电动飞机和无人机——依靠电力飞行

飞往德里的航班将于11:50起飞,到机场需要15分钟。但今天无需搭乘地铁或汽车,只需要搭乘停靠在您公寓外面的空中出租车。随着舱门安静关闭,出租车升空,发出嗡嗡响声。下方则是拥堵的路面。出租车在天空飞行,由电机驱动,没有噪声或任何污染排放。在航站楼短暂停留后,转乘混合动力飞机,飞机按时起飞,飞往印度,相比传统飞机显著减少了排放。

虽然这听起来像是遥远的未来愿景,但这可能会在短短几年内变成现实。根据战略咨询公司罗兰贝格( Roland Berger)的说法,空中交通也将实现电动化:“问题不在于电动飞机是否会被普及,而在于电动飞机何时将被普及。”欧洲及其他地区已经有数十个飞机项目准备着手启动。罗兰贝格调查了70种不同型号的飞机,这些飞机最迟将于2030年升空。

电动飞机和无人机的升空

电动汽车和电动商用车已经投入使用。未来,电动飞机如多旋翼飞行器(带有多个转子的无人机)可能将非常普遍。电动飞机的驱动能量来自于充满电的机载电池。无人机等小型飞机已经可以完全依靠电力飞行,搭载15人以上的大型飞机仍然需要依靠二次能源。

电动飞机具有哪些优势?

电动飞机更加环保。据德国联邦环境局称,传统飞机每乘客每公里排放约214克温室气体。搭载内燃机的汽车(!)的排放量仅140克。诚然,得益于诸多改进,单架飞机的排放量不但减少了,且其飞行总里程数也大幅提高了。未来,越来越多的乘客将搭乘飞机出行:据统计数据门户网站Statista的报告,2017年这一数字首次达到40亿。到2036年,这个数字可能会翻一番,达到近78亿人次。

目前,航空业约占全球二氧化碳排放总量的2.4%。根据国际民航组织(ICAO)的计算,到2040年,由于航班数量的增加,这一比例可能会增加四倍。此外,飞机排放物不仅仅只有二氧化碳,还有一氧化氮、水蒸气和细小颗粒物。这些排放物不仅会对环境产生影响,还会对我们的健康产生不利影响。

但航空业为自己设定一个雄心勃勃的目标:到2050年,将二氧化碳排放量减少约75%。从2020年开始,对航空公司而言排放也将变得昂贵: 国际民航组织(IACO)的成员已同意为其额外的二氧化碳排放量支付费用并购买排放单位。换言之:排放量低于许可水平的航空公司可以将排放权利出售给其他航空公司。到2050年,飞机产生的噪音也将减少60%。目前,起飞和降落是造成巨大噪音污染的主要原因。

如何实现这些目标?电动飞机是一种可能性。它们更安静,因为在起飞时,推进力不是由噪音很大的喷气发动机提供而是由低噪音电机提供。所以,采用电动飞机之后没有必要再禁止夜间飞行。此外,与传统飞机相比,电动飞机不产生排放。若电力来自可再生能源,就不会产生二氧化碳。此外,电机还具备另一项优势:不易发生故障。电机由的组成部件更少,不需要使用油、冷却水、排气系统或齿轮。因此,维护工作量将减少。电动驱动系统还可在任何空气密度、温度和速度下提供所需的扭矩,使飞行更安全。

总而言之,电动飞机有很多好处。燃料价格及法规促使飞机的电气化。到2035年,全部或部分采用电力的飞机驱动系统至少达到45%以上。

电动空中交通面临诸多挑战

不过,就技术层面而言,实现航空领域的变革并不容易。空客首席执行官汤姆·恩德斯称电动飞行是“我们这个时代最大的工业挑战之一”。所有航班都实现由电力驱动还要几十年时间。电动驱动器最初将被应用于城市货物运输或载客多旋翼机。到2025年,它们可以从小型着陆点起飞,因为它们可以垂直升空。随后可以完成长达1200公里的支线飞行。长途电动飞机的出现还需更长时间。

不仅技术是挑战,飞行物本身也存在问题:只有电动无人机和空中出租车才能实现大规模的个人空中交通。但如果城市中有太多无人机,我们就需要额外的法规来保证安全—如针对交通路线和着陆点进行规定。另一个问题是许多电动空中出租车将自动驾驶飞行。于是,当局需要强制规定最小距离以防止事故。

运输无人机和电动出租车准备起飞

目前,我们在空中看到的无人机主要是无人驾驶的玩具或携带摄像头。它们已经有了电力驱动装置,换言之,它们不必变成电动。在不久的将来,多旋翼机和垂直起降飞机将越来越普遍:采用小型飞机运输货物,使用大型飞机载客交通。

电动航空从送货无人机开始

美国电商亚马逊于2013年宣布推出第一款无人机“Prime Air”。它们可以将重达2.5公斤的包裹运送到16公里以外的地方。谷歌、DHL、UPS、DPD、波音公司和中国公司京东也在研究如何采用电动无人机运输包裹。初步测试已在日本、迪拜、新加坡、瑞士等国家展开。在美国,联邦航空管理局( FAA)针对无人机运输的条件规定十分严格,不允许在人口密集区域使用无人机运输投递货物。而在德国,目前尚未批准空运送货。

第二步:电动空中出租车

往后,电动多旋翼机不仅可以运输货物,还能运送乘客。保时捷咨询公司认为,2025年将有可能出现第一批商用空中出租车。十年后,这一数字将达到2.3万,通过运送乘客产生的利润将达到320亿美元。根据这项研究,从慕尼黑机场到市中心的十分钟飞行费用约为100欧元。目前有多家公司正在开发空中出租车的概念。其中一些更像直升机,而另一些则类似于小型飞机。飞机的操作将非常简单,如采用一或两个操纵杆即可。

迪拜计划在不久的将来使用乘客无人机作为出租车,为此,当局正与德国初创公司Volocopter合作。电动空中出租车“ Volocopter 2X”于2017年进行了一次无人驾驶试飞,飞越阿联酋,飞行高度60米。其他公司也在建造空中出租车;空客的分支机构 A³估计其Vahana将在2020年投入生产。与此同时,CityAirbus也正在研制一种可供四名乘客乘坐的空中出租车。优步计划到2023年在美国城市推出其空中出租车服务Uber air,并运营相应的着陆区。总部位于德国慕尼黑附近的初创公司百合航空( Lilium Aviation)的喷气式飞机也打算用作空中出租车。碳纤维机舱可容纳两名乘客。中国已在对大量汽车实施电气化,因此,中国也在生产电动空中出租车也就不足为奇了:4mx4m的“亿航184”可容纳一名乘客。英国汽车制造商劳斯莱斯正在开发混合动力电动无人机:燃气轮机将发电。这款五座车最早将于2025年进行批量生产。

目前仍在设计中的电动空中出租车未来的飞行距离可能存在巨大差异:它们能够飞行16到300公里,这对城市交通而言应该足够了。它们的飞行速度可达130至320公里/小时。只有劳斯莱斯的混合动力飞机速度更快、飞行距离更远:目前尚未命名的垂直起降机的飞行速度约为400公里/小时,可飞行800公里。

自动驾驶飞机早在自动驾驶汽车前就已出现?

许多空中出租车将有可能具备自动驾驶飞行功能。譬如,Volocopter可以由飞行员操作,也可以自动驾驶飞行。其他机型如中国“Ehang 184”也可进行自动驾驶飞行。

电动飞机早在19世纪就已出现

电动飞机早在19世纪就已出现

电动飞机不仅仅是21世纪才有的想法:法国发明家Arthur Constantin Krebs、Charles Renard和Adrien  Duté-Poitevin曾一起驾驶电动飞艇 La France。La France配备一台6.25千瓦电机。六年后,La France飞行了23分钟,速度达到19.8公里/小时。约同一时段,Albert和Gaston Tissandier兄弟也制造了一种电动飞艇。

第一架载人电动飞机于1973年在奥地利起飞。Militky MB-E1搭载15千瓦电机飞行了9到14分钟。 20世纪,一些开发人员致力于研究电动飞机和直升机,然而在大多数情况下,由于电池容量不足,他们没有成功。

电动和混合动力飞机

公司和初创公司不仅仅在致力于研发小型空中出租车,还在研制可以运送多名乘客的电动飞机。它们将在几年内投入支线航运使用。不过,短期内我们应该很难实现电动飞机执飞长途航班。

电动飞机

Easyjet有针对电动飞机的具体计划:该公司与美国初创公司Wright Electric合作,希望建造可容纳多达150名乘客的电动飞机,计划飞机到2027年执飞。来自以色列初创公司Eviation的“ Alice ”也正处于规划阶段,能容纳九名乘客。飞机上搭载 900千瓦时的锂离子电池。另一方面,斯洛文尼亚Pipistrel公司生产的双座电动飞机已经准备好进行批量生产。它配有50千瓦的电机和21千瓦时的电池组,可以飞行大约一个小时。

混合动力飞机

由于目前电池容量有限,一些公司正致力于开发混合动力驱动系统。譬如,波音公司和美国初创公司Zunum Aero正在合作开发一种混合动力支线喷气式飞机。他们计划到2022年将这种载客12人的飞机投入市场。飞机除拥有两台电机外,还将搭载一台涡轮机和一台发电机。空客、劳斯莱斯和西门子正合作建造一种可载客100名的中程飞机:“e-Fan X”将配备三台燃气轮机和一台电机。西门子将提供2000千瓦电机,劳斯莱斯将提供燃气轮机。二者将产生电能,然后储存在电池中。这款喷气式飞机将于2025年至2030年投入商用。

英国初创公司Starling推出了一款混合动力喷气式飞机,像Volocopter一样垂直起飞和降落。因此,可以作为城市的飞行巴士使用。电动螺旋桨在机身里。在空中,发动机垂直向上转动,而柴油发动机有助于加速。

电动和混合动力飞机的航程

目前,电动和混合动力飞机可以轻松胜任欧洲或美国境内的航班。根据计划,其飞行距离将达到540至1200公里。

挪威的电动飞行愿景

挪威的电动飞行愿景

挪威在道路和空中电动交通领域已遥遥领先。由于投入了大量资金,斯堪的纳维亚国家挪威2017年注册的搭载混合动力和电动驱动系统的汽车数量首次超过内燃机汽车。从2025年起,挪威将只销售零排放汽车。但不止如此:从2040年起,挪威的所有短途航班都应该是电力驱动的。政府已指派上市公司Avinor制定相应的计划。因此,早在2025年,第一条支持电动飞机的商业航线就可以飞行。另外, 政府还推出一项激励计划,鼓励企业加大开发电动飞机的投资力度。

无人机和电动飞机采用的技术

由喷气燃料驱动的飞机在起飞时需要喷气发动机的大功率,而在高海拔地区需要的功率大大减小。与此相反,电动飞机完全不需要内燃机或喷气推进。相反,他们从存储在飞机上电池中的电能获得能量,然后将电能提供给电机和转子。对于混合动力飞机,电池以额外的能量提供支持。

电动飞机面临技术层面的诸多挑战

纯电动飞机的电能来自电池。以色列Eviation公司的飞机使用的是铝空气电池,安装位置位于尾翼和翼尖。不过,它们重达2700千克;整架飞机重达5400公斤。电池往往仍然太重,对飞机制造商而言,这是一个重要指标:每减少一公斤就意味着更高的燃油效率。电动飞机面临的另一个挑战是电池的低功率密度。

电动飞机如何充电?

这也是一个棘手的问题:电动飞机充电不可能像电动汽车那样简便易行。汽车只需要在充电站,根据型号的不同在充电站待上一小时以上的时间。而且飞机停飞是没有利润的。来自Pipistrel公司的这款双座飞机展示了小型飞机是如何工作的:电池可在几分钟内更换或在短短一小时内充电。

飞行过程中如何产生能量

但还有另一种方式:在许多情况下,至少部分能量可以在飞行过程中恢复。目前正在测试针对这方面的不同技术:Pipistrel飞机在怠速状态下接近着陆时可以恢复大约13%的能耗。借助于DC-AC变流器,它们像滑行的电动汽车一样回收能量,并将其送回电池中。Bye Aerospace生产的“太阳飞行者2号”( Electric Sun Flyer 2)双座飞机可以在滑翔时发电:急速流动的空气使螺旋桨旋转。换言之,电机像发电机一样工作,产生电能并储存在电池中。

其他开发人员正在研发从机翼上的太阳能电池获取能量的飞机。然后将其存储在电池中。2015年,瑞士飞行员Bertrand Piccard和AndréBorschberg完成了第一次环球太阳能动力飞行。“太阳飞行者2号”( Electric Sun Flyer 2)的机翼配备1.7万个太阳能电池。

不过,目前许多飞机制造商正在研制混合动力机型。它们在飞行的同时发电,如通过燃气轮机中的喷气燃料等。然后将电能存储在机载电池中 。发电机为电机供电,然后电机驱动涡轮机或管道风扇。这些混合动力机型可将油耗减少约四分之一。在未来,燃料电池可以取代喷气燃料,在空中供电。

英飞凌参与电动飞机的程度如何?

电动飞机开发人员面临的主要挑战之一是制造能效更高、重量更轻的电池。自20世纪90年代初以来,电池的能量密度和电机的效率都提高了一倍多。但是,举例来说,这还不足以为长途飞机提供动力。换言之,要使电动飞机拥有重大商机,电池容量必须大幅增加。这将使飞行距离更长。因此,电池单元不仅要变得更小,还必须有更高的功率密度。英飞凌助力应对这一挑战,如通过主动“电池均衡”法,可将电池的容量和使用寿命增加或延长10%以上:智能电池管理系统持续控制所有电池单元的功能和充电,并提高其利用率。这可以防止单个电池由于老化而导致存储的能量越来越少的情况。

飞机的重量也是飞机制造商要考虑的一个主要问题。这是基于碳化硅(SiC)的半导体大显身手之处:英飞凌的新元件有助于减轻电气元件的重量,如逆变器和支持驱动系统的电机等。这样就可以制造出轻巧、紧凑和高能效的驱动单元。这些正是电动飞机起飞所需的性能。

创新型wakeskate无人机之旅

英飞凌AURIX™微控制器和CoolGaN™电子模式HEMT具有出色性能并达到最高能效等级。AURIX™配备了8台电机以实现完全冗余,并同时驱动所有电子速度控制器(ESC)以实现全面飞行控制。TriCore™架构能增强不同无人机应用的安全性和可靠性,而英飞凌CoolGaN™ HEMT可实现高效的电机控制。这些尖端技术配合相应的驱动IC产品组合,在速度、功率、精度和飞行时间方面创造了全新维度。

展望

地面交通正趋于电动化,空中交通也逐渐趋向电动化。未来十年, 我们有机会目睹第一批电动空中出租车的出现。迪拜等城市已在计划使用电动空中出租车,邮购公司还希望使用无人机向客户递送包裹。交通电动化令未来的城市更清洁,因为其运输过程中不会产生二氧化碳或其他排放。此外,电动飞机更加安静。不过,目前尚不清楚的是:若采用大量个人无人机、运输无人机和无人机出租车在空中飞行,航空业将如何监管。

预计自约2025年起,电动和混合动力飞机将逐渐得到应用。但其广泛普及仍需要一段时间:飞机的使用时间为30年,而航空公司只会逐渐更换机队。至少目前看来,电动飞机短期内只会应用于短途航线。若要飞行长途航线,其电池必须重量更轻、更强劲。

但未来几年这一领域将发生许多变化:新技术将令电池更加小巧高效。战略咨询公司罗兰贝格(Roland Berger)表示,自2025年开始,大型飞机也有可能趋向于电动化。于是,约于本世纪中叶,我们就能够乘坐电动飞机跨越半个世界,而不会产生任何排放或噪音。

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