編者按：2014年，NASA向大學(xué)生發(fā)起了一項(xiàng)電動(dòng)飛機(jī)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，本文作者Tom Neuman加入挑戰(zhàn)并獲得一等獎(jiǎng)。以下是是他如何設(shè)計(jì)獲獎(jiǎng)電動(dòng)飛機(jī)Vapor的過(guò)程。

如果你有幸體驗(yàn)過(guò)如今的小型活塞驅(qū)動(dòng)飛機(jī)，那么你會(huì)發(fā)現(xiàn)它每小時(shí)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(gè)緊急降落，壞則可能遭到撞擊了。而幸運(yùn)的是，現(xiàn)在，電動(dòng)飛機(jī)可以取代這些制造噪音的燃油耗損器了。今天，越來(lái)越多的電動(dòng)飛機(jī)飛行在天空之上，它們更安靜、更清潔、更安全、更高效。事實(shí)上，電動(dòng)化現(xiàn)在能夠大大變革航天業(yè)，不管對(duì)于飛行員還是乘客來(lái)說(shuō)，飛行變成了一個(gè)更好美好的體驗(yàn)。

而NASA也意識(shí)到了這種大趨勢(shì)，2014年，它向大學(xué)生發(fā)起了一個(gè)挑戰(zhàn):在2020年之前設(shè)計(jì)一臺(tái)4座、純電動(dòng)、并能夠進(jìn)入服務(wù)市場(chǎng)的飛機(jī)。而我加入了此挑戰(zhàn)，我的設(shè)計(jì)有幸獲得了畢業(yè)生組一等獎(jiǎng)。我的設(shè)計(jì)是基于燃油驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器，并使用了一種非同尋常的馬達(dá)，來(lái)提高效率。對(duì)我來(lái)說(shuō)，此款飛機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程為我打開(kāi)了通往電動(dòng)飛機(jī)的大門，讓我發(fā)現(xiàn)一切皆有可能。

當(dāng)NASA剛開(kāi)始發(fā)布此挑戰(zhàn)時(shí)，我還是一名喬治亞理工學(xué)院航空航天系的畢業(yè)生。但這并不是我第一次涉足電動(dòng)飛機(jī)行業(yè)。2008年，我17歲，特斯拉Roadsters上市6個(gè)月，那時(shí)我正在努力研究另一種電動(dòng)飛機(jī)：翼展長(zhǎng)約9英尺長(zhǎng)（3米），專為遠(yuǎn)程控制飛行競(jìng)賽設(shè)計(jì)。

那時(shí)，隨著鋰電子變得越來(lái)越輕便便宜，電動(dòng)飛機(jī)正在變得越來(lái)越受歡迎。它們更清潔、更安靜，更易于操作。然而，在2008年，電動(dòng)飛機(jī)只能飛上幾分鐘。特斯拉也面臨著相同的問(wèn)題：雖然它有著無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)，但是它的續(xù)航能力卻差強(qiáng)人意。

從那時(shí)起，電池技術(shù)開(kāi)始迅猛發(fā)展：尼桑在2010年底引進(jìn)了大市場(chǎng)Leaf，特斯拉從2座的Roadster發(fā)展到了5座的Model S。電動(dòng)飛機(jī)也因?yàn)殡姵氐淖兏镲w速地發(fā)展著。在過(guò)去的兩年中，斯洛維尼亞輕飛行器制造商Pipistrel和法國(guó)Airbus SAS都引進(jìn)了電動(dòng)的2座訓(xùn)練器。

不過(guò)，雖然電動(dòng)飛機(jī)正在飛速發(fā)展，其仍然有一個(gè)弱點(diǎn):有限的飛行時(shí)間。其原因便是相比于傳統(tǒng)的飛行能源，電池更重。對(duì)于行走在地上的車輛來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)可以用更多、更大的電池來(lái)彌補(bǔ)這些缺點(diǎn)。但是，如果要上天，飛行器就對(duì)額外的重量就更敏感了。對(duì)于電動(dòng)飛機(jī)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，增多電池來(lái)增加續(xù)航將會(huì)陷入一個(gè)惡性循壞。

然而，NASA不斷鼓勵(lì)創(chuàng)新者們嘗試建造能夠兼顧續(xù)航和尺寸的電動(dòng)飛機(jī)。2011年，NASA發(fā)起了“格林飛行計(jì)劃”，此計(jì)劃中打造的兩款頂尖飛機(jī)完全由電池驅(qū)動(dòng)，并能以每小時(shí)100英里（161千米）的速度飛行2小時(shí)。

2014年，NASA和兩個(gè)行業(yè)伙伴發(fā)起了LEAPTech計(jì)劃。它們打造了一款特別的碳纖尾翼展飛機(jī)，裝載18個(gè)電動(dòng)馬達(dá)，并裝載用于降落的飛行器。他們計(jì)劃在一架叫做Tecnam P2006T的意大利飛機(jī)上安裝相同的翼展。因?yàn)橥七M(jìn)器的數(shù)量較多，每一個(gè)都獨(dú)立運(yùn)行，因此可以讓飛機(jī)的翼展更小，這樣就減輕了飛機(jī)的重量。

2014年9月，NASA又發(fā)起了學(xué)生專屬的設(shè)計(jì)比賽，希望推進(jìn)電動(dòng)飛機(jī)行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。而對(duì)于電動(dòng)飛機(jī)設(shè)計(jì)熱衷的我，毫不猶豫地報(bào)名參加了此次比賽。

NASA希望此次比賽中設(shè)計(jì)的飛機(jī)能夠在2020之前投入使用，并規(guī)定此款飛機(jī)必須是4座，能夠以201英里（323千米）每小時(shí)的速度續(xù)航1482千米。雖然大部分設(shè)計(jì)師會(huì)對(duì)此挑戰(zhàn)嗤之以鼻，并認(rèn)為這種規(guī)格非常正常，此目標(biāo)比新款的Pipistrel Alpha Electro電動(dòng)飛機(jī)的飛行距離要遠(yuǎn)上6倍以上，并快上一倍。我們粗略地算一下，會(huì)發(fā)現(xiàn)NASA此次挑戰(zhàn)中設(shè)計(jì)的飛機(jī)，比Pipistrel需要的能源要高上近30倍。而5年時(shí)間，要完成這個(gè)挑戰(zhàn)，到底可能嗎？

有些電動(dòng)飛機(jī)從業(yè)者表示用燃油驅(qū)動(dòng)來(lái)加長(zhǎng)續(xù)航里程沒(méi)有必要，因?yàn)楹芏囡w行員（包括司機(jī)）并沒(méi)有完全使用完整個(gè)續(xù)航里程。比如，一般來(lái)說(shuō)，尼桑Leaf用戶只會(huì)使用三分之一的續(xù)航里程。

我同意他們的觀點(diǎn)。但是毫無(wú)疑問(wèn)，飛行員對(duì)于續(xù)航的擔(dān)心程度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于駕駛員，因?yàn)檫@與他們的生命安全息息相關(guān)。因此，我與很多NASA相關(guān)人員交談過(guò)，聽(tīng)取他們的想法與建議。后來(lái)，我發(fā)現(xiàn)，如果一些制造商決定將我的想法付諸實(shí)踐，那么飛機(jī)可以直接和現(xiàn)存的燃油驅(qū)動(dòng)模型（包括50萬(wàn)美元的4座Cirrus SR22，過(guò)去十年最暢銷的單引擎飛行器）對(duì)接。

于是我開(kāi)始了我的設(shè)計(jì)，并思考是否要將現(xiàn)有的燃油驅(qū)動(dòng)飛機(jī)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)飛機(jī)，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(gè)缺點(diǎn)更難克服。

最開(kāi)始，我嘗試的是普通電池。它們更加靈活，更加常見(jiàn)。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(gè)電動(dòng)馬達(dá)，飛機(jī)能夠飛上半個(gè)小時(shí)，100英里（160千米左右）。但是要通過(guò)增加電池來(lái)加長(zhǎng)續(xù)航是無(wú)濟(jì)于事的，我之前所說(shuō)的惡性循環(huán)就是這個(gè)道理。

這也是為什么Pipistrel和Airbus一直在制造訓(xùn)練飛機(jī)，而不是實(shí)用飛機(jī)。Airbus電池每千克要提供200瓦時(shí)能量，而根據(jù)現(xiàn)在的科技進(jìn)展，先進(jìn)的鋰離子電池將在2020年達(dá)到400瓦時(shí)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(biāo)還相差甚遠(yuǎn)。

在我意識(shí)到這個(gè)事實(shí)之后，我開(kāi)始仔細(xì)思考能量?jī)?chǔ)存問(wèn)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(jī)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(jī)，它是一架2座的馬達(dá)滑翔機(jī)，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(jī)是Continental IO-550-N，有著6個(gè)氣缸，187千克重的引擎，能夠提供310馬力（231千瓦）。通過(guò)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(huì)達(dá)到400千瓦每千克。這幾乎是現(xiàn)如今最好的電池可以達(dá)到的能量。而要提供800瓦時(shí)每千克的特定能量，燃油電池的特定能量將會(huì)降到200瓦每千克，比飛行200英里每小時(shí)需要的能量要低。

隨著我對(duì)電能存儲(chǔ)了解越深，我的思路便越清晰明確?，F(xiàn)在，唯一的解決辦法就是降低飛機(jī)對(duì)能量的要求。但是我知道SR22現(xiàn)在已經(jīng)是一個(gè)很適合的選擇。

對(duì)于飛機(jī)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，續(xù)航里程和速度，幾乎只能二選一。但是哪個(gè)應(yīng)該犧牲掉呢？

一些早期的飛機(jī)分析師表示：飛機(jī)對(duì)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(jī)市場(chǎng)對(duì)于哪個(gè)的需求更旺盛，再來(lái)做出選擇。我仔細(xì)比較了市場(chǎng)上6款不同的飛機(jī)，發(fā)現(xiàn)他們的續(xù)航里程和NASA921英里的目標(biāo)相差無(wú)幾，但速度卻相差甚多。之后，我便不再擔(dān)心速度，爭(zhēng)取打造最長(zhǎng)續(xù)航里程的4座飛機(jī)。經(jīng)過(guò)幾輪計(jì)算之后，我決定將飛機(jī)的速度設(shè)置為173英里每小時(shí)。

降低速度可以將能量消耗降低30%，同時(shí)也可降低推進(jìn)器所需的能量。但是即使這樣，我還是不能達(dá)到NASA的要求。我也猶豫過(guò)要不要也降低續(xù)航里程，同時(shí)也在尋找其他無(wú)需過(guò)多的科技投資，就能降低能源消耗的方法。

幸運(yùn)的是，電動(dòng)推進(jìn)器更為靈活。它們不像內(nèi)燃機(jī)，更有力、更高效、更小、更輕，同時(shí)適用的范圍更廣。

我將兩只相當(dāng)巨大的推進(jìn)器附在一對(duì)馬達(dá)之上，將它們放在飛機(jī)的V型機(jī)尾上，而不是機(jī)翼或機(jī)身之上。

這個(gè)簡(jiǎn)單的策略不僅提高了推動(dòng)效力（從85%到92%），也能完善飛機(jī)的空氣動(dòng)力?，F(xiàn)在能夠更加順暢地流入機(jī)身和機(jī)翼。雖然推動(dòng)器很大，但是將它們放在機(jī)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(huì)更大程度地降低阻力。

進(jìn)一步分析后，我發(fā)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)變將飛機(jī)的能量消耗降低了27%。事實(shí)上，這種設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變降低了飛機(jī)對(duì)于能量的要求，讓氫驅(qū)動(dòng)燃油電池能夠帶動(dòng)飛機(jī)飛行。這時(shí)，我的飛機(jī)Vapor設(shè)計(jì)有了實(shí)質(zhì)的進(jìn)步。

在我弄清了設(shè)計(jì)的基本參數(shù)之后，我就能夠?qū)Ｗ⒂诩?xì)節(jié)了。我檢測(cè)了不同的能夠用于自動(dòng)化和航天應(yīng)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(dòng)的HK36時(shí)，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(jī)身中。

我設(shè)計(jì)的燃油電池系統(tǒng)能夠提供800瓦時(shí)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(shí)每千克，能量效率為25%。在結(jié)合了燃油電池和飛機(jī)的非傳統(tǒng)推動(dòng)器之后，我就能夠著手Cirrus SR22的設(shè)計(jì)了。此款飛機(jī)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(shí)。比規(guī)定的212英里每小時(shí)要少。但是考慮到電動(dòng)飛機(jī)將會(huì)在每次飛行中消耗四分之一的能量，這種權(quán)衡也是可行的。

我的目標(biāo)是讓Vapor對(duì)那些想要購(gòu)買小型飛機(jī)的人具有足夠的吸引力，我覺(jué)得我的設(shè)計(jì)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(yùn)行成本。除此之外，噪音等級(jí)也從92分貝減少到了76分貝，這會(huì)提高駕駛體驗(yàn)。因此，它將為飛行員和乘客帶來(lái)不一樣的體驗(yàn)。

其實(shí)，考慮到現(xiàn)在正在突飛猛進(jìn)的燃油電池和電動(dòng)馬達(dá)技術(shù)，Vapor現(xiàn)在就能夠開(kāi)始建造并投入使用，因?yàn)楝F(xiàn)有的科技已經(jīng)相當(dāng)成熟了。但是現(xiàn)在我們尚不清楚相關(guān)權(quán)威部門會(huì)不會(huì)允許這種全電動(dòng)的飛機(jī)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(jī)氫氣系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)非常有限，而只有基礎(chǔ)設(shè)施完善，氫氣系統(tǒng)才會(huì)變得流行。

而盡管長(zhǎng)路漫漫，能夠?qū)㈦妱?dòng)飛機(jī)的續(xù)航里程提高6倍、飛行速度提高一倍的設(shè)計(jì)，想想就讓人激動(dòng)。而有了NASA的認(rèn)可，Vapor在2020年開(kāi)始上空飛行也不是夢(mèng)。

因此，我還是對(duì)未來(lái)充滿信心。

Via:IEEE

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