[科普中国]-电动飞机

电动飞机（Electric aircraft）是指依靠电动机而不是内燃机驱动的飞机，电力来源包括燃料电池、太阳能电池、超级电容器、无线能量传输或其他种类的电池等。

已经研制成功的可载人电动飞机主要包括太阳能飞机、蓄电池电动飞机和燃料电池飞机等类型。1957年6月30日，第一架电动飞机模型试飞成功。2010年7月8日，太阳能飞机首次完成26小时昼夜连续飞行。

发展历程1957年6月30日，一架使用永磁电动机和银锌电池驱动的电动模型飞机---“无线电皇后”号在英国试飞成功，这是有官方报道的世界上第一架电动飞机。从20世纪70年代开始，电力模型飞机开始陆续试飞。

2003年9月，美国国家航空航天局研制的无线能量传输（Power Beaming）电动飞机模型在室内试飞成功。右图为无线能量传输电动飞机模型，源自美国国家航空航天局官网。

2009年7月7日，世界上首架利用燃料电池驱动的有人驾驶飞机在德国汉堡升空，实现二氧化碳零排放。

2010年4月7日，瑞士的“阳光动力”(Solar Impulse)号太阳能飞机首次成功试飞，同年7月8日，完成26小时昼夜试飞，证明了昼夜飞行的可行性，打破了太阳能飞机不能昼夜飞行的历史纪录。

2012年5月24日，瑞士一架太阳能动力载人飞机的飞机首次尝试从瑞士到摩洛哥的洲际飞行，全程使用太阳能动力。

截止2012年6月，世界上已经完成研制的电动飞机多数属于实验性质的试用品，包括有人驾驶和无人驾驶飞机。

2017年4月底的TED大会上，创业公司Kitty Hawk的空气动力负责人Todd Reichert上台放了一段视频：一个极限运动爱好者装扮的人骑在一个大疆和摩托车结合体一样的“飞车”，飞了起来。此后，贝尔直升机、Uber、空客等等都宣布了自己的电动飞机计划。1

优点电动飞机使用电动力推进系统代替内燃机动力，从而获得了很多优点和独特品质。最突出的优点是节能环保，效率高能耗低，同时实现接近零排放，噪声和振动水平很低，乘坐舒适性好，是名符其实的环境友好飞机。此外，还具有安全可靠（不会发生爆炸和燃料泄漏）、结构简单、操作使用简便、维修性好/费用低、经济性好等特点。在设计上也有很多优势：总体布局灵活，可采用最佳布局和非常规/创新布局；可设计出具有超常性能的飞机，满足特殊用途需求等。1

分类电动飞机与普通飞机的主要区别是依靠电动机而不是内燃机驱动。根据电动力推进系统的不同，电动飞机可分为太阳能电动飞机（一般称为太阳能飞机）、蓄电池电动飞机（目前主要是锂电池电动飞机）和燃料电池电动飞机。除了纯电动飞机以外，还有混合动力飞机。每种类型飞机又分成有人驾驶和无人驾驶两类。

太阳能飞机**“太阳挑战者”号**

1980年，保罗·麦卡克莱迪（Paul MacCready）设计的蜘蛛丝-企鹅号（Gossamer Penguin）太阳能飞机在美国加利福尼亚州第一次实现载人飞行，当时是由他十三岁的儿子进行控制。1981年，改进型的“太阳挑战者”号成功穿越了英吉利海峡，当时平均时速为54公里。它是一架单座太阳能飞机，翼展14．3米，飞机空重90公斤，机翼和水平尾翼上表面共有16000多片硅太阳电池，在理想阳光的照射下能输出3000瓦以上的功率。

右图为蜘蛛丝-企鹅号电动飞机图册，源自美国国家航空航天局官网。

“太阳神”号

在“太阳挑战者”号的基础上，美国航空环境公司（AeroVironment）在美国宇航局环境研究飞机和传感技术项目资助下设计制造出“太阳神”号太阳能无人机。“太阳神”号耗资约1500万美元，用碳纤维合成物制造，整架飞机仅重590公斤，比小型汽车还要轻。“太阳神”号两个宽大的机翼全面伸展时却达75米，波音747飞机和“阳光动力”号飞机都望尘莫及。 1999年，“太阳神”号在加州试飞，当时完全靠电池驱动。2001年，研究人员将“太阳神”号运往更加适宜飞行的夏威夷，装上65000片太阳能板，由地面两名机师透过遥控设备“驾驶”；飞行了10小时17分后，“太阳神”号达到22800米的目标高度。2003年6月26日，“太阳神”号因在试飞时突然遭遇强湍流导致空中解体，坠入夏威夷考艾岛附近海域。

右上图为“太阳神”号太阳能无人机的图册，源自美国国家航空航天局官网。

“阳光动力”号

2010年7月8日，瑞士“阳光动力”号太阳能飞机在试飞成功。这架飞机耗资一亿美元、历时七年打造，是世界上第一架昼夜连飞的太阳能飞机。机身由超轻碳纤维复合材料制成，翼展长达63.4米，相当于波音747的长度，重量相当于一辆普通轿车，其机翼上装有1.2万块太阳能电池板，高性能聚合锂电池以及4台发动机。飞机每台发动机的最大功率为10马力即总功率为40马力，飞行时速为70公里。更重要的是，它是一架完全由太阳能驱动的飞机。

截至2012年5月底，这架采用太阳能动力的载人飞机，仍保持着26小时10分钟19秒的飞行时间纪录，同时也创下了海拔9235米的飞行高度纪录。

2012年5月24日，“阳光动力”号首次尝试从瑞士到摩洛哥的洲际飞行，全程使用太阳能动力。此次飞行是为2014年的环球飞行作准备。

2012年5月24日，从瑞士帕耶讷出发，由该项目的两位发起人博尔施贝格和皮卡尔轮流驾驶。在历时17个小时后，抵达西班牙首都马德里。此后，受直布罗陀海峡多风天气影响，“太阳驱动”号在马德里逗留了约10天。

2012年6月5日，“阳光动力”号从马德里的巴拉哈斯机场起飞，飞向西班牙西南部，6月5日深夜徐徐降落在北非国家摩洛哥的拉巴特－萨累机场。皮卡尔在走下飞机后对媒体说，“阳光动力”号的最终目的地是摩洛哥中部城市瓦尔扎扎特，总共飞行里程将达2500公里。他说，此次飞行不仅是为了增强人们对太阳能的信心，同时也是为了支持摩洛哥在瓦尔扎扎特建设大型太阳能发电站的计划，以推动减少对化石燃料的依赖。

此次飞行标志着人类历史上第一架太阳能飞机完成跨越欧非大陆之旅。据报道，有专家预计，40多年后，太阳能飞机在解决太阳能吸收、大幅提高电池功效之后，能够承载300名乘客的大型太阳能飞机有望投入运营。1

蓄电池电动飞机Cri-Cri电动飞机

2010年9月2日，欧洲航宇集团公司（EADS公司）全电飞机Cri-Cri在巴黎Le Bourget机场正式进行首飞。这架四引擎的特技飞行飞机由EADS创新工厂、Aero Composites Saintonge公司和绿色Cri-Cri协会联合开发。飞机在首飞中进行了7分钟的不间断飞行。

Cri-Cri是单座型飞机，基于Cri-Cri自制飞机研制，采用了复合材料，以降低自身重量，并弥补因安装锂电池而增加的重量。

Cri-Cri动力来自于由4台无刷电机驱动的反向旋转螺旋桨，无二氧化碳排放，能够以110千米/小时的速度巡航30分钟，以248千米/小时的速度进行15分钟的特技飞行，爬升速度5.3米/秒。

E430电动飞机

2010年7月28日，中国制造的世界首架商用纯电动E430电动飞机在美国威斯康辛州奥什科什市机场“飞来者大会”试飞成功，起飞平稳，飞行高度达到3000米左右。试飞现场共有80万名飞行迷和近万架飞机，其中包括中国E430电动飞机主创设计团队。

2009年1月，E430成功下线，其外形圆润，带有V形尾翼，翼展13.8米，机身长约7米，可乘坐两人，配有40千瓦（54马力）的电动机，动力采用30AH的锂聚合物电池，产品性能大大优于世界同类产品。2009年1月24日，E430在位于上海郊区的机场首次起飞，获得了一系列堪称世界第一的技术参数：最大起飞重量430公斤，最高时速150公里，经济时速95公里；可续航2-3个小时，充电时间3-4个小时，每次充电约需5美元。

中国E430以良好的性能在奥什科什完美亮相，标志着世界第一架商用纯电动飞机正式诞生，一举打破了欧美国家长期主宰低空飞行的格局。首届林白电动飞机大奖评审会决定将最佳电动飞机大奖颁发给中国Yuneec公司，美国Sonex飞机公司获得最佳电动系统设计奖，德国的Lange飞机公司获得最佳电动滑翔机奖。去年，E430又荣获英国伦敦设计博物馆主办的英国生命保险设计大奖，被授予交通类设计大奖。

2011年，中国Yuneec公司曾计划实现E430批量生产，并通过英国公司全部包销，每架飞机定价为8.9万美元。

燃料电池飞机**“安塔里斯”号**

2009年7月7日，世界首架利用燃料电池驱动的有人驾驶飞机在德国汉堡升空。这架飞机名为“安塔里斯”号DLR-H2型机动滑翔机。它由德国航空航天中心和一些私人企业共同研制。德国航空航天中心专家约翰·迪特里希·沃纳说：“我们在电池效率和表现上实现了许多改进，飞机可以只靠燃料电池实现起飞。”“安塔里斯”利用氢作为燃料，通过和空气中的氧发生电化反应产生能量。在最佳情况下，这种飞机可连续飞行5小时，飞行半径达到750公里。1

面临挑战技术难题各类电动飞机发展面临的最大技术挑战是电动力推进系统关键性能指标低、技术不成熟、重量过大，仅能满足电动飞机的最低使用要求。此外，电动力推进系统实用性、安全性和可靠性有待提高。电动力推进系统重量过大是电动飞机设计的最大难题。

对于氢燃料电池电动飞机，还有燃料电池及氢燃料存储系统布局和设计问题。同时安全可靠的氢燃料存储系统设计问题不容易解决。目前尽管一些技术试验机取得成功，但有人驾驶氢燃料电池电动飞机还有很多方面需要发展完善，离实用还有一段距离。

太阳能电动飞机设计上的主要技术挑战大尺寸机翼的气动弹性、昼夜连续飞行等。太阳能电动力推进系统从太阳能输入到螺旋桨最终的动能输出，总的能量利用率只有约10%。太阳能飞机超大展弦比、大面积机翼会造成严重的气动弹性问题。

成本过高锂电池、燃料电池和太阳能电池等电动力推进系统关键部件成本高，电动力推进系统和电动飞机的开发成本也很高，经济因素制约着其发展的一个问题。

适应能力差天气和环境适应能力也是一个重大技术问题。目前电动飞机基本上只能在天气良好的状况下飞行，而对于降水、降雪、雷电等恶劣天气情况和比较恶劣的环境条件下还不能飞行，要满足实用要求，这些问题必须加以解决，这在技术上存在较高难度。2

本词条内容贡献者为:

黎明 - 副教授 - 西南大学