飛機也要純電化？NASA純電動飛機最新消息曝光！

純電動汽車已經不是什麼新奇產物了 但是如果是純電動飛機呢 NASA曾在推特上公佈過一款純電動飛機 X-57 Maxwell 那麼這款純電動飛機性能究竟如何 它又有什麼軍用價值 彆着急咱們接着往下看 目前航空領域的性能最優的渦扇發動機 燃油效率是在40%左右 很難再進一步提升了 而且呢 以傳統航空燃油爲動力的飛機 在減排降噪上可以挖掘的潛力也非常有限了 因此進入到本世界以來各國爲了尋求突破傳統航空領域 開始尋求新的解決方案 NASA作爲全球範圍航空技術最先進的機構 他們認爲 電推進技術是非常有潛力的動力解決方案之一 並開展了多項研究 包括採取純電混合電推進技術的多款飛機項目 燃料電池概念探索電推進技術驗證的實驗設施的建設等等 那麼其中的混合電推領域NASA先後提出了5種概念 分別是2008年的N3-X 2016年的Starsail ABL單通道渦輪電動飛機 和Sceptre可拓展收斂電力技術驗證機 2017年的並聯電燃氣結構支線客機概念 2019年的Stark LED 前沿嵌入式分佈單通道渦輪電飛機 這5種不同概念中的 N3-X採用了生物燃料轉爲電能 驅動位於後部的一排較小的風扇 從而減輕飛機重量和燃料消耗 單通道渦輪電動飛機比較像豐田的增程式混合動力 飛機尾部增加了電力寒道風扇 可以節省10%的燃料消耗 並聯電燃氣結構支線客機更像是插電式混合動力汽車 這種方案是直接在飛機內部增加了一套動力系統 使用電池驅動電機 電機與渦扇發動機將動力輸出到同一個軸上 從而節省了渦扇發動機燃燒式的燃料消耗 由於電力本身是來自電池的充電 不需要渦扇發動機進行發電 所以可以實現更高的燃料節約 前緣嵌入式分佈單通道渦輪電飛機 則是對上述兩種方案進行研究和分析 確定與常規結構相比 嵌入式方法是否具有結構質量優勢 至於跳過的可拓展收斂電力技術驗證機 各位可以將它理解爲 有動能回收的純電動汽車 從上述五種方案來看很明顯 最後介紹的SCEPTO 結構較爲簡單 再加上 輕而可靠的電機和電機控制器 技術日益成熟 因此這個方案的研發進度是要比其他四種更快 得益於這種優勢 我們本期視頻的主角 X57 Maxwell才得以誕生 那麼這款飛機性能如何呢 2016年NASA在驗證過SCEPTO項目的可行性後 決定開始製造驗證機 值得注意的是當時NASA並沒有選擇自主開發X57機身 而是在意大利的TICNAM公司P2006T的基礎上直接改裝的 那麼整個計劃分爲四個階段 第一階段 實驗P2006T飛機的基本性能 並對分佈式電推進系統的機翼進行地面驗證 第二階段 P2006T飛機結構 採用驗證電力系統和定製巡航電動機進行改裝 對電動機電池以及其他相關設備的性能進行實驗 第三階段採用較薄的大展顯比複合材料機翼 替換掉P2006T的原始機翼 巡航電動機 移動至翼肩位置 同時在左右機翼前緣各安裝6個升力電動機短艙 實驗新型機翼及翼肩推進方案的減阻效果 第四個階段在12個升力電動機短艙上安裝電動機和螺旋槳 實驗飛機的低速性能 以及分佈式電推進系統的升力效果 2017年首架S-Capital驗證機 X-57Maxwell順利誕生 整個飛機共包括了兩臺60千瓦大功率的巡航電動機和12臺 9000瓦小功率升力電動機 從NASA公佈的照片中我們可以看到 兩臺巡航電機分別位於左右機翼翼肩 通過驅動兩個直徑1.52米的大型螺旋槳 爲處於巡航階段的飛機提供動力 是X-57的主要動力裝置 可以用於回收或減少機翼渦流能量 在巡航時降低阻力 12臺升力電機則位於左右機翼前緣 每側機翼上沿翼展分別安裝6臺 通過驅動自帶的12個螺旋槳 增加飛機起降階段的升力 另外根據NASA的技術人員描述 機翼前緣12個小螺旋槳工作時 與兩個主螺旋槳轉動方向相反 減少阻力的同時 回收翼肩周圍自然形成的渦流能量 因此提高了飛機的螺旋槳性能 與內燃機相比X-57的高速巡航效率整整提高了500% 每個小時的能量消耗從45%降低到了9% 而這一切都是由艙內的兩組181公斤的 鋰離子電池組供電 另外根據研究結果表明X-57對於特定的優化任務 電池組能量傳遞到軸的平均效率爲77.3% 考慮到25%的電池容量在任務期間 有接近一半的電池組能量可以轉化爲有用功 有些朋友可能聽到這沒有什麼概念啊 舉例來說目前電動汽車的動能回收效率一般在15%到30% 而這個動能回收效率其實就是額外的續航里程 也就是說X-57在特定任務期間的航程可以增加一半 這對於飛機來說效果非常可觀 除了測試新技術外X-57用於測試降低飛機噪音和燃料排放 目前這款採用純電推進技術的驗證機已經取得了很大進展 並且NASA還展示了最終的結構準備試飛 那麼說了這麼多X-57在軍事領域有什麼作用呢 首先可以確定的是電驅動是未來武器裝備的一個趨勢 也是飛機發展的一個趨勢 畢竟電驅動的好處太多了 例如有利於能源管理可以高效地把電力分配給最需要的組件 這使得裝備在不影響控制的情況下 能安裝更強大的雷達 爲定向能武器留下餘地 不過提起純電動飛機那就避不開純電動飛機和多電飛機 純電飛機從廣義上講指的是飛機控制系統與機載系統所需功率 不再從發動機引氣 全部由機載中央供電系統提供的飛機 並且還取消了液壓和氣壓系統等二次能源系統 從狹義上講的純電動飛機則是指完全依靠某種電池 使用電力飛行 不再採用傳統的燃氣發動機作爲動力 例如燃料電池太陽能電池等等 提供電力驅動的飛機 至於多電飛機我們可以將它看作是實現純電飛機的中間產物 這種飛機主要是依靠電力飛行 不排除使用部分其他能源 根據公開資料顯示F35戰機空客A380波音787這類都屬於 多電飛機 但是就目前來講的廣義上的純電飛機 也包括了類似美軍的朱姆沃爾特級驅逐艦採用的方式 也就是通過發動機帶動發電機產生電力 然後用電力驅動代替液壓驅動氣壓驅動機械驅動 由此我們也能看出X57與朱姆沃爾特級不同的是 它使用電池提供電力驅動飛機飛行 而不是用燃氣輪機驅動發電機提供電力 是一款徹底的純電動飛機 當然了受限於目前電池技術的發展 X57功率方面 對比朱姆沃爾特就要小了很多 目前純電技術 多見於小型旋翼無人機 例如2018年歐洲導彈集團曾公佈過一款名爲幽靈的無人機 這是一種輕旋轉翼設計的電動垂直起降無人機 根據MBDA公佈的數據 幽靈的巡航速度爲每小時180公里 巡航高度100米 作戰半徑超過10公里 飛行續航時間超過60分鐘 而類似X57這樣的純電動固定翼飛機 還是近幾年剛剛興起的 所以可以肯定的是這一定是未來軍用飛機的一個方向 電動飛機使用電動推進系統代替內燃機動力 獲得了很多優點和獨特品質 最突出的優點是節能環保 效率高能耗低 飛行過程中沒有碳排放更加綠色環保 減少對燃油的依賴 降低飛機的使用成本 大幅減少了飛機重量降低了飛機的複雜性 提高可靠性和可維修性 同時噪聲和振動水平很低 更加有利於飛機的引伸性能的提升 此外能源轉換效率高 目前的飛機使用燃油 能源轉換效率低 而電池則會大幅提升效能比 並且採用電作爲動力 安全性上也比較可靠 不會發生爆炸和燃料泄漏的風險 同樣在設計上也有很多優勢 例如總體佈局可以更加靈活 能採用最佳佈局和非常規創新佈局 設計出具有超常性能的飛機 滿足特殊用途需求等等 例如X57屬於一款輕型飛機 就可以作爲教練機運動飛機私人飛機來使用 那麼看到這裏可能有朋友關心 有人戰機上難道沒有類似的研製計劃嗎 其實受限於目前電池技術的發展 各國都沒有公開披露過 要研製純電動式電動戰機的計劃 這一點呢是制約純電動飛機發展的關鍵因素之一 有些朋友可能知道 電池性能容易受到溫度影響非常大 飛機飛行在高空環境溫度又比較低 這就很容易造成電力不足和續航下降的問題 其次電動推進 系統實用性安全性和可靠性也有待提高 目前各類電池的能量密度比較低 如果想提供足夠的電力 那麼重量體積就會非常大 僅能滿足電動飛機的 最低使用要求 因此電動推進系統重量過大也是電動飛機設計的最大難題 對於氫燃料電池電動飛機而言還有燃料電池以及氫燃料儲存系統 佈局和設計等問題不容易解決 儘管目前一些氫燃料電池技術驗證機已經取得成功 但是有人駕駛氫燃料電池電動飛機 還有很多方面需要發展完善 離實用也還有一段距離 同時電動推進系統關鍵部件開發成本也很高 所以經濟因素也制約着電動飛機的發展 關於運營成本的問題這裏呢咱們可以參考一組數據 電池與燃油的功率密度相差約50倍 簡單來說一升的油只可以發大約7度電 大賓個人感覺電池技術至少需要一次類似鋰電池 和鎳氫 鉛酸電池的革命性提升 以後纔會是電動時代 但是目前將傳統機械驅動的部件 逐步更換爲電機驅動的部件已經成爲各國武器裝備研製的一個方向了 例如英國曾經提出要研製電動坦克 所以未來武器裝備的電動化應該是各國發展的大方向 特別是在無人領域 目前的多款輕型低速的無人裝備上純電技術已經得到了廣泛的應用 可以預見的是一旦電池技術得到進步 那麼使用電池驅動的純電動飛機 很大概率會成爲第三航空時代的重要標誌 畢竟電動飛機類似於電動汽車 整體結構相對簡單 除了電池外其他方面的技術也不存在太大的門檻 而電動飛機的靈活性也不言而喻 大家經常看到某架飛機需要被降的時候 要在高空中放油多少噸 這是因爲要減輕飛機落地時的重量 而電動飛機則沒有這個問題了 因爲電池在滿電和虧電的時候重量是不會有變化的 所以未來無論是有人還是無人固定翼飛機 都可以在一些領域採用純電動技術 好了本期視頻到這裏就結束了 我是大斌 我們下期視頻再見