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要制造电动飞机需要攻克哪些技术难点?

2017-9-21 14:18| 发布者: 蛤蟆要起飞| 查看: 68| 评论: 0|来自: 科普中国

摘要: 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 ...

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。

(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。

总而言之,电动飞机虽然听起来科幻感十足,但实际上离我们并不遥远,虽然目前依旧存在一些技术瓶颈,但在将来的某一天,我们也许就能见到电动飞机在空中飞翔的身影。

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