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| 本文作者： Misty | 2016-05-26 18:30 |
編者按：2014年，NASA向大學生發(fā)起了一項電動飛機設計挑戰(zhàn)，本文作者Tom Neuman加入挑戰(zhàn)并獲得一等獎。以下是是他如何設計獲獎電動飛機Vapor的過程。
如果你有幸體驗過如今的小型活塞驅(qū)動飛機，那么你會發(fā)現(xiàn)它每小時都要燃上好幾加侖燃油，你還要忍受著轟隆隆的噪音。如果噪音停了，那就意味著出現(xiàn)緊急情況了，好則需要一個緊急降落，壞則可能遭到撞擊了。而幸運的是，現(xiàn)在，電動飛機可以取代這些制造噪音的燃油耗損器了。今天，越來越多的電動飛機飛行在天空之上，它們更安靜、更清潔、更安全、更高效。事實上，電動化現(xiàn)在能夠大大變革航天業(yè)，不管對于飛行員還是乘客來說，飛行變成了一個更好美好的體驗。
而NASA也意識到了這種大趨勢，2014年，它向大學生發(fā)起了一個挑戰(zhàn):在2020年之前設計一臺4座、純電動、并能夠進入服務市場的飛機。而我加入了此挑戰(zhàn)，我的設計有幸獲得了畢業(yè)生組一等獎。我的設計是基于燃油驅(qū)動推進器，并使用了一種非同尋常的馬達，來提高效率。對我來說，此款飛機的設計過程為我打開了通往電動飛機的大門，讓我發(fā)現(xiàn)一切皆有可能。
當NASA剛開始發(fā)布此挑戰(zhàn)時，我還是一名喬治亞理工學院航空航天系的畢業(yè)生。但這并不是我第一次涉足電動飛機行業(yè)。2008年，我17歲，特斯拉Roadsters上市6個月，那時我正在努力研究另一種電動飛機：翼展長約9英尺長（3米），專為遠程控制飛行競賽設計。
那時，隨著鋰電子變得越來越輕便便宜，電動飛機正在變得越來越受歡迎。它們更清潔、更安靜，更易于操作。然而，在2008年，電動飛機只能飛上幾分鐘。特斯拉也面臨著相同的問題：雖然它有著無與倫比的優(yōu)勢，但是它的續(xù)航能力卻差強人意。
從那時起，電池技術開始迅猛發(fā)展：尼桑在2010年底引進了大市場Leaf，特斯拉從2座的Roadster發(fā)展到了5座的Model S。電動飛機也因為電池的變革飛速地發(fā)展著。在過去的兩年中，斯洛維尼亞輕飛行器制造商Pipistrel和法國Airbus SAS都引進了電動的2座訓練器。
不過，雖然電動飛機正在飛速發(fā)展，其仍然有一個弱點:有限的飛行時間。其原因便是相比于傳統(tǒng)的飛行能源，電池更重。對于行走在地上的車輛來說，設計可以用更多、更大的電池來彌補這些缺點。但是，如果要上天，飛行器就對額外的重量就更敏感了。對于電動飛機設計來說，增多電池來增加續(xù)航將會陷入一個惡性循壞。
然而，NASA不斷鼓勵創(chuàng)新者們嘗試建造能夠兼顧續(xù)航和尺寸的電動飛機。2011年，NASA發(fā)起了“格林飛行計劃”，此計劃中打造的兩款頂尖飛機完全由電池驅(qū)動，并能以每小時100英里（161千米）的速度飛行2小時。
2014年，NASA和兩個行業(yè)伙伴發(fā)起了LEAPTech計劃。它們打造了一款特別的碳纖尾翼展飛機，裝載18個電動馬達，并裝載用于降落的飛行器。他們計劃在一架叫做Tecnam P2006T的意大利飛機上安裝相同的翼展。因為推進器的數(shù)量較多，每一個都獨立運行，因此可以讓飛機的翼展更小，這樣就減輕了飛機的重量。
2014年9月，NASA又發(fā)起了學生專屬的設計比賽，希望推進電動飛機行業(yè)的進一步發(fā)展。而對于電動飛機設計熱衷的我，毫不猶豫地報名參加了此次比賽。
NASA希望此次比賽中設計的飛機能夠在2020之前投入使用，并規(guī)定此款飛機必須是4座，能夠以201英里（323千米）每小時的速度續(xù)航1482千米。雖然大部分設計師會對此挑戰(zhàn)嗤之以鼻，并認為這種規(guī)格非常正常，此目標比新款的Pipistrel Alpha Electro電動飛機的飛行距離要遠上6倍以上，并快上一倍。我們粗略地算一下，會發(fā)現(xiàn)NASA此次挑戰(zhàn)中設計的飛機，比Pipistrel需要的能源要高上近30倍。而5年時間，要完成這個挑戰(zhàn)，到底可能嗎？
有些電動飛機從業(yè)者表示用燃油驅(qū)動來加長續(xù)航里程沒有必要，因為很多飛行員（包括司機）并沒有完全使用完整個續(xù)航里程。比如，一般來說，尼桑Leaf用戶只會使用三分之一的續(xù)航里程。
我同意他們的觀點。但是毫無疑問，飛行員對于續(xù)航的擔心程度要遠遠高于駕駛員，因為這與他們的生命安全息息相關。因此，我與很多NASA相關人員交談過，聽取他們的想法與建議。后來，我發(fā)現(xiàn)，如果一些制造商決定將我的想法付諸實踐，那么飛機可以直接和現(xiàn)存的燃油驅(qū)動模型（包括50萬美元的4座Cirrus SR22，過去十年最暢銷的單引擎飛行器）對接。
于是我開始了我的設計，并思考是否要將現(xiàn)有的燃油驅(qū)動飛機轉(zhuǎn)換成電動飛機，這樣，用電池或是燃油電池都可以。我知道電池缺少能量，而燃油電池缺少馬力，但是我不知道哪一個缺點更難克服。
最開始，我嘗試的是普通電池。它們更加靈活，更加常見。我發(fā)現(xiàn)如果我將Cirrus SR22 1020磅（462千克）重的引擎和燃油換成鋰離子電池和一個電動馬達，飛機能夠飛上半個小時，100英里（160千米左右）。但是要通過增加電池來加長續(xù)航是無濟于事的，我之前所說的惡性循環(huán)就是這個道理。
這也是為什么Pipistrel和Airbus一直在制造訓練飛機，而不是實用飛機。Airbus電池每千克要提供200瓦時能量，而根據(jù)現(xiàn)在的科技進展，先進的鋰離子電池將在2020年達到400瓦時每千克。能量翻了一倍，就意味著續(xù)航翻了一倍，但這和NASA921英里的目標還相差甚遠。
在我意識到這個事實之后，我開始仔細思考能量儲存問題。我知道相比普通電池，燃油電池每單元可以提供更多能量。因此，將燃油電池使用到飛機上是有理有據(jù)的:比如，2008年，波音公司發(fā)布了Diamond HK36 Super Dimona飛機，它是一架2座的馬達滑翔機，除了普通電池外，它還使用了離子交換膜燃油電池。
因此我在考慮是否能將燃油電池用于Cirrus SR22之上。Cirrus SR22的正常發(fā)電機是Continental IO-550-N，有著6個氣缸，187千克重的引擎，能夠提供310馬力（231千瓦）。通過移除引擎，并用相同重量的燃油電池取代它，我可以生產(chǎn)相同的能量。但是要做到這些，燃油電池必須提供500瓦每千克的特定能量。而有了此種水平的特定能量，燃油電池的特定能量將會達到400千瓦每千克。這幾乎是現(xiàn)如今最好的電池可以達到的能量。而要提供800瓦時每千克的特定能量，燃油電池的特定能量將會降到200瓦每千克，比飛行200英里每小時需要的能量要低。
隨著我對電能存儲了解越深，我的思路便越清晰明確。現(xiàn)在，唯一的解決辦法就是降低飛機對能量的要求。但是我知道SR22現(xiàn)在已經(jīng)是一個很適合的選擇。
對于飛機設計師來說，續(xù)航里程和速度，幾乎只能二選一。但是哪個應該犧牲掉呢？
一些早期的飛機分析師表示：飛機對于續(xù)航里程的敏感度，和速度一樣。因此，我決定看4座飛機市場對于哪個的需求更旺盛，再來做出選擇。我仔細比較了市場上6款不同的飛機，發(fā)現(xiàn)他們的續(xù)航里程和NASA921英里的目標相差無幾，但速度卻相差甚多。之后，我便不再擔心速度，爭取打造最長續(xù)航里程的4座飛機。經(jīng)過幾輪計算之后，我決定將飛機的速度設置為173英里每小時。
降低速度可以將能量消耗降低30%，同時也可降低推進器所需的能量。但是即使這樣，我還是不能達到NASA的要求。我也猶豫過要不要也降低續(xù)航里程，同時也在尋找其他無需過多的科技投資，就能降低能源消耗的方法。
幸運的是，電動推進器更為靈活。它們不像內(nèi)燃機，更有力、更高效、更小、更輕，同時適用的范圍更廣。
我將兩只相當巨大的推進器附在一對馬達之上，將它們放在飛機的V型機尾上，而不是機翼或機身之上。
這個簡單的策略不僅提高了推動效力（從85%到92%），也能完善飛機的空氣動力。現(xiàn)在能夠更加順暢地流入機身和機翼。雖然推動器很大，但是將它們放在機尾意味著我不需要增加起落架的高度和重量。而起落架變小，就讓收縮輪變得更易操作，這也會更大程度地降低阻力。
進一步分析后，我發(fā)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)變將飛機的能量消耗降低了27%。事實上，這種設計轉(zhuǎn)變降低了飛機對于能量的要求，讓氫驅(qū)動燃油電池能夠帶動飛機飛行。這時，我的飛機Vapor設計有了實質(zhì)的進步。
在我弄清了設計的基本參數(shù)之后，我就能夠?qū)Ｗ⒂诩毠?jié)了。我檢測了不同的能夠用于自動化和航天應用的燃油電池系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)用于2015年豐田Mirai的燃油電池和氫罐能夠創(chuàng)造更輕、更有力的系統(tǒng)，而在8年之前，也就是波音第一次使用燃油電池驅(qū)動的HK36時，這種系統(tǒng)就已經(jīng)投入使用了。除此之外，所有這些部分都能整合到Vapor的機身中。
我設計的燃油電池系統(tǒng)能夠提供800瓦時每千克的能量，能量效率為55%。而現(xiàn)在最好的鋰離子電池能量為400瓦時每千克，能量效率為25%。在結(jié)合了燃油電池和飛機的非傳統(tǒng)推動器之后，我就能夠著手Cirrus SR22的設計了。此款飛機的續(xù)航里程為920英里，與NASA規(guī)定的速度差不多，速度為173英里每小時。比規(guī)定的212英里每小時要少。但是考慮到電動飛機將會在每次飛行中消耗四分之一的能量，這種權衡也是可行的。
我的目標是讓Vapor對那些想要購買小型飛機的人具有足夠的吸引力，我覺得我的設計滿足了所有要求。能量消耗的降低和燃油引擎的摘除降低了運行成本。除此之外，噪音等級也從92分貝減少到了76分貝，這會提高駕駛體驗。因此，它將為飛行員和乘客帶來不一樣的體驗。
其實，考慮到現(xiàn)在正在突飛猛進的燃油電池和電動馬達技術，Vapor現(xiàn)在就能夠開始建造并投入使用，因為現(xiàn)有的科技已經(jīng)相當成熟了。但是現(xiàn)在我們尚不清楚相關權威部門會不會允許這種全電動的飛機上空飛行。這是Vapor投入使用的一大障礙。
另一障礙就是，現(xiàn)在支持飛機氫氣系統(tǒng)的基礎設計非常有限，而只有基礎設施完善，氫氣系統(tǒng)才會變得流行。
而盡管長路漫漫，能夠?qū)㈦妱语w機的續(xù)航里程提高6倍、飛行速度提高一倍的設計，想想就讓人激動。而有了NASA的認可，Vapor在2020年開始上空飛行也不是夢。
因此，我還是對未來充滿信心。
Via:IEEE
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