制造电动飞机需要攻克这些难点

科普中国-科普融合创作与传播 2017-12-18

　　在去年，《赫芬顿邮报》报道了特斯拉CEO马斯克要制造电动超音速飞机的消息，虽然至今还没有超音速电动飞机的进一步消息，但这并不妨碍我们探讨要制造电动飞机所需要攻克的技术瓶颈。

　　瓶颈一:能源和动力

　　毫无疑问，目前来说，最适合电动飞机的储能载体就是锂电池了。然而，锂电池却存在存储能量相对有限的问题，而这也是目前智能手机续航时间相对偏短的根源。如果将锂电池和汽油相比较，差距就一目了然了，锂电池和汽油的比能量数值分别为：0.15—0.25kWh/kg和12—12.5kWh/kg，碳氢燃料是除液氢外比能量数值最高的燃料，即使只有30%的能量被利用上，比能量仍高达3.6—3.7kWh/kg，相当于锂电池的20倍。

　　此外，电动飞机还存在电动力系统存在偏重的问题。传统使用燃油的涡扇发动机、涡喷发动机、涡桨发动机等都是经过千锤百炼的发动机，相比之下，电动力系统就存在很大差距——电动机和机体结构的重量系数达到0.70—0.85，约为常规飞机的2倍。另外，电动飞机还存在性能差，环境适应性差，安全性、可靠性有待验证等问题。目前的电动飞机仅能满足最基本的飞行。

　　诚然，电力具有通用性、灵活性、可再生（相对于煤炭、石油、天然气）、输送的便捷性等特点使其在能源上具备先天优势，电力取代化石燃料是时间问题，但现在的技术水平还无法达到这一要求。哪怕是军舰所谓全电推进也是用大功率燃机发电，而非使用锂电池存储电能。

　　瓶颈二：气动布局

　　气动布局简单的说就是飞机的外形，因空气阻力和气流升力的影响，不同的外形会对飞机的性能造成很大的影响。比如成飞的J10就采用了中距耦合鸭式布局；达索的幻影2000采用了无尾三角翼布局；洛马的F22因为其发动机F119独步天下，选择了常规布局。气动设计是无数次成功或失败的经验积累，飞机模型要在风洞中反复测试，在试飞和交付用户后不断改进，这些都要花费巨大的时间成本和资金成本。

　　虽然民用电动飞机的气动布局未必会有军机这样复杂，但由于电动飞机在巡航时速度较低，飞行雷诺数低，而在高空长航时飞机飞行环境复杂（密度、温度、高空风等），大翼展机翼的气动弹性问题难解决，因此，电动飞机的气动设计要求比同类常规动力飞机苛刻，要达到极低能耗和极高效率。

　　瓶颈三：材料和结构

　　因电动飞机的动力系统存在重量偏大，功率偏低的问题，电动飞机机体结构就必须要比常规动力飞机更强，重量更轻。现有的电动飞机基本都采用复合材料制造，机身空重普遍在200千克到300千克。

　　而电动飞机，特别是高空长航时的电动飞机本身的一些特性非常不利于结构设计，如超大尺寸/大挠度机体、大展弦比/大面积机翼、电动力系统部件集成安装等。这些特点使在设计上很难有效满足强度、刚度和气动弹性等基本要求。

　　因此，结构和材料技术也是制约电动飞机发展的关键技术。新型高强度轻质材料，如各种先进复合材料、高强度柔性薄膜；实现更高效率的全新的结构形式，如薄壁盒形梁/管形梁、桁架结构、蜂窝/泡沫夹芯结构；突破结构设计极限，包括尺度（如超长、超薄等）、形状和承载能力等。如果无法突破上述关键技术，那么电动飞机将因为超重无法起飞，或因为结构强度不足而在空中解体。

　　电动飞机是否仅仅是幻想

　　虽然超音速电动飞机目前还遥不可及，但电动飞机并非做不到，实际上，国内外一些厂商依旧有一些探索性的产品。

　　（E-Spyder）

　　E-Spyder由中国某公司设计，于2009年在美国EAA展示。E-Spyder是一款超轻型单座锂电池电动飞机，动力装置为一台20千瓦的电机，续航时间40分钟。

　　（E-430）

　　E-430由中国某公司设计，采用近似动力滑翔机的外形设计，高度流线形低阻机身使飞行能耗降到最低。机头安装的动力系统主要包括电动机和三叶复合材料螺旋桨。整机采用全复合材料，具有结构简单、重量轻等优点。E-430空重255千克（包括蓄电池），最大起飞重量430千克；最大平飞速度150千米/小时，巡航速度95千米/小时。标准续航时间2小时，最大续航时间3小时。因电费比航空燃油便宜，飞机最大优点是经济性好。目前，飞机已通过了德国适航认证。

　　（RX1E）

　　RX1E由沈阳航空航天大学设计，于2012年11月面世。该机以稀土永磁同步电动机为动力，高能锂电池为能源，整机使用复合材料，一次充电飞行45-60分钟，最大时速160千米/小时，最大起飞重量480千克。RX1E于2013-2015年获得适航证和生产许可证，并已量产，售价为98万人民币。试生产的首批18架已与客户签约，并已部分交付客户，被用于飞行训练，将来可能还会用于旅游观光。