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马斯克的电动飞机梦:黑科技还是游戏炒作?

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马斯克的电动飞机梦:黑科技 or 炒作游戏?

谈起电动汽车,想必大家都不陌生。“高端大气上档次”的特斯拉电动车在媒体爆炒下无人不知,无人不晓;“低调土鳖有内涵”的比亚迪混电/电动车虽然名声不如特斯拉显赫,却在广东成为出租车和公交车进入人们的日常生活,甚至还有比亚迪的电动公交车出口美国。

前不久,埃隆马斯克提出要造电动飞机。“包括飞机和轮船的所有交通工具都将全电动化——不只是半电动的混合动力,而是完全的电动化,”马斯克说道,“这是完全没有问题的。”

电动飞机是黑科技?

其实电动飞机并不是黑科技,国内外早有一系列成熟的产品。

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(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。

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(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。

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(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。

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(E-Fan)

E-Fan由空客设计,续航时间为45分钟至1小时,最大时速218千米/小时,双电机总功率为60千瓦,最大起飞重量580千克。2015年,E-Fan成功飞越英吉利海峡。

因此,电动飞机虽然听起来科幻感十足,但并非黑科技,中国和欧洲早已有一些列成熟产品,有的早已亮相展会,有的拿到了适航证和生产许可证,有的已经交付客户使用。

电动飞机技术难点

锂电池电动力系统

锂电池电动力系统由锂电池组输出直流电,DC一DC转换器对电压和电流进行调制,然后输送给DC一AC转换器逆变器,再输送给交流电机,或者输送给脉冲宽度调制器,最后输送给直流电机。电机带动螺旋桨推动飞机飞行,整个系统的运行由综合控制系统进行控制。为保障锂电池组的性能和有效工作,需要具备条件电池单体的高性能和一致性,低电阻连接设计,电池包良好的散热结构,电池包管理系统等。

高性能与一致性看起来简单,而国内新能源汽车创业公司大都选择日韩电池的原因却往往就在这里。

锂电池电动力系统最大的不足是锂电池比能量数值有限。

具体来说,锂电池和汽油的比能量数值分别为:0.15—0.25kWh马斯克的电动飞机梦:黑科技 or 炒作游戏?和12—12.5kWh马斯克的电动飞机梦:黑科技 or 炒作游戏?,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马斯克的电动飞机梦:黑科技 or 炒作游戏?,相当于锂电池的20倍.

电动力系统存在偏重的问题。

电动力系统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。

气动布局技术

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RX1E就采用了常规气动布局,常规布局可以把飞机的长宽比做到很大,利于发挥大机翼和长发动机的优势。而RX1E类似于滑翔机的设计,在电机动力有限的情况下给RX1E提供了升力。

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另外,军机的气动设计会更加复杂,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。

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(F22)

因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常规动力飞机苛刻,要达到极低能耗和极高效率。

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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。

具体来说,顶级的风洞只有中、美、俄才有,而且因为风洞巨大的耗电量,往往会配属专门的核电站为风洞供电。而经过风洞验证的气动外形,会被用在原型机上,原型机在试飞过程中会根据实际情况改进气动设计,比如J20于2011年曝光,迄今为止以制造7架原型机,最新的2017和最初的原型机在气动设计方面已经有很大的改进。另外,原型机试飞是非常危险的,因为新的气动设计存在太多不确定因素,很有可能发生机毁人亡的事故。

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(J20)

气动设计和技术验证的门槛很高——韩国举国之力也很难完成,T50教练机只能找洛马做设计,吹风洞。以至于洛马曾经将韩国“国产”的T50教练机,作为洛马的产品,并放在洛马的官网上和其他洛马设计的飞机一同展示。(当然,T50教练机的气动设计难度和玩具一样的电动飞机完全不是一个难度的)。

诚然,如同玩具般的电动飞机的气动设计门槛远远无法与J20、F22这类4代战机相提并论,对波音、洛马、中航工业这样的老牌航空巨头来说更是小儿科的事情。

但对从未设计过飞机,技术积累为零的航空工业门外汉来说,如果不参照已有的成熟产品或公开的技术成果,或者像韩国人那样找航空巨头帮忙,一切要从零开始摸索的话,凭一己之力搞定电动飞机整条产业链可谓难于上青天。即使最后做出来了项目研发周期被大幅拉长,项目大幅延期是必然的。

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。比如RX1E、E-Fan、E-430等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。

另外,航电系统、飞控系统等关键技术也对电动飞机至关重要。

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