當(dāng)你第一次坐在電動(dòng)飛機(jī)的駕駛艙內(nèi)時(shí)，你不會(huì)感覺(jué)到任何異樣。但當(dāng)你按下啟動(dòng)按鈕時(shí)，你立刻就會(huì)發(fā)現(xiàn)：好靜啊。沒(méi)有轟鳴聲，也沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)的震動(dòng)，只有供電的嗡嗡聲和螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)出的輕聲低鳴。你可以輕松地同身邊的人交談，而不用佩戴耳機(jī)。噪音的減少對(duì)機(jī)上人員和地面人員來(lái)說(shuō)都是福音。

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發(fā)動(dòng)機(jī)的加速不再通過(guò)節(jié)流閥而是通過(guò)變阻器，同時(shí)，可在極大范圍內(nèi)調(diào)整轉(zhuǎn)速的發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的高轉(zhuǎn)矩可直接推動(dòng)螺旋槳工作，不會(huì)在傳輸中損失任何動(dòng)能。重20千克的發(fā)動(dòng)機(jī)可用雙手拿起，且其僅高10厘米，直徑為30厘米，而動(dòng)力相當(dāng)?shù)膬?nèi)燃機(jī)的重量差不多是它的7倍，且尺寸約為120厘米×90厘米×90厘米。這是因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)的效率驚人，其可將95%的電能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，電動(dòng)飛機(jī)飛行1小時(shí)僅花費(fèi)3美元的電費(fèi)，而裝有單個(gè)汽油引擎的飛機(jī)則需要40美元。由于電動(dòng)機(jī)中只有一個(gè)移動(dòng)部件，所以電動(dòng)飛機(jī)的保養(yǎng)費(fèi)用更低，同時(shí)，對(duì)于雙座飛機(jī)而言，其購(gòu)買(mǎi)費(fèi)用也更低。

讓專業(yè)駕駛員最為震驚的是價(jià)格，而不是它的降噪效果。飛行是一項(xiàng)昂貴的活動(dòng)。正如技術(shù)專家反復(fù)證明的那樣，在將一種產(chǎn)品的成本大幅縮減后，你就創(chuàng)造了一種全新的產(chǎn)品。看看你口袋里不超過(guò)300美元的超級(jí)電腦就知道了。

我們是位于科羅拉多州恩格爾伍德的ByeAerospace公司，我們?cè)O(shè)計(jì)并生產(chǎn)了雙座電動(dòng)飛機(jī)，稱它為“太陽(yáng)飛行者”（SunFlyer）。我們預(yù)計(jì)在今年下半年試飛該電動(dòng)飛機(jī)。該電動(dòng)飛機(jī)旨在用于飛行員的訓(xùn)練，在該應(yīng)用中，載重量和飛行時(shí)間（3小時(shí)以上）都不是問(wèn)題，成本才是主要問(wèn)題。但我們相信，訓(xùn)練飛行員對(duì)電動(dòng)飛機(jī)而言僅是一個(gè)開(kāi)端。隨著電池技術(shù)的發(fā)展，工程師開(kāi)始設(shè)計(jì)將電機(jī)同發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)合在一起的混合推進(jìn)系統(tǒng)，使大型飛機(jī)轉(zhuǎn)換為電驅(qū)動(dòng)。電動(dòng)飛機(jī)將逐步取代大多數(shù)短途、中樞輻射型通勤航班，使航行變得不再昂貴和嘈雜；最終，其將涵蓋各大市區(qū)并促成便捷、低成本的全新航空業(yè)的興起。

我永遠(yuǎn)不會(huì)忘記第一次體驗(yàn)電氣動(dòng)力的經(jīng)歷，那是在特斯拉汽車公司成立早期（2005年左右）。我當(dāng)時(shí)被邀請(qǐng)參觀特斯拉在舊金山灣區(qū)的研究室，在那兒我同試車駕駛員一同體驗(yàn)了該公司的第一輛測(cè)試樣車。回想當(dāng)時(shí)的電動(dòng)器件，電機(jī)又大又重，變速箱、逆變器和電池的做工都相當(dāng)粗糙，我實(shí)在想不通為什么要用電動(dòng)車替代汽油車。但當(dāng)駕駛員踩動(dòng)加速踏板，汽車像火箭般向前突進(jìn)時(shí)，我改變了想法。

電動(dòng)飛機(jī)是依托電動(dòng)汽車技術(shù)而發(fā)展的，而電動(dòng)汽車技術(shù)又得益于手機(jī)行業(yè)對(duì)電池技術(shù)和電源管理軟件的發(fā)展。2007年，我成立了Bye Aerospace公司，并主要借助以下三大方面的發(fā)展成果來(lái)進(jìn)行電動(dòng)飛機(jī)的生產(chǎn)：第一，鋰電池性能的改進(jìn)；第二，高效及輕量的電機(jī)和控制器；第三，空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，尤其是使用狹長(zhǎng)低阻的機(jī)身配備符合空氣動(dòng)力學(xué)的高效長(zhǎng)翼（用重量極輕且堅(jiān)固的碳復(fù)合材料構(gòu)建而成）。

我們的第一個(gè)項(xiàng)目叫作SilentFalcon，一架重14千克的固定機(jī)翼太陽(yáng)能電動(dòng)無(wú)人機(jī)。我們對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，以滿足長(zhǎng)時(shí)間飛行對(duì)電機(jī)功率峰值的要求；我們添加了更多的鋰電池為飛機(jī)上升提供最大動(dòng)力。我們?cè)O(shè)計(jì)并建造了一個(gè)氣動(dòng)軌道發(fā)射器，這樣飛機(jī)起飛時(shí)就可以不使用其自身動(dòng)力。當(dāng)飛機(jī)到達(dá)指定高度時(shí)，其長(zhǎng)達(dá)4.2米的機(jī)翼上的太陽(yáng)能板會(huì)為電池補(bǔ)充少量的電能，供飛機(jī)飛行5到7個(gè)小時(shí)。太陽(yáng)能板的電流轉(zhuǎn)換率為11%，可將機(jī)載電池單獨(dú)供應(yīng)的飛行時(shí)間有效延長(zhǎng)1倍。現(xiàn)在，太陽(yáng)能電池的最高效率達(dá)到了26%，足以使飛機(jī)飛行10到12個(gè)小時(shí)。

Silent Falcon可搭載多種負(fù)荷，包括傳統(tǒng)及紅外攝像機(jī)和傳感器，以用于監(jiān)測(cè)邊境地區(qū)、檢查輸電線路、收集森林火災(zāi)情況及眾多其他用途。其可以完全自主飛行，你只需給它大體上設(shè)定行進(jìn)方向、飛行高度和區(qū)域，然后按下起飛按鈕即可。SilentFalcon于2015年投入生產(chǎn)，成為全球首個(gè)商業(yè)版太陽(yáng)能電動(dòng)無(wú)人駕駛飛機(jī)（UAV）。

我們的下一個(gè)項(xiàng)目是將同全球各分包商合作開(kāi)發(fā)電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)，用于已有的全尺寸飛機(jī)——賽斯納172（Cessna 172）四座飛機(jī)，也是全球最受歡迎的飛機(jī)。在對(duì)改造后的塞斯納進(jìn)行了幾十次短途試飛后，我們轉(zhuǎn)而開(kāi)發(fā)具有特定用途的單座電動(dòng)飛機(jī)。針對(duì)每一架測(cè)試樣機(jī)，我們都會(huì)進(jìn)行20多次的試飛。 

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我們要解決的第一個(gè)問(wèn)題就是找到一個(gè)重量適當(dāng)?shù)母咝щ姍C(jī)。多年前，在電動(dòng)飛機(jī)發(fā)展初期，曾有飛行員試想（或真的實(shí)施過(guò)）安裝一個(gè)傳統(tǒng)電機(jī)。但由于電機(jī)外殼太重，液體冷卻系統(tǒng)過(guò)于繁雜且變速箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使得傳統(tǒng)電機(jī)過(guò)于沉重。為解決這一問(wèn)題，我們一直同Enstroj、Geiger、西門(mén)子和UQM等專注于為電動(dòng)飛機(jī)設(shè)計(jì)電機(jī)的公司進(jìn)行合作。

這些針對(duì)航空領(lǐng)域優(yōu)化設(shè)計(jì)的電機(jī)在很多方面與傳統(tǒng)電機(jī)不同。它們的重量更輕，因?yàn)樗鼈冊(cè)诘退賳?dòng)時(shí)所需的動(dòng)力較少。飛機(jī)在跑道上緩慢加速比汽車在信號(hào)燈變燈后快速啟動(dòng)更為容易。飛機(jī)電機(jī)也無(wú)需沉重的電機(jī)外殼，因?yàn)樗推囯姍C(jī)不同，不會(huì)因路面坑洼的顛簸而頻繁遭到撞擊，也無(wú)須承受振動(dòng)及高扭矩力。

特斯拉汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的峰值動(dòng)力轉(zhuǎn)速約為7000轉(zhuǎn)每分，這對(duì)汽車而言很正常。但對(duì)推進(jìn)器來(lái)說(shuō)，就需要縮短達(dá)到峰值動(dòng)力轉(zhuǎn)速的時(shí)間，在1/3的轉(zhuǎn)數(shù)處達(dá)到峰值，約為2000轉(zhuǎn)每分。為在轉(zhuǎn)速較低時(shí)達(dá)到峰值而使用復(fù)雜變速箱增加自重的做法是不可取的；因此，供應(yīng)商向我們提供了繞組合理的電機(jī)及可達(dá)到所需峰值的電機(jī)控制器。因此，在轉(zhuǎn)速達(dá)到2000轉(zhuǎn)每分時(shí)，電機(jī)可直接驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器。同時(shí)，我們的發(fā)電裝置的功率也從每千克1至2千瓦發(fā)展到每千克至少5千瓦。

更值得一提的是，鋰電池技術(shù)在過(guò)去15年的穩(wěn)步發(fā)展使得我們的項(xiàng)目成為現(xiàn)實(shí)。ByeAerospace公司一直同松下和陶氏柯卡姆公司進(jìn)行合作；目前我們使用的是LG化學(xué)的18650鋰電池組，之所以這么叫它是因?yàn)樗睆?8毫米、長(zhǎng)65毫米，只比標(biāo)準(zhǔn)5號(hào)電池略大一點(diǎn)。LG化學(xué)的電池在能量密度方面世界領(lǐng)先，為每千克260瓦時(shí)，約是我們開(kāi)始研究電動(dòng)飛機(jī)時(shí)所使用電池的2.5倍。單個(gè)電池的放電能力也十分強(qiáng)勁，可達(dá)到約10安培。我們330千克的電池組可以輕松地實(shí)現(xiàn)正常飛行，穩(wěn)定輸出功率為18到25千瓦，在起飛時(shí)更可高達(dá)80千瓦。該電池組的能量?jī)?chǔ)備總額為83千瓦時(shí)。

一般來(lái)說(shuō)，在飛行結(jié)束時(shí)峰值功率的需求達(dá)到最大化，因?yàn)榇藭r(shí)充電能力下降，電壓也在降低。同樣重要的是，電池可以快速充電；我們需要的只是目前用于電動(dòng)汽車的超級(jí)充電接口。

在飛機(jī)中使用鋰電池，須采取遠(yuǎn)高于汽車所需要的安全措施。例如，使用封裝系統(tǒng)儲(chǔ)存熱量，同時(shí)須將產(chǎn)生的蒸氣排出。在使用過(guò)程中，應(yīng)用電子安全系統(tǒng)監(jiān)控各電池狀態(tài)，避免過(guò)欠壓的發(fā)生。電池管理系統(tǒng)監(jiān)控所有相關(guān)情況，并將相關(guān)數(shù)據(jù)反饋至駕駛艙的綜合信息管理系統(tǒng)。

如飛行途中電池出現(xiàn)故障，則駕駛艙內(nèi)的報(bào)警燈將會(huì)閃爍，飛行員此時(shí)可通過(guò)電子操作或手動(dòng)斷開(kāi)電池連接。在此情況下，如果是教練機(jī)的話，飛行員可通過(guò)滑翔回到附近的飛機(jī)場(chǎng)。

特斯拉Roadster最先實(shí)行的重要預(yù)防措施就是用氣隙分開(kāi)各電池；這樣一個(gè)電池過(guò)熱后，不會(huì)影響到鄰近的電池。電池可通過(guò)空氣予以充分冷卻，但針對(duì)特定條件下（例如，在地勢(shì)險(xiǎn)峻的菲尼克斯天港國(guó)際機(jī)場(chǎng)全功率起飛并進(jìn)行大角度攀爬）會(huì)產(chǎn)生大量熱能的電機(jī)和控制器，我們使用液體冷卻。

機(jī)體設(shè)計(jì)依托先進(jìn)的復(fù)合材料，使得機(jī)翼和機(jī)身重量更輕，且更為堅(jiān)固。在保證操作簡(jiǎn)便的同時(shí)，我們使用先進(jìn)的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)工具對(duì)機(jī)身翼型和機(jī)翼造型進(jìn)行低阻力設(shè)計(jì)。運(yùn)用空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)電力推進(jìn)系統(tǒng)時(shí)的最主要成果就是飛機(jī)前端的整流罩。電機(jī)位于推進(jìn)器和駕駛艙中間，由于電機(jī)較小，整流罩便可向下調(diào)整為一個(gè)錐形，使得整個(gè)機(jī)身更為流暢。這樣與單引擎的賽斯納等傳統(tǒng)飛機(jī)相比，空氣阻力就減少了15%。同時(shí)，由于電機(jī)與汽油機(jī)相比排出的熱量較少，所以較小的進(jìn)氣口設(shè)計(jì)便可滿足空氣冷卻的要求。冷卻阻力也相應(yīng)減少，（我們覺(jué)得）外形更為美觀。

飛機(jī)圓滑的前段設(shè)計(jì)也提高了推進(jìn)器的效率。在傳統(tǒng)飛機(jī)上，其推進(jìn)器的內(nèi)旋大多被其后的巨大電機(jī)所阻擋。而在設(shè)計(jì)合理的電動(dòng)飛機(jī)上，整個(gè)推進(jìn)器的葉片均裸露在外，可提供更為強(qiáng)勁的動(dòng)力。額外的優(yōu)勢(shì)：飛機(jī)在制動(dòng)時(shí)可像電動(dòng)汽車一樣產(chǎn)生能量。當(dāng)飛行員減速或下降時(shí)，推進(jìn)器將作為風(fēng)車，而此時(shí)電機(jī)就作為發(fā)電機(jī)來(lái)為電池充電。特別是在針對(duì)一般飛行及飛行員訓(xùn)練等機(jī)場(chǎng)飛行模式時(shí)，這種方法可節(jié)省約13%的能量。換句話說(shuō)，如果飛機(jī)降落時(shí)顯示飛行時(shí)耗費(fèi)了8.7度電，則實(shí)際耗費(fèi)了10度電——推進(jìn)器發(fā)電系統(tǒng)在機(jī)場(chǎng)飛行模式時(shí)產(chǎn)生了大約1.3度電。

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Sun Flyer等教練機(jī)迎來(lái)商業(yè)契機(jī)是因?yàn)楹细窈骄€飛行員預(yù)計(jì)存在大量缺口。去年，波音公司做出了一個(gè)令人吃驚的預(yù)測(cè)：在2035年之前，全球需要再增加61.7萬(wàn)名商業(yè)飛行員。而當(dāng)前全球的商業(yè)飛行員總量約為13萬(wàn)。

飛行員的缺乏是由多種原因?qū)е碌摹娜蚋鞔筌娛禄仉x開(kāi)的飛行員越來(lái)越少。同時(shí)，從私營(yíng)飛行員學(xué)校取得商業(yè)飛行員執(zhí)照的費(fèi)用過(guò)高，而且目前所要求的總飛行時(shí)間增加，約為1500小時(shí)。此外，通用航空制造商協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)顯示，常用教練機(jī)（美國(guó)一般是賽斯納或派珀飛機(jī)）的平均使用年齡為50年。

Sun Flyer是由我們的子公司——航空電動(dòng)飛機(jī)公司（AEAC）——生產(chǎn)的，目前來(lái)說(shuō)是獨(dú)一無(wú)二的，但過(guò)不了多久就會(huì)有其他電動(dòng)飛機(jī)了。NASA宣布了一項(xiàng)計(jì)劃，準(zhǔn)備研發(fā)試驗(yàn)性的電動(dòng)飛機(jī)——X-57電動(dòng)研究飛機(jī)，它將是NASA在5年時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)的首款新型試驗(yàn)飛機(jī)。（由于NASA是政府機(jī)構(gòu)，其設(shè)計(jì)的飛機(jī)不會(huì)成為SunFlyer的商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。）在過(guò)去幾年，空客公司曾多次試飛其小型電動(dòng)試驗(yàn)飛機(jī)，但現(xiàn)在它開(kāi)始轉(zhuǎn)向混合電動(dòng)商業(yè)運(yùn)輸方向（我稍后將談到這方面的內(nèi)容）。斯洛維尼亞滑翔機(jī)和輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)（LSA）制造商Pipistrel公司曾在多年前試飛過(guò)電動(dòng)飛機(jī)樣機(jī)。但這種飛機(jī)的未來(lái)發(fā)展不甚樂(lè)觀，因?yàn)槊绹?guó)聯(lián)邦航空管理局（FAA）和歐洲航空安全局（EASA）均不允許將電動(dòng)或其他動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)作為商業(yè)教練機(jī)使用。

目前，我們專注于教練機(jī)市場(chǎng)。目前，AEAC正與得州奧斯汀的Redbird Flight Simulations公司進(jìn)行合作，研發(fā)綜合訓(xùn)練系統(tǒng)。美國(guó)俄克拉荷馬州圖爾薩的斯巴達(dá)航空技術(shù)學(xué)院已預(yù)定了25架Sun Flyer飛機(jī)，并交付了定金，同時(shí)與我們簽訂了一份訓(xùn)練協(xié)議，承諾幫助我們開(kāi)發(fā)完整訓(xùn)練系統(tǒng)。還有其他飛行學(xué)校和飛行員個(gè)人已表示出購(gòu)買(mǎi)意向并繳納定金，共涉及100多架Sun Flyer飛機(jī)；另有100份定金正在商談階段。

Sun Flyer飛機(jī)將獲得美國(guó)FAA的認(rèn)證，因?yàn)槠浞蠘?biāo)準(zhǔn)類別——晝夜可視飛行規(guī)則的規(guī)定，且其總重量未超過(guò)限定的864千克。同時(shí)，飛機(jī)的性能也不會(huì)降低：我們的目標(biāo)爬升速率為每分鐘430米；而賽斯納172的爬升速率則為每分鐘210米。 

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我們?yōu)槭裁床辉O(shè)計(jì)大型的商業(yè)電動(dòng)飛機(jī)呢?主要原因是能量和速度的比例。電動(dòng)飛機(jī)體形越大、速度越快，其所需的電池?cái)?shù)量就會(huì)更多、電池總重量會(huì)更重。所產(chǎn)生的問(wèn)題和所有移動(dòng)物體所面臨的問(wèn)題一樣：交通工具收到的阻力與其速度的平方成正比。速度加倍，則阻力增加到原來(lái)的4倍。對(duì)于速度相對(duì)較慢的飛機(jī)（如教練機(jī)），電動(dòng)飛機(jī)極具競(jìng)爭(zhēng)力；但要為速度和重量比我們的電動(dòng)飛機(jī)高出許多的飛機(jī)提供動(dòng)力，就需要電池有足夠的能量密度，而這一技術(shù)的發(fā)展將花費(fèi)數(shù)年。

在純電動(dòng)技術(shù)發(fā)展成熟的過(guò)程中，我們可以使用混合電動(dòng)力，其在飛機(jī)中的運(yùn)行原理和在汽車中一樣。由于起飛時(shí)需要的動(dòng)力是飛行過(guò)程中的4倍，那么就可以使電機(jī)以峰值功率運(yùn)行來(lái)獲得那部分額外動(dòng)力；這是可能實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)殡姍C(jī)有較為廣泛的能效范圍。起飛之后，我們可以利用小型內(nèi)燃機(jī)以最佳轉(zhuǎn)速來(lái)給電池充電并維持飛行速度。這樣做的一個(gè)額外好處是，使用電機(jī)起飛可大幅降低噪聲。

將雙座SunFlyer 2和四座SunFlyer 4變成可行的商業(yè)現(xiàn)實(shí)是一項(xiàng)歷史性的任務(wù)，我們正在為此而努力。仍有些人覺(jué)得這是不可能的。而我說(shuō)，要完成任何意義重大而恒久的事情，都需要做出敢為人先的嘗試。感謝遠(yuǎn)見(jiàn)家和先鋒者的存在，電動(dòng)飛機(jī)不再只是一個(gè)讓人感興趣的可能。它們是真實(shí)存在的。

作者：George Bye