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电动飞机2045年问世？尚有多项技术难题待解

时间:2017-06-13 13:37来源:网易科技 作者:王五人
点击: 次

 
　　但凡提及航空业的未来，都免不了说到电动飞机。这种节能环保的电动飞机无疑是空中出租车，在摩天大楼之间穿梭，如同客机沉稳地穿越大洋。毕竟希望出行便捷的现代人们并不青睐化石燃料。
 
　　但航空航天公司和新兴企业炒作出来的关于电动飞机的种种概念，都是不切实际的。飞行所需要的能量巨大，而如果真的利用电动驱动，那电池技术得有个极大的飞跃。要不然就像航空专家理查德·阿布拉菲亚（Richard Aboulafia）在审查相关空中飞车项目时说的话“干脆期待奇迹吧。”
 
　　电池技术
 
　　所以说，电动飞机的关键问题是电池。现有电池技术无法匹配能源—重量比，成本巨大，而且也维持不了多久时间。特斯拉推出的Model S电动车能运行535千米，雪佛兰旗下的Bolt纯电动车能跑300多千米。但这里用到的电动电池技术都不足以支撑最小的飞机飞起来。
 
　　既然专家都无奈表示“干脆期待奇迹吧”。那究竟是什么样的奇迹才能拯救电动飞机呢？有生之年能不能看到呢？
 
　　前面提及的两大电动车至少给了我们点希望。尽管要花费六位数美元，但特斯拉的Model S小轿车一次充电可行进535千米。而雪佛兰的Bolt EV小型汽车则售价3万美元，能跑383千米。今夏，特斯拉将进一步提升电池电动车性能。同时，训练用的一座或两座无气飞机也很有可能进行起飞实验。而不必冒险在飞机场间进行尝试。
 
　　安柏瑞德航空大学的飞行研究中心的负责人理查德·帕特·安德森（Richard Pat Anderson）就说道“关注电动汽车的人，同样关注电动飞机。但这两者需求不同。电动汽车的电池价格应当低廉能被人们接受，电池也应当小巧便捷。但对飞机而言，电池是大是小就不那么重要，也不太介意成本，但关键是重量。”
 
　　临界密度
 
　　需要降低飞机重量，但又不能以牺牲尺寸或功率为代价，能量密度就成了最大的问题。目前为止，电动电池的比能（指单位质量/体积的器件可提供的能量）是液体燃料的2%。而电动电力系统的效率是内燃机的7%。综上，也就是说同样重量的喷气燃料产生的能量是电动电池的14倍。
 
　　尽管电动电池与喷气燃料有着高达14倍的差异。但实际上电动电池一直在不断进步。虽然进步微小，但电池的比能以每年2%-3%的比例提升。每一次重复中，特斯拉都有进步。
 
　　另外实际上，电动电池也不需要和液体燃料比单位重量的能量。如果当前的电流密度能够提升至五倍，那就达到1000瓦·小时/千克。美国能源部阿贡重点实验室的交通研究中心的主任唐·希勒布兰德（Don Hillebrand）认为这就足以支持一架小型的商业飞行器。而且他估计到2045年就能达到这一目标了。
 
　　1000瓦特·时/千克的能量大约是汽油能量密度的三分之一，但这就够了。目前电池的创新稳定前进，电能传递效率也在提升，那么就有理由期待有朝一日能看到电动飞机在空中翱翔。
 
　　造型设计改进
 
　　除此以外，还有多种捷径。电动飞机的发展也在改变飞机设计理念。未来的电动飞机肯定不是现在飞机的样子。由于分布式电机和阻力减少，未来可能仅利用400 瓦特·时/千克的能源效率就能飞行。工程师们也会重新设计飞行器以适应电机。但需要指出的是，电动飞行器的进展十年磨一剑，在1000 瓦特·时/千克的电池未问世之前。电动飞机也不会出现。
 
　　固态锂电池VS空气锂电池
 
　　电动飞机的发展得指望着电池技术，电池技术得要达到1000 瓦特·时/千克。那么，怎么做到呢？最可能的方法是推翻当前的新宠——锂空气电池。锂电池具有强能量密度，但是该技术太不成熟了，还需要几十年才能真正的商业应用。而固态锂电池也是个不错的选择，因为它不易燃，但是没法循环利用。也就是说固态锂电池每次充电和用尽都在耗损寿命。
 
　　而研究人员减少“无圈曲线”的进展，促使某些专家将目光转向其他形式的金属锂电池。无圈曲线会在电池反复充电和放电过程中形成，可能会导致短路，从而引起火灾。阿贡国家重点实验室的电池专家文卡特·斯里尼瓦桑(Venkat Srinivasan)这样预测道“五年之后，该技术一定会有大的进展。五年前我没这么乐观，但现在我非常相信锂—金属电池能够派上用场。”
 
　　一旦锂—金属电池的问题被解决，其他材料如氧和硫也就迎刃而解了。
 
　　锂—氧气电池困难最大，但卡耐基梅隆大学的Viswanathan和同事认为锂—氧电池是电动航空的最佳选择。Viswanathan称“锂空气电池，顾名思义。这个电池能够达到400 瓦·小时/千克的能量，能够飞行300到482千米，虽然不能够让人穿越海洋，但是足够好几个短途来回了。”
 
　　该电池的关键是氧气溶解在电池阳极和阴极的电解液中，能够维持充电和放电环境下电解液的稳定。除此以外，在放电过程中加进系统的氧气，在充电过程中会被回收再利用。而且目前许多飞行器上都配有了这种电池所需要的纯氧，利用起来很方便。
 
　　但理论和实际应用之间隔着鸿沟。该电池需要冷却，需要固定在一个盒子里，这些都拖了体重和体积的后腿。科学家们需要进一步改善和规模化。但还需要一段时间。
 
　　共同合作
 
　　但难题不仅仅是技术上的。电池技术研发小组分布在秘而不宣的公司企业和稍微公开点的各大高校。但各个研发小组之间并无合作。与更为开放的半导体业相比，电池技术产业之间缺乏社区努力。他们应当向半导体的产业生态学习。正在创新的科学家们也应当紧密联系起来。由市场引导，才能更快地发展。
 
　　电气化不仅仅用于汽车，也用于飞机。各种各样的技术会在某一个点上交汇贯通。自动驾驶技术，电动车，无人机技术和电动航空，这些技术彼此支持，共同发展的速度可能会超人意料。
那就静等2045年会发生什么吧！
(责任编辑：admin)
文章标签： 电动飞机 能量密度 空气锂电池
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