下一代飛機:新能源新期待

2019年07月09日

       所有的過去,在未來裏。

       據推銷汽車的高手講,學識和熱情都不如道一聲語重心長的“你看,現在油價多高啊”,“省油”“省錢”是能源危機時代的剛需,能耗低才是油價飙升之際的攻心上策。

       汽車、飛機給我們速度,讓我們得以在更短的時間裏體驗了更豐富的人生。說到底,科技改變了我們的生活方式,也讓我們陷入了能源危機。正是這種危機繼續推動著科技滾滾向前,發動機不斷追求更高的燃油效率,並嘗試使用更環保的新能源。

       新能源新可能

       4月8日,在美國伊利諾伊州的工業城市羅克福德,一個叫“電網”(TheGrid)的實驗室成立。這個新實驗室隸屬柯林斯宇航——聯合技術公司的一家子公司。

       揭幕式上,柯林斯宇航的首席執行官KellyOrtberg表示,在不久的將來,混合動力和全電動飛機將改變我們對航空旅行的認知,例如在城市空中交通和支線航空等領域打開新的市場。

       熟悉航空工業的朋友知道,“電動飛機”“混動飛機”“太陽能飛機”“垂直起降飛機”都不是新概念。2005年,一位叫貝特朗·皮卡爾的飛行員駕駛“陽光動力號”太陽能飛機完成洲際飛行。後來,他駕駛的“陽光動力2號”曾在南京祿口機場降落。2011年,空客啓動電動飛機EFan計劃,在2013年的巴黎航展上,靈動的E-Fan首架機亮相靜態展區。現在,E-FanX項目已經轉向混合動力驅動。

       前不久,挪威以招聘、培訓飛行員為主營業務的OSM航空公司,從美國科羅拉多州的電動飛機制造商Bye Aer Space訂購了60架全電動飛機。幅員遼闊、人口稀少的挪威有成為“電動飛行”先鋒的計劃。2015年,挪威機場集團就電動飛行的實施情況展開調研,研究電動飛行計劃落地的可能。2018年,斯洛文尼亞制造商Pipistrel生産的雙座電動飛機Alpha ElectroG2完成了首次飛行。美國宇航局公布了全新電動飛機X-57,14個電力發動機集成在了機翼上。一家叫Lilium的德國公司還公布了一款5座噴氣式電動空中出租車。十幾個國家已經建立了類似的新能源飛機項目,波音、空客、羅爾斯·羅伊斯、西門子紛紛涉足電動飛機的研發。在面向未來的航空器研發競爭中,沒有任何一家企業甘居人後。

       說回“電網”實驗室。“電網”實驗室目前有兩個項目:一是研發、測試一款1兆瓦的電力發動機,包括電機控制器和電池系統。如果成功,這款電力發動機將是航空業目前功率最大、效率最高的電力發動機。另一個是重新設計最近公布的混合動力驗證機——804的發動機系統。804是一款混合動力的渦輪螺旋槳支線飛機,新電力發動機和電機控制器將成為驗證機混合動力推進系統的一部分,輔助燃油發動機提供動力。

       和世界上其他涉足電動飛機研發和測試的航空企業一樣,“電網”實驗室設計和測試的下一代飛機目標明確:減少碳排放,助力環保,通過降低運營成本和燃料消耗助力航空業的發展。相比現在,下一代飛機的電氣化水平也將更高。未來3年,柯林斯宇航預計投入1.5億美元用于電源系統開發。在過去的10年間,柯林斯宇航已在推進多電架構方面投資了30億美元。當然除了人才和資金,對于新能源飛機的研發,整個航空生態系統也需要做好准備。

       關鍵技術驅動       

       汽車行業對新能源的研發由來已久,混合動力、純電動、燃料電池等新能源汽車已經出現在大衆視野。

       和豐田汽車的混合動力技術相比,渦輪增壓、缸內直噴等技術顯得很傳統。經過幾十年的研發,發動機、電動機雙引擎的驅動方式已經發展成一套相當複雜、成熟的合作系統,節能效果顯著。即便如此,混動汽車依然被看作是一種過渡産品,參照系是電動汽車。

       2008年,特斯拉的第一款電動車——Roadster——破繭而出。2014年,豐田的氫能源汽車“MIRAI”(未來)上市。3分鍾充滿氫氣後,MIRAI可以跑上650公裏,充一次氫氣的價格相當于260元人民幣,比汽油便宜。氫能源汽車和加氣站普及後,氫氣的價格還會更便宜。氫氣能源車排放的只有水,可以說非常環保了。豐田第二代氫能源汽車FCVPLUS更加顛覆:它不再是能源消耗品,而是能源供給者。它的核心是一個氫氣合成裝置,豐田稱之為“燃料電池”,電池不僅可以永久使用,還讓汽車變成一個“移動電源”,既可以兩輛汽車之間無線互充,還可以給路上的信號燈、家裏的電器充電。想想看,用幾輛FCVPLUS就可以舉辦戶外音樂會了。它有點像我們現在不離左右的智能手機,不僅是通訊工具,還是支付工具、小電視和信息終端。

       今年4月,一支來自中國科學技術大學的科研團隊在氫氣燃料電池的研究上取得了一些進展。他們在《自然-催化》雜志上刊發了封面文章:《酸性電解液環境中,在外加電位作用下,水分子吸附到活性位點單原子Ru上,在其催化下,電解水産生氫氣》。翻譯一下,大意就是電解水制備氫氣有了新工藝。以往,電解水制氫采用“甲烷水蒸氣重整”的方法,釋放二氧化碳,不是很環保,成本大約為每千克33元~38元,而産生相同能量需要的汽油成本在25元~29元。未來,燃料電池要取代內燃機,就需要用類似高效廉價的催化劑來制氫。可見,電解水産生氫氣驅動汽車是靠譜的。

       電動飛機也有類似之處。首先,電動飛機的電池要輕;其次,飛機電池需要是超大容量的“巨無霸”。要安全、穩定地為飛機供電,電動飛機的電池性能還需要突破。新的電池解決方案包括燃料電池、生物燃料發電、混合燃料發電、飛機渦輪發電等關鍵技術。

       未來趨勢

       無論是混動飛機、電動飛機、太陽能飛機,還是無人駕駛飛機、垂直起降飛行器,油耗更低、更安靜、更安全舒適都是下一代航空器的發展趨勢。

       全球航空制造業對下一代新能源飛機躊躇滿志。更少地依賴化石燃料,用電、混合動力、氫氣、太陽能、生物燃料驅動飛機雖然還處于早期階段,但前景廣闊,未來可期。

       在南美洲的墨西哥和巴西,空客開發了價格友好、方便預訂的城市交通解決方案——VOOM。通過App,乘客可以從提前90天到出行前1小時預訂航班。完成預訂後,只要在登機時間前15分鍾到達指定的直升機停機坪,就可以辦理登機手續准備登機了。在這兩座擁堵嚴重的城市上空,天際線上有空中的士便捷穿梭,帶來了全新的城市出行可能性。未來,隨著更多城市使用類似的“空中的士”,還有可能誕生一個新的群體——城市航空旅行者。當然,前提是運營區域的空域允許航空器自如穿梭,營造匹配的航空生態和開發新能源航空器,哪個更容易?

       2016年,空客發布了3款用于解決城市交通擁堵的垂直起降飛機,它們是POP.UP、CityAirbus、Vahana,其中,POP.UP是在日內瓦車展上發布的。在無人駕駛電動汽車的未來裏,垂直起降電動飛機的技術趨勢依然是電氣化、自動駕駛和碳複合材料的大規模低成本生産。

       在不久的將來,混合動力和全電動飛機將為我們打開新的視野,我們得以跨越擁堵,從空中俯視城市中的鋼鐵叢林。在沒有那麽繁忙的機場,或許會有更多的電動飛機、無人機從事航空作業。在未得到充分利用的機場,支線航空也會蓬勃發展。

       在共同探索新能源的路上,汽車業和航空業不是競爭對手,在電池性能的挖掘上甚至可以相互啓發、合作、共贏。

       那麽,下一代飛機是電動還是混動?我們沒辦法很快得到答案,畢竟大型商業飛機的進化與叠代非常緩慢,商業航空運輸有著嚴苛的適航標准。(《中國民航報》、中國民航網記者劉蔚)

 

       新聞來源:中國民航報