當今的小型活塞式飛機每小時會消耗數加侖的燃料，而且噪音很大，就像割草機。但與割草機不同的是，如果飛機發動機不工作了，那么最好的情況是緊急迫降，而最壞的情況就是墜毀。幸運的是，現在人們已經設想出更安靜、更清潔、更安全、更高效的電動飛機來取代那些噪音大的油老虎。電氣化可大大改善當前小型飛機的飛行體驗，對飛行員和飛機飛越而過的社區，都更具吸引力。
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認識到上述可能性并希望促進創新的形勢下，NASA之前舉辦了一場設計大賽，希望大學生們設計出可以在2020年之前服役的四人座全電氣化飛機?？吹奖荣惞婧?，我曾提出一個設計思路，并最終奪得NASA比賽研究生組的第一名。我的設計利用燃料電池提供推動力，并選取了與眾不同的馬達位置，以最大限度地提高效率。對我來說，投身于這款飛機的設計，好似打開了一扇能接觸各種可能性的窗口，也好像上了一堂有關電氣化飛機重大挑戰的生動一課。
在2014年NASA發起這場比賽時，我還是亞特蘭大佐治亞理工學院的一名在讀研究生。但這次比賽并不是我首次涉足電動飛行。2008年，我17歲的時候，就是首輛特斯拉Roadster純電動跑車上路的半年后，我為遙控飛機比賽設計了一款翼展為9英尺（3米）的電動飛機。
當時，隨著鋰離子電池更加輕便、成本更加低廉，電動飛行日益成為合理命題。電動機使飛機更清潔、更安靜、更易于操作。但2008年的技術只能維持幾分鐘的飛行。第一輛特斯拉電動汽車也存在類似問題：雖然有一些絕對優勢，但始終無法與汽油動力汽車相提并論。
后來，電池技術得到很大發展，全電汽車已在市場中異軍突起：2010年底日產推出了面向大眾市場的聆風電動汽車，特斯拉增大了其旗艦汽車的車體，從雙座Roadster跑車發展到五座S型電動車。電動飛機也從電池的發展中受益。在過去的兩年中，斯洛文尼亞小型飛機制造商蝙蝠飛機公司和總部設在法國的空客公司紛紛推出電動雙座教練機。
雖然電動飛機的范圍在擴大，但有限的飛行時間仍是它們的主要弱點。原因是它們的電池能量密度過小，只是汽油動力內燃機的1/10，甚至更低。對于汽車而言，設計師可通過增加或增大電池在一定程度上彌補這一不足。但飛機對重量的變化非常敏感：每增加1千克，飛機每個組件的尺寸都要增大。組件體積增大反過來又會增加飛機重量，而飛機變重需要更多能量，因此就需要更大的電池。這種惡性循環意味著，對于電動飛機設計，通過增加電池來提高續航里程并不可行。
然而，NASA一直鼓勵創新者設計出能在續航里程和機型大小方面與汽油動力飛機媲美的電動飛機。在2011年舉辦的NASA綠色飛行挑戰賽上，獲得前兩名的飛機完全由電池供電，并以超過每小時100英里（161公里）的平均速度飛行了近2個小時。其中值得一提的是，第二名得主e-Genius的設計師——斯圖加特大學的研究人員們——將電動機安裝在了機尾頂部。在改變電動機與機身中央的距離后，飛機制造者就可以為飛機安裝較大的高效螺旋槳，并同時保證起落架又短又輕。
2014年，NASA與兩個業界合作伙伴推出LEAPTech項目（LEAPTech是前沿異步推進器技術的簡稱），構建了一種配備18個電動機和螺旋槳的特殊碳纖維機翼，用于地面測試。它們計劃在意大利制造的TecnamP2006T輕型飛機上安裝類似的機翼。螺旋槳數量很多，并且每個螺旋槳都可獨立調節，從而可采用比標準型號更小的機翼，減少飛行中消耗的能量。
同年9月，NASA宣布面向大學生舉辦一場設計比賽，希望推動電動飛機技術突破現有的局限。我一直在尋找機會參加設計挑戰，所以就毫不猶豫地報了名，成為參賽隊中唯一的個人團隊。
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ASA所定的目標似乎遙不可及，卻要求提交的設計可以在5年內（到2020年）實現飛行。NASA為比賽所設的目標為一架四人座飛機，航程范圍為800海里（相當于921英里，1482公里），巡航速度達到175海里/小時（相當于201英里/小時，323公里/小時）。雖然大部分設計師可能會對這一挑戰嗤之以鼻，認為這些參數很常規，但相比于全新款PipistrelAlpha Electro電動飛機，這一目標所要求的航程是其7倍以上，而速度要求是其2倍。Quick math的計算表明，要達到NASA所要求的性能目標所需的能量大約是Pipistrel所能提供的30倍。要實現這些目標，5年內有哪些方面要進行重大改進呢？
一些電動飛行支持者認為，真的沒必要在航程上與汽油動力飛機一爭高下。他們指出，飛行員跟汽車司機一樣，很少會用盡航程，因此設計短程飛機并不會損失多少效用。例如日產聆風的續航里程僅為普通汽車的1/3。
這是事實。但與汽車相比，飛機的里程焦慮是一個更加令人恐懼的問題。我認為，如果沒有里程限制，全電動飛機的認證和銷售就足以與汽油動力機型抗衡了。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電動飛機，那么該類型的電動飛機完全可與現有的汽油動力機型進行正面的角逐，包括美國售價50萬美元的四人座西銳SR22，這是過去10年中最暢銷的單引擎飛機。我知道它才是真正的對手。
我開始設計，首先要確定是否可將現有的汽油燃料飛機的動力裝置換成使用蓄電池或燃料電池的電動裝置。我知道，蓄電池能量不足，而燃料電池動力不足，但是我不知道哪個問題更難解決。
于是我先從蓄電池入手。蓄電池是我們熟悉的產品，靈活性強，如果需要，電池可以從1個單元加到6831個單元，就像特斯拉Roadster電動跑車那樣。我發現，如果用一個鋰離子電池和一個電動發動機來替換西銳SR22重達1020磅（463千克）的發動機及燃油質量，飛機能飛大約半小時，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，光靠增加電池是沒有用的，原因就是我前面介紹過的重量惡性循環。
這也說明了蝙蝠飛機公司和空客公司選擇制造電動訓練機而非實用電動飛機的原因，即能量供應不足。盡管如此，我還是決定再給蓄電池一個機會，因為在未來幾年電池技術應該會有所發展?？湛碗姵乜梢蕴峁?00瓦時/千克的能量。預測表明，隨著技術投資的加大，到2020年，先進的鋰電池的能量可達到400瓦時/千克。能量加倍意味著里程也會加倍，達到200英里，但這仍遠未達到NASA 921英里的要求。
認識到這個現實，我開始認真考慮儲能問題。我知道，燃料電池單位質量可提供的能量是高于蓄電池的，但權衡點是如何得到能量。燃料電池的功率系數（每千克可以獲得的瓦特數）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力滑翔機——鉆石HK36超級迪莫納（Diamond HK36 Super Dimona）——改裝為以質子交換膜燃料電池和蓄電池同時作為動力源的電動飛機。
所以，我考慮了用燃料電池改造西銳SR22的可能性。SR22的常規動力裝置是大陸IO-550-N，這是一種水平對置的六缸氣冷發動機，重187千克，310馬力（231千瓦）。拆掉發動機和燃料，用相同重量的燃料電池代替，可能產生近似的功率。但要做到這一點，燃料電池的功率系數必須達到500瓦/千克。在這一功率系數水平上，燃料電池的能量系數可達到約400瓦時/千克，差不多已經達到現有最好蓄電池的水平，而我已經知道用蓄電池不可能飛得太遠。要實現800瓦時/千克的能量系數，燃料電池的功率系數會降到200瓦/千克，大大低于200英里/小時的速度所需的功率。
隨著對電能儲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的能量和功率需求。但我知道，SR22由輕型復合材料建造，已經是近乎完美的飛機了。設計上的調整也不可行。
當飛機設計師陷入兩難境地時，擺在面前的有兩個出路，但都不可能讓老板高興：犧牲性能，或投資技術發展。在冒險嘗試未經證實的或成本較高的技術之前，我決定仔細研究一下性能問題。但應該犧牲哪項性能要求呢，速度還是續航里程？
我早期進行的一些分析表明，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的競爭需要什么。我研究了6種在售飛機，發現其里程都接近NASA所要求的921英里，而巡航速度差別很大。因此我決定將重點放在盡可能提高續航里程上，先不考慮速度的問題。經過一系列的計算，我決定爭取實現150海里/小時（相當于173英里/小時，278公里/小時），而不是比賽要求的175海里/小時。
將巡航速度降到這個水平，能耗可減少30%，也降低了所需的推進功率。但即使這樣，我的設計仍無法達到NASA的要求。我猶豫要不要也降低續航里程，并不斷尋找其他能夠降低能耗同時并不昂貴的技術方法。
幸運的是，電力推進有一定的靈活性，但西銳的工程師們并沒有察覺到。與內燃機不同，電動機結構緊湊、高效。與內燃機相比，這些體積小、重量輕的發動機可被安裝在很多其他位置。如果這種布局應用得當，產生的功率可支持數量更多或尺寸更大的螺旋槳。螺旋槳掃過的面積越大，效率也就越高，噪音越小。
另一項分析表明，將兩個很大的螺旋槳連接到一對電動機上可實現最佳效率。我在設計中將這兩個螺旋槳安裝在氣流更暢通的V形尾翼上，而沒有按照傳統的方式安裝在機翼或機身上。
這個簡單的策略不僅提高了推進效率（由85%提高到92%），在航空動力學角度也有好處?？諝饽軌蚋鼤惩ǖ卮┻^機身和機翼。雖然螺旋槳很大，單將其安裝在尾翼上意味著沒有必要增加起落架的高度（因此重量亦不會增加）。起落架較短，也就更容易選擇收縮輪，這進一步降低了阻力。
我在進行下一步分析時發現，這種變化再加上其他一些優化，飛機能耗又降低了27%。這種設計調整大大降低了功率需求，使飛機能夠以氫動力燃料電池作為動力源。這時我將我的V型尾翼、氫動力設計命名為“Vapor”。
設計的總體參數明確后，就可以在細節上下功夫了。其中一點是選擇燃料電池的最佳類型和布局。我研究了汽車和航空航天應用中所使用的各種燃料電池系統，發現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比8年前波音燃料電池驅動的HK36首飛時所設想出的系統更輕、更緊湊。而且，所有這些組件裝在Vaper機身上都很合適。
我利用現有技術所設計出的燃料電池系統能量密度為800瓦時/千克，效率可達到55%。這大大超越了現代汽油發動機25%的效率，也優于我所預期的最好鋰電池的能量密度——400瓦時/千克。燃料電池與新穎的螺旋槳位置的組合設計可以達到我的設計目標，即批量生產后，可與西銳SR22相媲美。兩類飛機在重量和造價方面大致相同，而續航里程亦非常接近——約為920英里。飛機的巡航速度會略低，為173英里/小時，達不到212英里/小時。但考慮到電動飛機每次飛行僅消耗1/4的能量，這看起來還是很合算的。
我希望Vapor能引起飛行員的興趣，畢竟他們才是購買、駕駛和養護小型飛機的主要人群。我認為我的設計滿足這些要求。能耗降低，淘汰了汽油發動機（及其所需的所有日常維護），有望降低運營成本。此外，噪音聲級從92分貝降至76分貝，亦能顯著提高客艙舒適性。電動機可靠性很高，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機的發展，如今完全可以制造并駕駛Vapor或類似飛機。這項技術已經成熟。但監管部門對這種全電動設計的出現會作何反應，目前還不清楚。這個問題很重要，因為如果認證過程中存在不確定性，開發商用飛機的努力就不會成功。
另一個障礙是，氫作為汽車燃料還沒有流行起來，飛機使用氫作為燃料的情況就更少了。兩種應用都遇到了先有雞還是先有蛋的問題：在氫成為普遍使用的燃料之前，氫燃料的配套基礎設施很少，而在配套基礎設施到位之前，氫燃料也不會得到廣泛的使用。
盡管存在這些障礙，全電動飛機的續航里程和飛行速度分別是當前設計的7倍和2倍這一點確實令人興奮。在奪得NASA比賽第一名的殊榮后，我可以毫不夸張地說，亦如NASA比賽組織者所預期的那樣，Vapor或基于其設計的飛機將在2020年飛上藍天。
作者： Tom Neuman
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