電動(dòng)飛機(jī)

概述

　　1957年6月30日，一架使用永磁電動(dòng)機(jī)和銀鋅電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)模型飛機(jī)---“無(wú)線電皇后”號(hào)在英國(guó)試飛成功，這是有官方報(bào)道的世界上第一架電動(dòng)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(guó)國(guó)家航空航天局研制的無(wú)線能量傳輸（Power Beaming）電動(dòng)？飛機(jī)模型在室內(nèi)試飛成功。右圖為無(wú)線能量傳輸電動(dòng)飛機(jī)模型，源自美國(guó)國(guó)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(dòng)的有人駕駛飛機(jī)在德國(guó)漢堡升空，實(shí)現(xiàn)二氧化碳零排放。

　　2010年4月7日，瑞士的“陽(yáng)光動(dòng)力”(Solar Impulse)號(hào)太陽(yáng)能飛機(jī)首次成功試飛，同年7月8日，完成26小時(shí)晝夜試飛，證明了晝夜飛行的可行性，打破了太陽(yáng)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(yáng)能動(dòng)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(yáng)能動(dòng)力。

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

優(yōu)點(diǎn)

　　電動(dòng)飛機(jī)使用電動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)代替內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力，從而獲得了很多優(yōu)點(diǎn)和獨(dú)特品質(zhì)。最突出的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)能環(huán)保，效率高能耗低，同時(shí)實(shí)現(xiàn)接近零排放，噪聲和振動(dòng)水平很低，乘坐舒適性好，是名符其實(shí)的環(huán)境友好飛機(jī)。此外，還具有安全可靠（不會(huì)發(fā)生爆炸和燃料泄漏）、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作使用簡(jiǎn)便、維修性好/費(fèi)用低、經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)。在設(shè)計(jì)上也有很多優(yōu)勢(shì)：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(jì)出具有超常性能的飛機(jī)，滿足特殊用途需求等。

分類

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

太陽(yáng)能飛機(jī)

　　“太陽(yáng)挑戰(zhàn)者”號(hào)

　　1980年，保羅·麥卡克萊迪（Paul MacCready）設(shè)計(jì)的蜘蛛絲-企鵝號(hào)？（Gossamer Penguin）太陽(yáng)能飛機(jī)在美國(guó)加利福尼亞州第一次實(shí)現(xiàn)載人飛行，當(dāng)時(shí)是由他十三歲的兒子進(jìn)行控制。1981年，改進(jìn)型的“太陽(yáng)挑戰(zhàn)者”號(hào)成功穿越了英吉利海峽，當(dāng)時(shí)平均時(shí)速為54公里。它是一架單座太陽(yáng)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(yáng)電池，在理想陽(yáng)光的照射下能輸出3000瓦以上的功率。

　　“太陽(yáng)神”號(hào)

　　在“太陽(yáng)挑戰(zhàn)者”號(hào)的基礎(chǔ)上，美國(guó)航空環(huán)境公司（AeroVironment）？在美國(guó)宇航局環(huán)境研究飛機(jī)和傳感技術(shù)項(xiàng)目資助下設(shè)計(jì)制造出“太陽(yáng)神”號(hào)太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)。“太陽(yáng)神”號(hào)耗資約1500萬(wàn)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(yáng)神”號(hào)兩個(gè)寬大的機(jī)翼全面伸展時(shí)卻達(dá)75米，波音747飛機(jī)和“陽(yáng)光動(dòng)力”號(hào)飛機(jī)都望塵莫及。 1999年，“太陽(yáng)神”號(hào)在加州試飛，當(dāng)時(shí)完全靠電池驅(qū)動(dòng)。2001年，研究人員將“太陽(yáng)神”號(hào)運(yùn)往更加適宜飛行的夏威夷，裝上65000片太陽(yáng)能板，由地面兩名機(jī)師透過(guò)遙控設(shè)備“駕駛”；飛行了10小時(shí)17分后，“太陽(yáng)神”號(hào)達(dá)到22800米的目標(biāo)高度。2003年6月26日，“太陽(yáng)神”號(hào)因在試飛時(shí)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(yáng)光動(dòng)力”號(hào)

　　2010年7月8日，瑞士“陽(yáng)光動(dòng)力”號(hào)太陽(yáng)能飛機(jī)在試飛成功。這架飛機(jī)耗資？一億美元、歷時(shí)七年打造，是世界上第一架晝夜連飛的太陽(yáng)能飛機(jī)。機(jī)身由超輕碳纖維復(fù)合材料制成，翼展長(zhǎng)達(dá)63.4米，相當(dāng)于波音747的長(zhǎng)度，重量相當(dāng)于一輛普通轎車，其機(jī)翼上裝有1.2萬(wàn)塊太陽(yáng)能電池板，高性能聚合鋰電池以及4臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)。飛機(jī)每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率為10馬力即總功率為40馬力，飛行時(shí)速為70公里。更重要的是，它是一架完全由太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的飛機(jī)。

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

　　2012年5月24日，“陽(yáng)光動(dòng)力”號(hào)首次嘗試從瑞士到摩洛哥的洲際飛行，全程使用太陽(yáng)能動(dòng)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(xiàng)目的兩位發(fā)起人博爾施貝格和皮卡爾輪流駕駛。在歷時(shí)17個(gè)小時(shí)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(yáng)驅(qū)動(dòng)”號(hào)在馬德里逗留了約10天。

　　2012年6月5日，“陽(yáng)光動(dòng)力”號(hào)從馬德里的巴拉哈斯機(jī)場(chǎng)起飛，飛向西班？牙西南部，6月5日深夜徐徐降落在北非國(guó)家摩洛哥的拉巴特－薩累機(jī)場(chǎng)。皮卡爾在走下飛機(jī)后對(duì)媒體說(shuō)，“陽(yáng)光動(dòng)力”號(hào)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(shuō)，此次飛行不僅是為了增強(qiáng)人們對(duì)太陽(yáng)能的信心，同時(shí)也是為了支持摩洛哥在瓦爾扎扎特建設(shè)大型太陽(yáng)能發(fā)電站的計(jì)劃，以推動(dòng)減少對(duì)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(yáng)能飛機(jī)完成跨越歐非大陸之旅。據(jù)報(bào)道，有專家預(yù)計(jì)，40多年后，太陽(yáng)能飛機(jī)在解決太陽(yáng)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(yáng)能飛機(jī)有望投入運(yùn)營(yíng)。

蓄電池電動(dòng)飛機(jī)

　　Cri-Cri電動(dòng)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(chǎng)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(huì)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(bǔ)因安裝鋰電池而增加的重量。

　　Cri-Cri動(dòng)力來(lái)自于由4臺(tái)無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的反向旋轉(zhuǎn)螺旋槳，無(wú)二氧化碳排放，能夠以110千米/小時(shí)的速度巡航30分鐘，以248千米/小時(shí)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(dòng)飛機(jī)

　　2010年7月28日，中國(guó)制造的世界首架商用純電動(dòng)E430電動(dòng)飛機(jī)在美國(guó)威斯康辛州奧什科什市機(jī)場(chǎng)“飛來(lái)者大會(huì)”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(chǎng)共有80萬(wàn)名飛行迷和近萬(wàn)架飛機(jī)，其中包括中國(guó)E430電動(dòng)飛機(jī)主創(chuàng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)。

　　2009年1月，E430成功下線，其外形圓潤(rùn)，帶有V形尾翼，翼展13.8米，機(jī)身長(zhǎng)？約7米，可乘坐兩人，配有40千瓦（54馬力）的電動(dòng)機(jī)，動(dòng)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(chǎng)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(shí)速150公里，經(jīng)濟(jì)時(shí)速95公里；可續(xù)航2-3個(gè)小時(shí)，充電時(shí)間3-4個(gè)小時(shí)，每次充電約需5美元。

　　中國(guó)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(dòng)飛機(jī)正式誕生，一舉打破了歐美國(guó)家長(zhǎng)期主宰低空飛行的格局。首屆林白電動(dòng)飛機(jī)大獎(jiǎng)評(píng)審會(huì)決定將最佳電動(dòng)飛機(jī)大獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給中國(guó)Yuneec公司，美國(guó)Sonex飛機(jī)公司獲得最佳電動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)獎(jiǎng)，德國(guó)的Lange飛機(jī)公司獲得最佳電動(dòng)滑翔機(jī)獎(jiǎng)。去年，E430又榮獲英國(guó)倫敦設(shè)計(jì)博物館主辦的英國(guó)生命保險(xiǎn)設(shè)計(jì)大獎(jiǎng)，被授予交通類設(shè)計(jì)大獎(jiǎng)。

　　2011年，中國(guó)Yuneec公司曾計(jì)劃實(shí)現(xiàn)E430批量生產(chǎn)，并通過(guò)英國(guó)公司全部包銷，每架飛機(jī)定價(jià)為8.9萬(wàn)美元。

燃料電池飛機(jī)

　　“安塔里斯”號(hào)

　　2009年7月7日，世界首架利用燃料電池驅(qū)動(dòng)的有人駕駛飛機(jī)在德國(guó)漢堡升空。？這架飛機(jī)名為“安塔里斯”號(hào)DLR-H2型機(jī)動(dòng)滑翔機(jī)。它由德國(guó)航空航天中心和一些私人企業(yè)共同研制。德國(guó)航空航天中心專家約翰·迪特里希·沃納說(shuō)：“我們?cè)陔姵匦屎捅憩F(xiàn)上實(shí)現(xiàn)了許多改進(jìn)，飛機(jī)可以只靠燃料電池實(shí)現(xiàn)起飛。”“安塔里斯”利用氫作為燃料，通過(guò)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(shí)，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(dòng)飛機(jī)發(fā)展面臨的最大技術(shù)挑戰(zhàn)是電動(dòng)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(guò)大，僅能滿足電動(dòng)飛機(jī)的最低使用要求。此外，電動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)實(shí)用性、安全性和可靠性有待提高。電動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)重量過(guò)大是電動(dòng)飛機(jī)設(shè)計(jì)的最大難題。

　　對(duì)于氫燃料電池電動(dòng)飛機(jī)，還有燃料電池及氫燃料存儲(chǔ)系統(tǒng)布局和設(shè)計(jì)問(wèn)題。同時(shí)安全可靠的氫燃料存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題不容易解決。目前盡管一些技術(shù)試驗(yàn)機(jī)取得成功，但有人駕駛氫燃料電池電動(dòng)飛機(jī)還有很多方面需要發(fā)展完善，離實(shí)用還有一段距離。

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

　　成本過(guò)高

　　鋰電池、燃料電池和太陽(yáng)能電池等電動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)關(guān)鍵部件成本高，電動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)和電動(dòng)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(gè)問(wèn)題。

　　適應(yīng)能力差

　　天氣和環(huán)境適應(yīng)能力也是一個(gè)重大技術(shù)問(wèn)題。目前電動(dòng)飛機(jī)基本上只能在天氣良好的狀況下飛行，而對(duì)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(shí)用要求，這些問(wèn)題必須加以解決，這在技術(shù)上存在較高難度。