电力推进将向空中领域发展，就像在地面上一样

电力推进将向空中领域发展，就像在地面上一样，最初使用电池来辅助燃料发电机。

我坐进一架堪称全球最特别的飞机的驾驶舱里，这是一架名为330LE的两座训练机，由艾克斯特飞机公司制造，配备的电动马达来自西门子公司。西门子公司虽然规模宏大，但航空领域并不是它的强项。我刚把脚从控制踏板上移开，驾驶员就启动飞机了。

螺旋桨立即飞速旋转，变得透明。但它特别安静，我们可以不戴耳麦轻松地聊天，这也是电动飞机的首要特征。

飞机在布达佩斯郊外一处草地上的小型跑道上开始滑行。当时是上午10点钟，天气晴朗，远处是一片片的农田。飞机突然起飞，开始大角度爬升，地面上的房屋也显得越来越小。飞机下方的一头奶牛甚至都没抬头看我们。这种与特斯拉Model S的“疯狂模式”相同的航空加速是电动飞机的另一个特征。并且这种电动马达的所有性能都可以即时体验到。

接下来，飞机进行了俯冲、转向和上升等操作，我感觉我的五脏六腑都移位了。登机之前，西门子布达佩斯研究中心的负责人盖尔盖伊•乔治亚•巴拉兹（Gergely György Balázs）略带歉意地表示，仅有一架半特技表演的飞机。（所幸全特技表演的飞行员出差了。）

15分钟令人兴奋的飞行后，电池电量消耗了一半，剩下不到10千瓦时，也是时候返回地面了。这也是电动飞机的最后一个特征。尽管现在的锂离子电池（电池架就在驾驶员座舱的前方）的容量比几年前要大，但还是抵不上一箱汽油。所以，全电动飞机在未来几年内将仅限于短途飞行，大多是邻近区域而非城市之间的飞行。

航空业温室气体的排放量占全球的2%～3%。但由于大量的气体被排入了平流层，所以造成该行业的有效减排对于整体的影响更大。随着航空旅行的增加以及电力和汽车等其他排放源的减少，在未来几十年，航空业占整体排放的份额将会急剧上升。

2016年，23个国家同意按照联合国机构国际民航组织（ICAO）的标准，自2020年起开始限制商用飞机的碳排放。因此，全球的研究者现在都致力于研究减少碳排放的方法。

但如果仅限于这种距离近得可笑的短途飞行，电动飞机又如何发挥作用呢？电动飞机之所以被视为航空业重大技术变革的关键一步，是因为它们将再次演绎汽车工业刚刚开始的从内燃机到电动机的转移。也许再过15年，油电混合动力飞行器将应用在短中途航线中。混合动力飞机使用燃料，但用得很节省。

拜耳航空公司首席执行官乔治•拜耳（George Bye）说：“我们在小型电池动力训练机方面的研究将会产生巨大影响，因为从物理学上来讲，我们的改进是可行的。”目前，拜耳与西门子达成合作，西门子计划为其生产的电动训练机提供马达。“不过飞机要想实现更快的速度和更高的质量，就需要混合配置。航空业正致力于实现这一点。”

当前我们需要混合动力机型，因为每千克航空燃料储存的能量为12.5千瓦时，而每千克锂电池仅能储存0.16千瓦时，其中包括封装重量和保持电池安全性的其他装置。

要想将混合动力成功应用于航空领域，还需要许多先进技术。这些技术当然可以通过制造混合动力飞机的研发项目来实现；但更重要的是，诸如西门子这类公司将努力引入电动飞行器，并打造一个未来产业——城市载人空中出租车，数量将超过无人机。西门子公司正在与空中客车公司合作开发一项名为“城市空中巴士”的全电动项目。空客公司同时还在其硅谷的子公司开展了另一项名为“伐诃纳”（Vahana）的项目。还有很多其他的初创公司也在推进相关技术，如中国的亿航公司在今年年初首次公开演示了一名工程师驾乘一架八旋翼直升机飞上天空的过程。

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在航空业，大部分混合动力设计基于串行体系结构，首先是燃油引擎（内燃机或是涡轮机）驱动发电机，然后发电机为电动机提供动力，在转动推进器的同时为电池充电。在这个方案中，电池提供起飞所需的爆发动力，这样就可以让技术人员将燃料引擎调整到理想的运行速度。悬挂在机翼上的大型喷气发动机只用来保障飞机起飞，在其他时间基本都处于闲置状态，而且还增加了飞机的重量。

当然，混合动力还有其他优点。通过电缆分布动力，混合动力设计可以把推进器放在任何想放的位置，而不必将所有组件都布置在巨大的引擎附近。有些混合动力设计设想将推进器放在机身尾部，甚至放在垂直稳定翼的顶部。

目前，有两大联盟正致力于研究混合动力。在欧洲，除了“城市空中巴士”项目之外，空客公司还和西门子、劳斯莱斯组成了联盟。在美国，波音和捷蓝航空参加了由位于华盛顿柯克兰的初创公司Zunum Aero管理的一项竞争项目。两大联盟都声称将于本世纪20年代初期实现空中混合动力。

空客集团计划从改造现有飞机入手，他们选择的是英国宇航公司型号为146的一架100座飞机，在其4个翼吊短舱中，有一个放置的不是引擎，而是一个2兆瓦的电动机。机身中有一台小型燃气轮机旋转驱动发电机（可以减小空气阻力），为电动机提供动力。如果电气系统出现故障，3个传统动力推进器能保证飞机安全飞行。据报道，空客公司准备在明年的巴黎国际航空展上展示这款混合动力飞机。

美方联盟则对其计划守口如瓶。2017年8月，通用航空发布了一份白皮书，概括了其在混合动力电动发电机方面进行的实质性工作。在一次地面试验中，通用航空公司用一台额定功率为1兆瓦的电动机驱动了直径3.3米的螺旋桨。另一次试验中，它使用通用F110型喷气发动机中的压缩机驱动1兆瓦的发电机，引擎同时持续产生推力。

虽然关于两大联盟更详细的消息很少，但它们还是在采访中很清楚地说明，它们正致力于4大类技术的改进：电池容量、电动机和发电机重量、电力电子的效率以及机身材料和设计。比如在欧洲联盟中，西门子致力于改进发动机、发电机和电子设备。此外，西门子已对部分小型飞机进行全电动设计改造，确信将部件组装到飞机内，即可对它们进行整体优化。

“通过研究从飞行员到螺旋桨等所有环节，我们正在积累整体电推进系统的经验。”西门子电动飞机部主管弗兰克•安东（Frank Anton）说道，“要了解这些，唯一的方法是实际操作。”

相较而言，电动机体积小、重量轻，有很多可选部件。你可以在机翼上安装一系列小型推进器，缩短起飞距离。NASA甚至在研究沿着机翼边缘安装一堆螺旋桨的设计，这样就可以按需引导操纵面的气流，提高升阻比。结果就是机翼变得更短、更窄。

安东说：“若将电力从推进力中分离出来，瞬间你就会拥有各种矢量推力的应用。”

降低电动系统重量的关键挑战有以下两个：首先，必须提升电池的能量密度，这是一个渐进过程，直到锂离子电池完全被某种全新的技术所替代，如金属空气电池；第二，电动机以及电动发电机的功率密度也要提升。当然，这是西门子的专长。

西门子在全特技飞机的前端安装了公司自己生产的SP260D航空电动机，其重50千克、功率为260千瓦，功率重量比高达5.2千瓦/千克。（半特技飞机的功率重量比与其大致相同，但体积仅为其一半多。）2016年，艾克斯特330LE于德国丁斯拉肯场地首次公开飞行；2017年创下电动飞机时速340公里/小时的纪录。西门子的工程师们正在努力研究如何进一步提升电动机的功率密度。

在布达佩斯研究中心，巴拉兹把我带到一间实验室的工作台前，递过来一个被锯成两半的电动机。这是定子的一半；定子是旋转的转子周边的固定部分。锯开的表面里嵌有铜绕组的矩形横截面，看起来就像墙上堆砌的砖块。这种直线结构是实现高功率的关键，能防止空气间隙干扰电线与液体冷却外壳间的热传导。因此，必须要将热量转移出去，否则电线绝缘就会被损坏，进而造成短路。

巴拉兹表示：“我们需要比圆形电线更均匀的热传导，也希望电绝缘性能更好，这些对航空电机来说很重要。”而西门子在日本供应商古河电气工业株式会社专门定制了这种电线。

工程师们每天进行着这些枯燥乏味的研究工作，将重量一克一克地减轻。这种手工方法让这些人造宝石比劳力士手表都昂贵。当我拿起一个掂一下它的重量时，巴拉兹表现出了明显的担心。于是，我赶紧小心地把东西放回去了。

巴拉兹告诉我，再过几年，每年都会制造出数以千计的电动机用于空中出租车，西门子及其所有制造空中出租车的竞争对手预言的这种车辆将像蝗虫一样穿行在城市中。那时电动机的单位成本将会下降，可能会低于当今内燃机引擎的水平，尽管内燃机里有成百上千的零部件及无数复杂的机械交互作用。

最终，革命性的改进将取代点滴的雕琢。一个重大突破是20世纪80年代初，通用汽车公司和住友特殊金属株式会社分别在电动机中引入了超强钕磁铁。下一个重大变革就要瞄准超导线缠绕电磁铁的机器了。

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如果电动发电机有超导绕组，就几乎不会产生废热，而这个梦想也只能在高温超导体出现之后才能考虑。陶瓷材料的超导温度为零下135摄氏度，比原先的金属超导体“热”约100摄氏度。因此，为了接近绝对零度，设计人员可以用液氮代替液氦来进行冷却。

西门子基于该理念已经研究了近20年。最初的计划是将超导电动机放在空间和重量都极其珍贵的海船上。即使如此，公司现在的机器版本（作为发电机）还是比成年人的体积大。因此，公司的工程师目前在缩小用于航空领域的机器体积。其终极能量密度目标是10瓦/克。西门子并未给我展示这件产品，只提供了一张较大型超冷却机器的图片，上面附有未来航空版本的图纸。图纸尺寸大概是图片的1/10。

其他公司也在努力研究制冷机。通用航空公司正在为NASA研制低温冷却设备，但通用电气对此不愿提供任何信息。所有的公司都守口如瓶，也许是不情愿告知，也许是没有太多要告知的内容。NASA预计，无论如何，使用不低于30兆瓦功率的低温系统的客机在21世纪30年代中期之前是不会出现的。

为了充分利用这种超导电动机以及混合动力系统中的超导发电机，还需要超导功率变换器。NASA与通用公司签订了合同，为其生产效率达99%、功率重量比为19千瓦/千克的逆变器。

集成电动机的混合动力设计尚处于研究之中，可能会采用燃气轮机驱动发电机。西门子的工程师首先在硅片上建立了模型，我瞥了一眼电脑屏幕，上面是一种交互模拟，是一种普通氢冷电机的标记。“这是一个混合动力系统，它可以告诉我们功率分配如何运作。”巴拉兹告诉我。

现在燃气涡轮发电机常被用作电网的备用电源，这种情况下组件的重量并不重要。而许多军用飞机在飞行中通过喷气发动机的压缩机或飞机向前运动产生的气流来提供电力。

要节省几千克重量，工程量就如此之大，看起来有点大费周章，但这么做是值得的。电动机上节省1千克重量，电池重量就可以额外增加1千克。美国联合航空公司近期使用质量较轻的纸来印刷杂志，每份杂志可减少28克，这样每次航班可减少约5千克，计算下来，这一行为可为公司每年节约64万升燃油，价值29万美元。

这就是为什么波音787等新的大型客机会使用如此多的碳纤维增强复合材料。330LE也是如此——一个人就能把飞机从机库里移出来。

好了，让我们现在来看看最终成品吧。十几年已经过去了，现在运行在航线上的混合动力飞机非常安静，晚上可以在城市上空飞行。多亏了旋转的推进器，飞机可以从短跑道甚至市区内的跑道上起飞。因为重量更轻、效率更高，这种飞机更节约能量。这就意味着飞行需要的成本更低，与当今运营成本远高于采购成本的商用飞机处境截然相反。

一项警告：大约十几年后，混合动力飞机只会比传统飞机稍微“环保”一点。只有混合动力的经验和经济规模使整个行业转为纯电动飞机时，才能做出巨大的改进，也许要到21世纪30年代。“我们见证了混合动力使节能从4%升到20%。”西门子位于慕尼黑的销售与业务开发办公室主任奥托•欧拉夫（Otto Olaf）说道，“如果飞机实现全电动化，节约的能源将会更多。”

航空业同样引人注目的是要减少相关的温室气体排放。西门子公司的安东说：“欧盟的‘2050航线’项目旨在将排放量减少50%以上，但那时乘客数量预计会翻倍，因此我们至少需要4倍改进。”

目前尚不清楚这些数字是如何计算出来的。最简单的方法是将排放量与乘客里程进行对比。更实在的方法是评估“所有相关”效果，同时考虑到所有在地面生产并存进电池中供后期空中使用的电力。这种计算方法还应考虑到用于制作电池、电动机、超轻碳复合机身及其他部件所消耗的能源。

“2050航线”项目还希望到2050年将飞机噪声降低一半。事实证明，这是迄今为止航空业最大的举措了。为规避对夜晚飞行的限制，航空公司投入了大量资金用于对噪声大的旧飞机进行消音改造，这项工作被称为“装置减音”。

安东说：“这是西门子和航空公司洽谈时感到最惊讶的一点。我总是提到，对于飞行来说，安静排在能量和排放之后。而现在它被排到了首位。”

这不是首个本意并非缓解全球变暖，却有助于成功实现这一目标的绿色技术。人们购买混合动力普锐斯是为了节省燃油，购买特斯拉是为了加速超车保时捷。航空公司购买混合动力飞机是为了安静运行，减少温室气体排放几乎就是一种副作用。但这些终究会实现的。