当电动汽车在陆上取得长足的进步时,各式各样以电池为能源的飞行器正悄无声息地开始飞向天空

进展中的项目:“阳光动力号”太阳能飞机

  新泽西州的一名歇业钟表商兰德尔 ·费希曼(Randall Fishman)是个飞行迷,他把大量的时间花在了飞行于哈德逊河的上空。尽管他有30年的飞行经历,却仍然向往用一种更完美的方式来飞行。2006年,费希曼改装了一架悬挂式滑翔机:去掉内燃机后代之以电池作为动力。“我就是不喜欢内燃机的振动和噪声,”他说,“电动飞翔,就像儿时的梦一样可以在空中静静地翱翔。”
  费希曼先生是如今国际上正在增多的电动飞行爱好者群体中的一员。从电动飞行器的发展趋势看,由悬挂式滑翔机和超轻型飞机开始,到现在的双座航空飞行器,包括今年6月在法国布尔歇举行的绿色航展上展出的十数架电动飞行器,以及7月在威斯康辛州奥什科什举行的实验航空器协会的年会上,人们都在看好绿色环保的电动飞行器。

静悄悄地飞

  电动飞机的理念有许多优点,既适合用来驱动螺旋桨,也不需要变速箱,其输出的转矩在加速飞行的同时,也降低了机身自重和机械的复杂性。由于不存在燃料箱破裂和爆炸的问题,意味着只需相对较少的维修保养,而这对于航空器来说绝顶重要。
  早先的问题是,提供动力的电池往往重量大,而采用锂离子电池后重量可减轻许多。据英国剑桥大学工程系的保罗 ·罗伯逊(Paul Robertson)估算,锂离子电池的能量密度为0.15 KWh/Kg(千瓦小时/公斤),而汽油的能量密度则为12.5KWh/Kg,尽管后者能量利用率仅为30%,但其能量密度依然达3.7KWh/Kg,即25倍于锂电池的能量密度。即使如此,罗伯逊认为,只要电动飞机具有提供更大升力的高效机翼,制造电动飞行器是可行的。
  从空气动力学角度看,升力随重量、推力及阻力(空气阻力)而变。机翼能创造比阻力大的升力,其具体大小取决于电动飞机的设计及流经它的空气的流速。轻型飞行器升阻比(升力与阻力之比)为10:1;而悬挂式滑翔机的这一比值约为15:1(意味着无发动机的悬挂式滑翔机恒速飞行时,高度每下降1米可向前飞行15米)。
  罗伯逊博士目前正在研制一种翼展为10米(33英尺)、升阻比为18:1的双发动机电动超轻型飞行器。从理论上说,这种飞行器只需很小的推力就可在空中滞留。罗伯逊希望这种飞行器能够飞行40分钟左右,如增加电池组,则可飞行更长时间。因此他认为,电动飞行是一桩愉快安静而低成本的事。

Yuneec E430 (上图);安吉尔-20E(中图);安吉尔DLR-H2(下图)

  德国滑翔机制造商兰格航空公司于1966年开始研制电动滑翔机。目前,兰格公司生产的安塔尔20E单座滑翔机,其螺旋桨由40千瓦电动机驱动,提供电能的锂电池则装在机翼的前侧,一次充电可升高至3000米。尽管同样的能量对于大部分无发动机的飞行器来说可以增加航程,但对于安塔尔20E而言,在保持一定高度的同时可增加续航时间。安塔尔20E被认为是第一架合格的且在流水线上生产的电动飞行器,迄今已售出50架。德国另一滑翔机制造商Schempp-Hirth公司,目前正在研制Arcus E双座电动飞机,其电力系统则由兰格公司提供。
  电动滑翔机固然不错,但最终的目标是制造出既适用于滑翔、又可用于长途旅行的电动飞行器。费希曼先生目前正在研发的一种称为ElectroFlyer-X的电动双座飞行器,其翼展15米,升阻比约为30:1,安装在机内的充电装置3小时完成充电后,续航时间为2小时,时速可达128公里。一旦试飞成功后,费希曼计划以每架8万美元的价格出售ElectraFlyer-X。
  然而,全球关于航空器认证的规定各有不同,尽管对各种轻型游览飞机设有这样或那样的规定,但很少涉及电动飞机。在美国和其他一些国家,自制的航空器不必进行像商业飞机那样繁复的审查过程,可以“试验性”飞行。斯洛文尼亚轻型飞机制造商Pipstral公司认为,电动飞机鉴定过程的缺失,正阻碍着这项“正在成熟和发展的”技术。虽然Pipstral公司生产的“金牛座”电动滑翔机已获准出售给法国。
  另一家寻求鉴定的是Yuneec公司。今年1月,该公司的创建者成为公司的双座E430电动飞行器的第一批乘客。公司的简便机场邻近上海的研发中心,包括设在伦敦附近的营业厅也准备就绪,公司计划以8.9万美元的价格出售E430电动飞行器(包括电池组在内)。受遥控电动飞机的启发,公司的创建者说,E430的飞行成本仅为1小时5美元――约为一般的双座内燃轻型飞机飞行成本的十分之一――42千瓦电动机、3.8米翼展的E430的飞行时间可长达3小时。

动能的提升

  根据电动汽车充电后可增进车辆行程的技术,在飞行或滑翔时,飞行器亦可借助螺旋桨的旋转给电池充电。这有点类似电动汽车的再生制动功能,与丰田普锐斯电动车获取动能的特性有些相像。与此类似,在飞行器上增加一台“增程器”,以此给电动机提供动力或给电池补充电能(通用汽车公司雪佛兰“伏特”系列电动车即采用此项技术),包括瑞士探险家伯特兰 ·皮卡德(Bertrand Piccard)期望的那样,利用机翼上的太阳能发电装置进行环球飞行。
  皮卡德的“阳光动力号”太阳能飞机翼展超过63米,与空中客车A-340差不多,其动能是通过覆盖在机翼和水平尾翼上的11628块太阳能电池发出的电能,平均时速为70公里。白天,锂聚合物电池(约占飞机重量1600公斤的四分之一)在飞机飞行的同时进行充电,夜晚,则由这些充满电能的电池驱动飞机。皮卡德的环球飞行计划分为5个阶段,每一阶段约需4至5天的持续飞行(大抵相当于飞行员能耐受的程度)。今年4月,第一架“阳光动力号”样机以飞行36小时结束,试飞获得成功。第二架样机预计在在2012年建造完成,届时将用来尝试创造记录(7月8日,“阳光动力号”成功完成了为期26小时的不间断飞行。这是世界首次太阳能飞机夜间试飞,展示了仅靠太阳能驱动实现环球飞行的可能性。这是太阳能飞机迄今飞行距离最长、飞行高度最大的一次试飞。它的最大飞行高度为海拔8564米,平均时速为43公里,最大时速为126公里――译者注)。
  另一个飞行更远距离的方法是使用氢燃料电池,由于氢比空气轻,经压缩后可以储存在专门容器中。尽管这会增加飞机的重量,然而德国航天中心对安吉尔20E滑翔机进行了改造(改造后的机型为安吉尔DLR-H2),尝试以氢燃料电池作为动力的飞行;包括波音公司也计划在迪莫纳电动滑翔机的基础上,将其电能系统改为氢燃料电池。甚至生产大型电动直升机的美国联合技术公司和西科尔斯基公司,也在进行类似的计划。
  美国联合技术公司研究中心主管戴维 ·帕尔克(David Parekh)认为,燃料电池可以驱动小型电动直升机和无人驾驶侦察机。但不管飞机的大或小,看来依然难以超越航空燃油的能量密度。
  或许情况是这样的。但是我们不应忘记,仅在100多年以前,重于空气的飞行器在空中飞行似乎是一个不可能实现的梦想。然而,在1903年的12月17日,莱特兄弟驾驶的简易飞机成功地在空中进行了短距离飞行。当时飞机备有12马力(8.9千瓦)的汽油发动机,相比皮卡德“阳光动力号”的6千瓦电动机(共有4台),其体积大不了多少。当年其兄长威尔伯·莱特最远的飞行距离仅为260米;而现今,皮卡德先生的“阳光动力号”将完全不用燃料而环游世界。

资料来源The Economist

责任编辑 则 鸣