近日,2019年巴黎航空展(Paris Air Show 2019)圓滿落幕,其中全電動(dòng)飛機(jī)“愛(ài)麗絲”(Alice)備受關(guān)注。該飛機(jī)一次可承載9人,充電一次最多可飛行1000km左右,飛行高度達(dá)3000m以上,其尾部設(shè)置有一個(gè)主“推進(jìn)式”螺旋槳,兩邊翼尖上亦設(shè)置了螺旋槳,均由電池供電。
在巴黎航展上,以“愛(ài)麗絲”為代表的全電飛機(jī)成批出現(xiàn),代表航空界正在進(jìn)行著一場(chǎng)動(dòng)力變革。隨著對(duì)環(huán)境保護(hù)、安全飛行、客戶舒適和節(jié)能等更高的要求,以及電池技術(shù)的快速發(fā)展,人們開始對(duì)飛機(jī)的一次能源系統(tǒng)(發(fā)動(dòng)機(jī))進(jìn)行革命:①對(duì)現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)提高效率、降低燃油消耗,因而產(chǎn)生了飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的電力混合動(dòng)力技術(shù),使發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗大為降低,發(fā)動(dòng)機(jī)效率大為提升;②對(duì)現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行徹底革命,用電動(dòng)力來(lái)推動(dòng)飛機(jī),產(chǎn)生了飛機(jī)的電力推進(jìn)技術(shù),即電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)。
據(jù)了解,飛機(jī)燃油的能量密度大約為12700kW?h/kg,而目前電池能量密度最大也只達(dá)到500W?h/kg,且還不具備足夠的可靠性以滿足高要求的航空旅行安全標(biāo)準(zhǔn)。因此,在電池能量密度尚未達(dá)到所需要的能量密度前,從傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)到電力驅(qū)動(dòng)需要一個(gè)過(guò)渡方案,即電力混合動(dòng)力推進(jìn)技術(shù)。
通過(guò)將燃?xì)鉁u輪與電力技術(shù)相結(jié)合,采用能量密集的液態(tài)燃料的燃?xì)鉁u輪,混合動(dòng)力技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)新型飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的無(wú)噪聲和高效電力推進(jìn)。傳統(tǒng)燃?xì)鉁u輪航空發(fā)動(dòng)機(jī)的總體效率為35%~50%,但混合動(dòng)力電推進(jìn)系統(tǒng)通過(guò)結(jié)合兩個(gè)或更多功率轉(zhuǎn)換器,有可能進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率,同時(shí)電力推進(jìn)系統(tǒng)還可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲。目前,該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于多種民用航空及軍用航空中,如波音787系列飛機(jī)、空客A380和A350系列飛機(jī)以及美國(guó)F-35戰(zhàn)斗機(jī)等。
現(xiàn)在,產(chǎn)業(yè)界已加快了創(chuàng)新的步伐。英國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造商勞斯萊斯(Rolls-Royce)收購(gòu)了德國(guó)西門子公司(Siemens)的電動(dòng)和混合電動(dòng)航空業(yè)務(wù);美國(guó)聯(lián)合技術(shù)公司(UTX)計(jì)劃和國(guó)防承包商雷神(Raytheon)合作,將于2022年推出油電混合飛機(jī);空中客車(Airbus)也計(jì)劃在2022年以前實(shí)驗(yàn)混合動(dòng)力飛機(jī)。
當(dāng)前,電池主要用于輔助動(dòng)力,特別是在起飛的時(shí)候。國(guó)內(nèi)外研發(fā)重點(diǎn)多半集中于能在飛機(jī)起飛和爬升過(guò)程提供電動(dòng)推力的混合動(dòng)力引擎開發(fā)。據(jù)瑞士銀行(UBS)預(yù)估,到2040年飛機(jī)用混合動(dòng)力引擎的銷售額將達(dá)1780億美元,至于電動(dòng)垂直起降飛行器(eVTOL)市場(chǎng)將在2030年達(dá)到2850億美元。
電力電子技術(shù)和電池技術(shù)的進(jìn)步使得電力推進(jìn)技術(shù)成為可能,電池的儲(chǔ)能密度每年都在快速地提升,油電混合、多電到全電飛機(jī)技術(shù)將經(jīng)歷一個(gè)逐步發(fā)展的過(guò)程。
相關(guān)研究顯示:電動(dòng)飛機(jī)中電力推進(jìn)系統(tǒng)的效率要比燃油發(fā)動(dòng)機(jī)的效率高2~3倍,電力推進(jìn)系統(tǒng)功重比(kW/kg)要比燃油發(fā)動(dòng)機(jī)的高出許多,電力驅(qū)動(dòng)飛機(jī)將使得飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性和實(shí)用性更強(qiáng)、飛機(jī)電力系統(tǒng)的故障模式將更為清晰,它降低了飛機(jī)系統(tǒng)的導(dǎo)線重量、提高了系統(tǒng)效率、減少了全生命周期成本、降低了飛機(jī)排放噪聲,使得飛機(jī)派遣率更為有效。
據(jù)策略咨詢公司Roland Berger數(shù)據(jù)顯示,2018年正在研發(fā)的電動(dòng)飛機(jī)數(shù)量增加約50%,達(dá)到170架。到2019年底,這個(gè)數(shù)字可能會(huì)增至200架。此外,瑞典和挪威計(jì)劃到2040年將所有短程航班更換成全電動(dòng)飛機(jī)。如同電動(dòng)汽車的發(fā)展軌跡一樣,在全球環(huán)保強(qiáng)力訴求下,當(dāng)前航空界的發(fā)展正在全面向全電動(dòng)飛機(jī)的方向飛馳。