氢燃料电池的第二代原型机在试飞起飞阶段因为气象原因失事解体。

  电动飞机当然也有可以载人的。2014年空中客车在法国范堡罗航展上展出了一台叫做E-Fan的双座小型飞机,这架飞机由锂电池电力驱动,机翼后方安装了两台60千瓦的电动机用来驱动涵道风扇,可以提供1小时的续航时间。

  E-Fan在范堡罗航展上的试飞很成功。在空中客车的计划中,E-Fan未来的改进型上会有一些有趣的设计,比如起落架轮就像汽车一样是有动力的,可以在起飞时用轮子加速到约60公里再利用电动发动机起飞,以节省电力——不然就需要全程靠螺旋桨煽起的风在地面推动飞机到起飞速度,这是最耗能的阶段。

  空中客车设计E-Fan的长期发展目标是从这架用于训练的两座锂电池发飞机开始,发展出续航更长,四个座位,换装煤油燃料电池的轻型飞机,最终目标是在2020年之后完成一种90个座位,可以投入商业运营的电动支线客机。

  但因为电动飞机的相关进展太慢,E-Fan计划在2017年4月被取消,空中客车转向了传统引擎加混合动力,比如装着电动轮子飞机的研发。

  还有另外一架电动飞机走得更远。

  2016年7月,瑞士探险家贝特朗·皮卡尔和安德烈·波许博格主导的太阳能飞机项目“阳光动力2号”(Solarimpulse 2)累计历时558小时,分成17段航程完成了环球飞行。

  这架飞机由“阳光动力”项目组设计制造,翼展71.9米,机翼上安装了11628块柔性单晶硅太能能电池,总面积200平方米。这些电池给总共86千瓦时的锂离子电池充电,驱动四台约 7 千瓦的电动机在白天和夜晚不间断运行。

  阳光动力2号2015年3月9号从阿联酋阿布扎比出发,历经13小时抵达安曼的 马斯喀特,稍作停留之后飞往印度艾哈迈达巴德。之后的路程途径印度瓦拉纳西、缅甸曼德勒、中国重庆、日本名古屋、美国夏威夷等等地点,最终回到阿布扎比。这17段航段中大部分航程时间在20个小时以内,但少部分航段的时间长达数天:从南京飞往名古屋历时44小时,从名古屋飞往夏威夷历时117小时,从夏威夷飞往加州历时62小时。

  这架飞机之所以分段航行,除了项目本身是希望前往世界各地宣传清洁能源之外,主要原因是这架飞机总重只有2.3吨,更像一台动力滑翔机,更容易受气流影响,所以飞行员必须长期保持驾驶状态。在横跨太平洋的117小时飞行中,也就是超过5个日夜的飞行中,飞行员必须以一种驾驶两个小时,睡觉20分钟的特殊模式来完成飞行。

阳光动力2号飞机。图片/Wikipedia

  换句话说,这架飞机的动力部分足以支持它一直在天上飞,但控制系统不够完善,飞行员坚持不了那么长时间。

  关于“阳光动力2号”,有一件很有趣的事情。2015年3月31日凌晨,阳光动力2号接近重庆江北机场。在降落之前,阳光动力2号在空中遭遇了强风。驾驶员贝特朗·皮尔卡被地面告知,他当时的地速,也就是飞机相对于地面的绝对速度是 -20公里每小时。也就是说,这架飞机的速度比当时的风速还要慢。

  实际上,包括NASA太阳神、阳光动力2号在内的长续航太阳能电力飞机,都采用的相似的设计,与其说他们是飞机,不如说是动力滑翔机。

  很显然,买机票出行的乘客不能接受这样的速度。

  在之前的一次采访中,空中客车的首席技术官Paul Eremenko曾表示,如果动力系统发生革命, 未来的民航飞机将不再采用现在这种样子,外形可能会发生较大改变。

  他说,如果未来的混合动力发动机小型化,一架飞机就可能安装很多个发动机。如此一来,飞机现在的机翼-机身结构可能会被替代,变成协和式飞机的三角翼或是NASA X-48实验飞机那样的翼身融合结构。

图片/Wikipedia

  空中客车目前已经在飞机的能源改变上做了一些尝试。今年3月,空中客车已经宣布和西门子达成合作,会在混合动力民航飞机方面联合开发。

  Paul Eremenko同时说,全电动化大型商业用飞机受能量存储技术,也就是电池技术的限制,现在谈论还为时尚早。

  类似大号无人机的空中出租车是大公司的目标 

  稍微近一点的是电动飞行出租车。

  在电影《第五元素》里,未来的纽约已经变成了一座立体城市,经典的黄色出租车已经变成了飞船,不同的车道变成了在空中不同高度层飞行。

  这差不多就是Uber 4月底召开飞行大会的目标。会上,Uber宣布会和贝尔直升机合作,联合开发用于城市空中通勤的自动交通系统。在Uber的设想里,电动无人飞行器也是汽车的代替,但并不按照汽车的方式来前进。

  Uber设想,当飞行技术和自动驾驶技术成熟之后,闹市区的楼顶和城郊的住宅区会建立能容纳数艘电动飞行器的停机坪,用户只需要像今天的用手机叫车一样呼叫一架飞车就可以快速通勤。

  同样的,空中客车的的计划也是如此。2017日内瓦车展上,空中客车展出了一个叫做Pop.Up的电动个人飞行器的原型。

这台被称为电动汽车的载具目前还是一台静态展示模型

  这台被称为电动汽车的载具目前还是一台静态展示模型,外形看起来很熟悉:四个带函道的旋翼田字形排列,下方有一个成员吊舱,看起来完全就是大疆“精灵”航拍无人机的放大版。

  这种设计非常普遍,在2016年的CES展会上,中国玩具无人机厂商亿航也展出了一个非常类似的东西。

  目前,有创业公司的原型个人飞行器采用了类似的倾转旋翼设计。德国慕尼黑的百合航空(Lilium Aviation)4月份曾成功试飞了他们的原型机。

德国慕尼黑的百合航空(Lilium

  这台飞机是双座、电动、垂直起降结构,由机翼和机身前部共36台小型涵道风扇提供动力,起飞阶段风扇朝下,平飞阶段风扇转向后方。百合航空宣称,这架飞机可以续航300公里,速度可以达到300公里每小时。

  但这架飞机看上去也很不靠谱。Embry-Riddle航空大学的空气动力学家Charles Eastlake说,这架飞机的性能言过其实,因为区区600公斤的起飞重量,所包含的电池无法驱动这架450马力的飞机飞行一小时。实际上,装了超过900公斤电池的特斯拉Model S,也只能在地上跑400公里而已。

  但这样的设计确实看上去是飞行汽车的方向:垂直起降而不需要跑道,乘员舱不用太大,像轿车一样能坐2-4个人就足够了,同时续航也无需太长,因为城市通勤一半也就在100公里以内。

  要达到垂直起降、同时兼顾飞行速度的需求,波音和贝尔直升机联合研发的V-22鱼鹰倾转旋翼机设计会比大疆更合适。

波音和贝尔直升机联合研发的V-22鱼鹰倾转旋翼机

  V-22有两具旋翼,起飞的时候旋翼向上垂直起飞,之后旋翼会旋转朝向前方,飞机的飞行姿态就变成了固定翼飞机,从而实现比直升飞机更好的飞行性能。

  但这件事实现并不容易,因为人类并不真正理解飞行背后的原理。广泛流传的飞行理论:飞机能飞是因为机翼上下表面的表面积不同,空气流过产生压力差让飞机起飞。这种理论已经被NASA自己的研究结果否定。直接的反证是战斗机头朝下也可以飞行,理论上来说这时候机翼无法产生升力。

  所以尽管航空业通过大量实验验证了各种不同飞机设计的飞行效果。但每当一个新设计出现,还是需要非常多的测试,实际经历各种极限状况,才能保证安全。这个过程还不能完全在实验室用计算机仿真解决。

  V-22鱼鹰的研发因为是全新的领域,就曾遇到重大波折。1997年开始,鱼鹰在原型机阶段发现飞机因为结构,容易陷入涡环效应导致坠毁,发生了三次重大事故,造成20多名士兵和工程人员丧生,这个故障后来得到解决。

  军人在训练中丧生,飞机在试飞阶段死亡都是令人遗憾但预期中可能发生的损失。但叫出租车不一样。

  这也是为什么载人航空监管如此严苛。

  尤其是 Uber们设想的场景里,空中出租车要在城市里飞行,地面的行人和建筑物里的居民都会受到事故的威胁,这样的设备要投入商业化运营,时间表将会是难以估计的。

  至今美国、中国连商用无人机立法都还没完成。更别提至少几百公斤重的载人飞行器。

  虽然空客宣布了一个2020年的计划,但这只是首飞。它的CTO Paul Eremenko曾在采访中表示,空客计划中的Vahana电动个人飞行器会在两年内首次飞行,但是投入商业运营还有很长时间。

  最快到来的电动飞机大概是个玩具

  在这一大堆公司里,进展最快,看起来最可能的就是名字同样有野心的Kitty Hawk(小鹰)了。1900年,莱特兄弟来到北卡罗来纳州小鹰镇,开始测试动力滑翔机,最终在1903年,飞行者1号(Flyer I )试飞成功,成为人类历史上第一架可以控制的动力飞机。

  拉里·佩奇的投资的这家“小鹰”公司,要的东西其实很简单:一台大玩具。

  目前已经试飞成功的原型机像一辆摩托车大小,成员一人,有六个旋翼提供动力,但是不能飞的很高,离地距离也就是2-3米。这架飞行器的结构实际上比大疆的无人机还要简单:除了旋翼部分由电脑控制平衡,它没有无线电遥控,没有避障雷达,成员骑在上面用手柄操作,相当于一台手动无人机。

  小鹰的用途也很简单,比如野营时候的游乐等等,不会真的有人把它当作交通工具。小鹰公司宣布,他们的这架大玩具这架飞机会在2017年底开始售卖。

  如果一切顺利,小鹰大概会成为跳伞、滑翔伞的东西让人拍照发朋友圈。大概就是最接近我们生活的电动飞机了。

  至于乘一架电动支线客机降落在机场,而后叫一辆飞行Uber或者滴滴回家。2017与这个世界的距离,并没有比 1957 接近很多。(图片/Wikipedia)

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