當(dāng)今的小型活塞式飛機(jī)每小時(shí)會(huì)消耗數(shù)加侖的燃料，而且噪音很大，就像割草機(jī)。但與割草機(jī)不同的是，如果飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)不工作了，那么最好的情況是緊急迫降，而最壞的情況就是墜毀。幸運(yùn)的是，現(xiàn)在人們已經(jīng)設(shè)想出更安靜、更清潔、更安全、更高效的電動(dòng)飛機(jī)來(lái)取代那些噪音大的油老虎。電氣化可大大改善當(dāng)前小型飛機(jī)的飛行體驗(yàn)，對(duì)飛行員和飛機(jī)飛越而過(guò)的社區(qū)，都更具吸引力。
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認(rèn)識(shí)到上述可能性并希望促進(jìn)創(chuàng)新的形勢(shì)下，NASA之前舉辦了一場(chǎng)設(shè)計(jì)大賽，希望大學(xué)生們?cè)O(shè)計(jì)出可以在2020年之前服役的四人座全電氣化飛機(jī)。看到比賽公告后，我曾提出一個(gè)設(shè)計(jì)思路，并最終奪得NASA比賽研究生組的第一名。我的設(shè)計(jì)利用燃料電池提供推動(dòng)力，并選取了與眾不同的馬達(dá)位置，以最大限度地提高效率。對(duì)我來(lái)說(shuō)，投身于這款飛機(jī)的設(shè)計(jì)，好似打開(kāi)了一扇能接觸各種可能性的窗口，也好像上了一堂有關(guān)電氣化飛機(jī)重大挑戰(zhàn)的生動(dòng)一課。
在2014年NASA發(fā)起這場(chǎng)比賽時(shí)，我還是亞特蘭大佐治亞理工學(xué)院的一名在讀研究生。但這次比賽并不是我首次涉足電動(dòng)飛行。2008年，我17歲的時(shí)候，就是首輛特斯拉Roadster純電動(dòng)跑車(chē)上路的半年后，我為遙控飛機(jī)比賽設(shè)計(jì)了一款翼展為9英尺（3米）的電動(dòng)飛機(jī)。
當(dāng)時(shí)，隨著鋰離子電池更加輕便、成本更加低廉，電動(dòng)飛行日益成為合理命題。電動(dòng)機(jī)使飛機(jī)更清潔、更安靜、更易于操作。但2008年的技術(shù)只能維持幾分鐘的飛行。第一輛特斯拉電動(dòng)汽車(chē)也存在類(lèi)似問(wèn)題：雖然有一些絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，但始終無(wú)法與汽油動(dòng)力汽車(chē)相提并論。
后來(lái)，電池技術(shù)得到很大發(fā)展，全電汽車(chē)已在市場(chǎng)中異軍突起：2010年底日產(chǎn)推出了面向大眾市場(chǎng)的聆風(fēng)電動(dòng)汽車(chē)，特斯拉增大了其旗艦汽車(chē)的車(chē)體，從雙座Roadster跑車(chē)發(fā)展到五座S型電動(dòng)車(chē)。電動(dòng)飛機(jī)也從電池的發(fā)展中受益。在過(guò)去的兩年中，斯洛文尼亞小型飛機(jī)制造商蝙蝠飛機(jī)公司和總部設(shè)在法國(guó)的空客公司紛紛推出電動(dòng)雙座教練機(jī)。
雖然電動(dòng)飛機(jī)的范圍在擴(kuò)大，但有限的飛行時(shí)間仍是它們的主要弱點(diǎn)。原因是它們的電池能量密度過(guò)小，只是汽油動(dòng)力內(nèi)燃機(jī)的1/10，甚至更低。對(duì)于汽車(chē)而言，設(shè)計(jì)師可通過(guò)增加或增大電池在一定程度上彌補(bǔ)這一不足。但飛機(jī)對(duì)重量的變化非常敏感：每增加1千克，飛機(jī)每個(gè)組件的尺寸都要增大。組件體積增大反過(guò)來(lái)又會(huì)增加飛機(jī)重量，而飛機(jī)變重需要更多能量，因此就需要更大的電池。這種惡性循環(huán)意味著，對(duì)于電動(dòng)飛機(jī)設(shè)計(jì)，通過(guò)增加電池來(lái)提高續(xù)航里程并不可行。
然而，NASA一直鼓勵(lì)創(chuàng)新者設(shè)計(jì)出能在續(xù)航里程和機(jī)型大小方面與汽油動(dòng)力飛機(jī)媲美的電動(dòng)飛機(jī)。在2011年舉辦的NASA綠色飛行挑戰(zhàn)賽上，獲得前兩名的飛機(jī)完全由電池供電，并以超過(guò)每小時(shí)100英里（161公里）的平均速度飛行了近2個(gè)小時(shí)。其中值得一提的是，第二名得主e-Genius的設(shè)計(jì)師——斯圖加特大學(xué)的研究人員們——將電動(dòng)機(jī)安裝在了機(jī)尾頂部。在改變電動(dòng)機(jī)與機(jī)身中央的距離后，飛機(jī)制造者就可以為飛機(jī)安裝較大的高效螺旋槳，并同時(shí)保證起落架又短又輕。
2014年，NASA與兩個(gè)業(yè)界合作伙伴推出LEAPTech項(xiàng)目（LEAPTech是前沿異步推進(jìn)器技術(shù)的簡(jiǎn)稱(chēng)），構(gòu)建了一種配備18個(gè)電動(dòng)機(jī)和螺旋槳的特殊碳纖維機(jī)翼，用于地面測(cè)試。它們計(jì)劃在意大利制造的TecnamP2006T輕型飛機(jī)上安裝類(lèi)似的機(jī)翼。螺旋槳數(shù)量很多，并且每個(gè)螺旋槳都可獨(dú)立調(diào)節(jié)，從而可采用比標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)更小的機(jī)翼，減少飛行中消耗的能量。
同年9月，NASA宣布面向大學(xué)生舉辦一場(chǎng)設(shè)計(jì)比賽，希望推動(dòng)電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)突破現(xiàn)有的局限。我一直在尋找機(jī)會(huì)參加設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，所以就毫不猶豫地報(bào)了名，成為參賽隊(duì)中唯一的個(gè)人團(tuán)隊(duì)。
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ASA所定的目標(biāo)似乎遙不可及，卻要求提交的設(shè)計(jì)可以在5年內(nèi)（到2020年）實(shí)現(xiàn)飛行。NASA為比賽所設(shè)的目標(biāo)為一架四人座飛機(jī)，航程范圍為800海里（相當(dāng)于921英里，1482公里），巡航速度達(dá)到175海里/小時(shí)（相當(dāng)于201英里/小時(shí)，323公里/小時(shí)）。雖然大部分設(shè)計(jì)師可能會(huì)對(duì)這一挑戰(zhàn)嗤之以鼻，認(rèn)為這些參數(shù)很常規(guī)，但相比于全新款PipistrelAlpha Electro電動(dòng)飛機(jī)，這一目標(biāo)所要求的航程是其7倍以上，而速度要求是其2倍。Quick math的計(jì)算表明，要達(dá)到NASA所要求的性能目標(biāo)所需的能量大約是Pipistrel所能提供的30倍。要實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，5年內(nèi)有哪些方面要進(jìn)行重大改進(jìn)呢？
一些電動(dòng)飛行支持者認(rèn)為，真的沒(méi)必要在航程上與汽油動(dòng)力飛機(jī)一爭(zhēng)高下。他們指出，飛行員跟汽車(chē)司機(jī)一樣，很少會(huì)用盡航程，因此設(shè)計(jì)短程飛機(jī)并不會(huì)損失多少效用。例如日產(chǎn)聆風(fēng)的續(xù)航里程僅為普通汽車(chē)的1/3。
這是事實(shí)。但與汽車(chē)相比，飛機(jī)的里程焦慮是一個(gè)更加令人恐懼的問(wèn)題。我認(rèn)為，如果沒(méi)有里程限制，全電動(dòng)飛機(jī)的認(rèn)證和銷(xiāo)售就足以與汽油動(dòng)力機(jī)型抗衡了。所以，我決定盡可能滿足NASA的性能要求。這樣，如果一些制造商決定生產(chǎn)電動(dòng)飛機(jī)，那么該類(lèi)型的電動(dòng)飛機(jī)完全可與現(xiàn)有的汽油動(dòng)力機(jī)型進(jìn)行正面的角逐，包括美國(guó)售價(jià)50萬(wàn)美元的四人座西銳SR22，這是過(guò)去10年中最暢銷(xiāo)的單引擎飛機(jī)。我知道它才是真正的對(duì)手。
我開(kāi)始設(shè)計(jì)，首先要確定是否可將現(xiàn)有的汽油燃料飛機(jī)的動(dòng)力裝置換成使用蓄電池或燃料電池的電動(dòng)裝置。我知道，蓄電池能量不足，而燃料電池動(dòng)力不足，但是我不知道哪個(gè)問(wèn)題更難解決。
于是我先從蓄電池入手。蓄電池是我們熟悉的產(chǎn)品，靈活性強(qiáng)，如果需要，電池可以從1個(gè)單元加到6831個(gè)單元，就像特斯拉Roadster電動(dòng)跑車(chē)那樣。我發(fā)現(xiàn)，如果用一個(gè)鋰離子電池和一個(gè)電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)替換西銳SR22重達(dá)1020磅（463千克）的發(fā)動(dòng)機(jī)及燃油質(zhì)量，飛機(jī)能飛大約半小時(shí)，飛行里程大約只有100英里（約160公里）。如果想把飛行里程提高到SR22的水平，光靠增加電池是沒(méi)有用的，原因就是我前面介紹過(guò)的重量惡性循環(huán)。
這也說(shuō)明了蝙蝠飛機(jī)公司和空客公司選擇制造電動(dòng)訓(xùn)練機(jī)而非實(shí)用電動(dòng)飛機(jī)的原因，即能量供應(yīng)不足。盡管如此，我還是決定再給蓄電池一個(gè)機(jī)會(huì)，因?yàn)樵谖磥?lái)幾年電池技術(shù)應(yīng)該會(huì)有所發(fā)展。空客電池可以提供200瓦時(shí)/千克的能量。預(yù)測(cè)表明，隨著技術(shù)投資的加大，到2020年，先進(jìn)的鋰電池的能量可達(dá)到400瓦時(shí)/千克。能量加倍意味著里程也會(huì)加倍，達(dá)到200英里，但這仍遠(yuǎn)未達(dá)到NASA 921英里的要求。
認(rèn)識(shí)到這個(gè)現(xiàn)實(shí)，我開(kāi)始認(rèn)真考慮儲(chǔ)能問(wèn)題。我知道，燃料電池單位質(zhì)量可提供的能量是高于蓄電池的，但權(quán)衡點(diǎn)是如何得到能量。燃料電池的功率系數(shù)（每千克可以獲得的瓦特?cái)?shù)）很低。盡管如此，考慮使用燃料電池還是比較合理的，例如，2008年，波音將一架雙人座動(dòng)力滑翔機(jī)——鉆石HK36超級(jí)迪莫納（Diamond HK36 Super Dimona）——改裝為以質(zhì)子交換膜燃料電池和蓄電池同時(shí)作為動(dòng)力源的電動(dòng)飛機(jī)。
所以，我考慮了用燃料電池改造西銳SR22的可能性。SR22的常規(guī)動(dòng)力裝置是大陸IO-550-N，這是一種水平對(duì)置的六缸氣冷發(fā)動(dòng)機(jī)，重187千克，310馬力（231千瓦）。拆掉發(fā)動(dòng)機(jī)和燃料，用相同重量的燃料電池代替，可能產(chǎn)生近似的功率。但要做到這一點(diǎn)，燃料電池的功率系數(shù)必須達(dá)到500瓦/千克。在這一功率系數(shù)水平上，燃料電池的能量系數(shù)可達(dá)到約400瓦時(shí)/千克，差不多已經(jīng)達(dá)到現(xiàn)有最好蓄電池的水平，而我已經(jīng)知道用蓄電池不可能飛得太遠(yuǎn)。要實(shí)現(xiàn)800瓦時(shí)/千克的能量系數(shù)，燃料電池的功率系數(shù)會(huì)降到200瓦/千克，大大低于200英里/小時(shí)的速度所需的功率。
隨著對(duì)電能儲(chǔ)備局限性的不斷研究，我的選擇范圍不斷縮小。最后剩下的唯一解決辦法就是降低飛機(jī)的能量和功率需求。但我知道，SR22由輕型復(fù)合材料建造，已經(jīng)是近乎完美的飛機(jī)了。設(shè)計(jì)上的調(diào)整也不可行。
當(dāng)飛機(jī)設(shè)計(jì)師陷入兩難境地時(shí)，擺在面前的有兩個(gè)出路，但都不可能讓老板高興：犧牲性能，或投資技術(shù)發(fā)展。在冒險(xiǎn)嘗試未經(jīng)證實(shí)的或成本較高的技術(shù)之前，我決定仔細(xì)研究一下性能問(wèn)題。但應(yīng)該犧牲哪項(xiàng)性能要求呢，速度還是續(xù)航里程？
我早期進(jìn)行的一些分析表明，里程和速度同樣重要，因此二者的取舍要取決于四人座民用航空市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)需要什么。我研究了6種在售飛機(jī)，發(fā)現(xiàn)其里程都接近NASA所要求的921英里，而巡航速度差別很大。因此我決定將重點(diǎn)放在盡可能提高續(xù)航里程上，先不考慮速度的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)一系列的計(jì)算，我決定爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)150海里/小時(shí)（相當(dāng)于173英里/小時(shí)，278公里/小時(shí)），而不是比賽要求的175海里/小時(shí)。
將巡航速度降到這個(gè)水平，能耗可減少30%，也降低了所需的推進(jìn)功率。但即使這樣，我的設(shè)計(jì)仍無(wú)法達(dá)到NASA的要求。我猶豫要不要也降低續(xù)航里程，并不斷尋找其他能夠降低能耗同時(shí)并不昂貴的技術(shù)方法。
幸運(yùn)的是，電力推進(jìn)有一定的靈活性，但西銳的工程師們并沒(méi)有察覺(jué)到。與內(nèi)燃機(jī)不同，電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、高效。與內(nèi)燃機(jī)相比，這些體積小、重量輕的發(fā)動(dòng)機(jī)可被安裝在很多其他位置。如果這種布局應(yīng)用得當(dāng)，產(chǎn)生的功率可支持?jǐn)?shù)量更多或尺寸更大的螺旋槳。螺旋槳掃過(guò)的面積越大，效率也就越高，噪音越小。
另一項(xiàng)分析表明，將兩個(gè)很大的螺旋槳連接到一對(duì)電動(dòng)機(jī)上可實(shí)現(xiàn)最佳效率。我在設(shè)計(jì)中將這兩個(gè)螺旋槳安裝在氣流更暢通的V形尾翼上，而沒(méi)有按照傳統(tǒng)的方式安裝在機(jī)翼或機(jī)身上。
這個(gè)簡(jiǎn)單的策略不僅提高了推進(jìn)效率（由85%提高到92%），在航空動(dòng)力學(xué)角度也有好處。空氣能夠更暢通地穿過(guò)機(jī)身和機(jī)翼。雖然螺旋槳很大，單將其安裝在尾翼上意味著沒(méi)有必要增加起落架的高度（因此重量亦不會(huì)增加）。起落架較短，也就更容易選擇收縮輪，這進(jìn)一步降低了阻力。
我在進(jìn)行下一步分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，這種變化再加上其他一些優(yōu)化，飛機(jī)能耗又降低了27%。這種設(shè)計(jì)調(diào)整大大降低了功率需求，使飛機(jī)能夠以氫動(dòng)力燃料電池作為動(dòng)力源。這時(shí)我將我的V型尾翼、氫動(dòng)力設(shè)計(jì)命名為“Vapor”。
設(shè)計(jì)的總體參數(shù)明確后，就可以在細(xì)節(jié)上下功夫了。其中一點(diǎn)是選擇燃料電池的最佳類(lèi)型和布局。我研究了汽車(chē)和航空航天應(yīng)用中所使用的各種燃料電池系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)2015年款豐田Mirai使用的由燃料電池組和氫氣罐所組成的系統(tǒng)比8年前波音燃料電池驅(qū)動(dòng)的HK36首飛時(shí)所設(shè)想出的系統(tǒng)更輕、更緊湊。而且，所有這些組件裝在Vaper機(jī)身上都很合適。
我利用現(xiàn)有技術(shù)所設(shè)計(jì)出的燃料電池系統(tǒng)能量密度為800瓦時(shí)/千克，效率可達(dá)到55%。這大大超越了現(xiàn)代汽油發(fā)動(dòng)機(jī)25%的效率，也優(yōu)于我所預(yù)期的最好鋰電池的能量密度——400瓦時(shí)/千克。燃料電池與新穎的螺旋槳位置的組合設(shè)計(jì)可以達(dá)到我的設(shè)計(jì)目標(biāo)，即批量生產(chǎn)后，可與西銳SR22相媲美。兩類(lèi)飛機(jī)在重量和造價(jià)方面大致相同，而續(xù)航里程亦非常接近——約為920英里。飛機(jī)的巡航速度會(huì)略低，為173英里/小時(shí)，達(dá)不到212英里/小時(shí)。但考慮到電動(dòng)飛機(jī)每次飛行僅消耗1/4的能量，這看起來(lái)還是很合算的。
我希望Vapor能引起飛行員的興趣，畢竟他們才是購(gòu)買(mǎi)、駕駛和養(yǎng)護(hù)小型飛機(jī)的主要人群。我認(rèn)為我的設(shè)計(jì)滿足這些要求。能耗降低，淘汰了汽油發(fā)動(dòng)機(jī)（及其所需的所有日常維護(hù)），有望降低運(yùn)營(yíng)成本。此外，噪音聲級(jí)從92分貝降至76分貝，亦能顯著提高客艙舒適性。電動(dòng)機(jī)可靠性很高，能夠使飛行員和乘客更加安心。
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鑒
于最近燃料電池和電動(dòng)機(jī)的發(fā)展，如今完全可以制造并駕駛Vapor或類(lèi)似飛機(jī)。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成熟。但監(jiān)管部門(mén)對(duì)這種全電動(dòng)設(shè)計(jì)的出現(xiàn)會(huì)作何反應(yīng)，目前還不清楚。這個(gè)問(wèn)題很重要，因?yàn)槿绻J(rèn)證過(guò)程中存在不確定性，開(kāi)發(fā)商用飛機(jī)的努力就不會(huì)成功。
另一個(gè)障礙是，氫作為汽車(chē)燃料還沒(méi)有流行起來(lái)，飛機(jī)使用氫作為燃料的情況就更少了。兩種應(yīng)用都遇到了先有雞還是先有蛋的問(wèn)題：在氫成為普遍使用的燃料之前，氫燃料的配套基礎(chǔ)設(shè)施很少，而在配套基礎(chǔ)設(shè)施到位之前，氫燃料也不會(huì)得到廣泛的使用。
盡管存在這些障礙，全電動(dòng)飛機(jī)的續(xù)航里程和飛行速度分別是當(dāng)前設(shè)計(jì)的7倍和2倍這一點(diǎn)確實(shí)令人興奮。在奪得NASA比賽第一名的殊榮后，我可以毫不夸張地說(shuō)，亦如NASA比賽組織者所預(yù)期的那樣，Vapor或基于其設(shè)計(jì)的飛機(jī)將在2020年飛上藍(lán)天。
作者： Tom Neuman
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