未來誰將可能引領通用飛機技術(shù)的革命性發(fā)展？在環(huán)境友好、高效節(jié)能、結(jié)構(gòu)簡化方面，電動飛機或許是最好的答案。最近十多年，各類電動飛機研制進展迅速，小型鋰電池電動無人機已被廣泛使用，商品化有人鋰電池飛機正在開發(fā)中，有人太陽能電動飛機已經(jīng)開始分階段環(huán)球飛行。本文將主要介紹取得突破性進展的鋰電池和太陽能兩種電動飛機。
電動飛機是指采用電動力系統(tǒng)、以電能作為推進能源的飛機。由于使用電動力系統(tǒng)代替內(nèi)燃機動力，因此該類飛機獨具很多優(yōu)點——其中最突出的是節(jié)能環(huán)保和高效率，電動飛機可以實現(xiàn)接近零排放，是名符其實的環(huán)境友好飛機。電動飛機還具有安全可靠（不會發(fā)生爆炸和燃料泄漏）、結(jié)構(gòu)簡單、操作和維修簡便等特點，此外在設計和使用中也有很多優(yōu)勢：設計上總體布局靈活，可采用最佳布局和非常規(guī)創(chuàng)新布局；使用中噪聲和振動水平較低，乘坐舒適。一些具有超常性能的電動飛機，還可以滿足特殊用途飛行的需求。
純電動飛機根據(jù)其電動力系統(tǒng)的不同，可以分為太陽能、蓄電池（目前主要是鋰離子電池）和燃料電池電動飛機三種。每種類型的電動飛機又可分為有人駕駛和無人駕駛兩類。目前，有人駕駛鋰電池飛機應用較廣，主要用作私人飛機和娛樂飛行，在性能提高后也被用作飛行培訓和商務旅行等用途。
鋰電池電動飛機
電動飛機真正的發(fā)展始于上世紀70年代，過去十年中，有多達20～30項鋰電池電動飛機技術(shù)研究和驗證機項目試驗成功。目前，鋰電池電動飛機處于技術(shù)研究驗證向商業(yè)化機型開發(fā)的過渡階段，在各類電動飛機中，鋰電池電動飛機有望最先取得商業(yè)成功，未來可能成為實用化電動飛機的主流機型。
斯洛文尼亞蝙蝠飛機公司的“ 電動金牛座”
鋰電池電動飛機由初期簡單的動力傘或超輕型動力滑翔機發(fā)展而來，演變成了兩座輕型運動飛機。使用電動力后，飛機的飛行性能有了大幅提高，續(xù)航時間從數(shù)十分鐘提高到了2小時以上，航程增大并且速度也有所提升，基本能滿足娛樂飛行等一般使用要求。目前驗證成功并正在開發(fā)的商品型鋰電池電動飛機項目有斯洛文尼亞蝙蝠飛機公司（Pipistrel）的“電動金牛座”（Taurus Electro）、中國昊翔電能運動科技公司的E-430、E-Spyder和遼寧通航研究院的“銳翔”以及空客集團的E-Fan。
“電動金牛座”
斯洛文尼亞蝙蝠飛機公司研制的“電動金牛座”并列雙座電動力滑翔機，氣動性能優(yōu)異，滑翔比達41∶1。機體采用全復合材料結(jié)構(gòu)，裝備有可收放動力裝置系統(tǒng)以及整機降落傘系統(tǒng)，其鋰聚合物電池布置在駕駛艙后面的動力艙內(nèi)。飛機的基本技術(shù)數(shù)據(jù)：翼展14.97米，機長7.27米，機高1.41米；最大起飛重量450千克，空重322千克；最大飛行高度2000米，在特定高度飛行時其使用成本僅為0.7美元/小時。
E-430和E-Spyder
中國昊翔依靠其母公司在世界級模型飛機和相關(guān)領域的設計生產(chǎn)優(yōu)勢，聘請了德國和意大利專家并與斯圖加特大學展開合作，于2005年左右開始開發(fā)電動力飛機。作為昊翔公司最具代表性的產(chǎn)品，E-430在2010年初實現(xiàn)首次載客飛行后，被稱為世界上第一款商業(yè)化生產(chǎn)的電動飛機，從而成為開創(chuàng)電動力飛行時代的先鋒機型之一。E-430贏得電動飛機領域的數(shù)項國際科技大獎，例如布里特保險設計博物館獎和美國EAA 最佳電動力飛機獎等。
中國昊翔的E-430
E-430采用近似動力滑翔機的外形設計，高度流線形低阻機身使飛行能耗降到最低。機頭安裝的動力系統(tǒng)主要包括電動機和三葉復合材料螺旋槳。機翼為獨特的V形尾翼和懸臂式上單翼，翼型和機翼形狀的設計具有高氣動性能，全機滑翔比達到25∶1。起落架為典型板簧式結(jié)構(gòu)，整機采用全復合材料，具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高、重量輕等優(yōu)點。E-430飛機飛行不消耗燃油，因此幾乎不產(chǎn)生任何污染。螺旋槳驅(qū)動電機上僅有2個運動部件（軸承），因此可靠性和維修性非常好，優(yōu)化設計后的螺旋槳使得飛機噪聲低、振動輕，維修保障的工作量也很小。飛機的經(jīng)濟性突出，例如充電時間3小時的費用僅為5美元。E-430飛行時間可達到1.5～3小時（根據(jù)構(gòu)型變化而不同），基本能滿足用戶的航程要求。目前，飛機已通過了德國適航認證，為了進一步促進其在國際市場上的銷售，昊翔公司積極與美國聯(lián)邦航空局（FAA）和美國試驗和材料協(xié)會（ASTM）合作，推動兩者出臺電動力輕型運動飛機的適航標準。
E-430飛機基本技術(shù)數(shù)據(jù)：座位數(shù)為2座，翼展13.8米，機長6.98米，機高2.65米；空重171.5千克 /255千克（包括蓄電池），標準起飛重量430千克；最大平飛速度150千米/小時，巡航速度95千米/小時，滑翔比24∶1；標準續(xù)航時間2小時（1個蓄電池組），最大續(xù)航時間3小時（2個蓄電池組）。
此外，昊翔公司與飛行之星公司（Flightstar）合作，開發(fā)了超輕型飛機的電動力改型——E-Spyder單座鋰電池電動飛機。其動力裝置為一臺20千瓦的電機和兩個蓄電池組，代替了原來的兩沖程活塞發(fā)動機，飛機具有40分鐘的續(xù)航時間，于2009年7月在美國EAA進行了展示。
“銳翔”
遼寧通用航空研究院一直以電動飛機技術(shù)為研究重點，約從2011年開始研制“銳翔”（RX-1E）鋰電池電動飛機?！颁J翔”是國內(nèi)第一個正式申請型號合格審定的電動輕型運動飛機。2012年11月，首架樣機在珠海航展上展示，2013年原型機成功首飛?！颁J翔”雙座電動輕型飛機采用高效氣動外形設計，具有良好的升阻特性，機翼設計為大展弦比上單翼，層流翼型，T形尾翼。起落架為固定前三點式，機體為全復合材料，采用碳纖維面板和泡沫夾芯結(jié)構(gòu)，動力裝置為一臺SinetonA37k154稀土永磁同步電機。
飛機基本技術(shù)數(shù)據(jù)：翼展14.5米，機長6.6米，最大起飛重量 480千克，最大巡航速度150千米/小時，設計航程148千米，實用升限1600米，續(xù)航時間40分鐘。
中國昊翔的E-Spyder
E-Fan
空客集團公司（原EADS）高度重視電動飛機和電力推進系統(tǒng)的前沿航空技術(shù)，開展了大量創(chuàng)新研究，其中在電動飛機和未來概念飛機研制領域最重要的項目是E-Fan鋰電池電動飛機。
空客的E-fan
E-Fan飛機項目在2011年巴黎航展上發(fā)起，作為空客創(chuàng)新工廠與其他公司合作的首款四發(fā)全電動飛機Cri-Cri的延續(xù)，空客對E-Fan項目總體負責，并負責管理能源的系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理，其他工作由多家合作伙伴承擔。E-Fan飛機的研制創(chuàng)造了最短研發(fā)時間紀錄，其設計從2011年末開始，2012年10月完成技術(shù)驗證機的設計評審，2013年展示驗證機樣機，2014年4月空客創(chuàng)新工廠展示E-Fan電動飛機并發(fā)布E-Fan 2.0和4.0生產(chǎn)型發(fā)展計劃。2014年E-FAN首飛并參加了7月份的范堡羅航展。
E-Fan是全新概念的電動飛機，也是第一款專門設計的電動教練機。目前世界上幾乎所有電動飛機均使用已有的常規(guī)動力飛機進行改裝，而E-Fan從一開始就專門針對電力推進系統(tǒng)進行氣動力設計。E-Fan采用串列雙座中單翼布局，以及獨特的后機身兩側(cè)布置涵道風扇發(fā)動機設計。大展弦比機翼具有復雜外形,可獲得高氣動性能。由于動力裝置安裝在機身的中線附近，因此具有較好的單發(fā)飛行操縱性。能量管理系統(tǒng)能夠自動操作全部電氣系統(tǒng)部件，從而簡化了系統(tǒng)的監(jiān)測和控制，降低了飛行員的工作負荷，使駕駛飛機的飛行教員和學員能夠集中精力于培訓任務。E-FAN全機采用先進全復合材料結(jié)構(gòu)，另外，它的起落架系統(tǒng)也做了重要創(chuàng)新，能夠減少日常使用中的能量消耗。
E-Fan的續(xù)航時間為45分鐘至1小時，其鋰電池可在1小時內(nèi)完成充電，也可通過快速系統(tǒng)更換。兩座的E-Fan飛機適用于執(zhí)行基礎飛行訓練、滑翔牽引以及特技飛行任務，可以完成1小時飛行訓練或30分鐘特技飛行。E-Fan還可以大幅降低飛行員的培訓成本，其每小時飛行成本僅為2歐元左右，而傳統(tǒng)的教練機每小時燃油成本為36～46歐元。
E-Fan的系列化發(fā)展機型E-Fan 2.0和4.0進行了多項重大更改，除去發(fā)動機的基本設計外幾乎均是全新設計。E-Fan 2.0為并列雙座教練機，采用全電動力系統(tǒng)，使用鋰電池電源；E-Fan 4.0是2.0的加長四座型飛機，采用混合動力系統(tǒng)，增加一臺內(nèi)燃機，利用內(nèi)燃機發(fā)電機系統(tǒng)給鋰電池組供電，從而增大續(xù)航時間。E-Fan 4.0主要面向私人飛機用戶和通航俱樂部用戶，也可用作教練機。空客和合作伙伴計劃使E-Fan 系列化飛機2017年底開始服役，屆時將成為世界第一款按照國際適航標準設計并實現(xiàn)批量生產(chǎn)的全電動飛機。
太陽能電動飛機
太陽能電動飛機是以太陽輻射作為推進能源的飛機，動力裝置一般由太陽能電池組、直流電動機、減速器、螺旋槳和控制裝置組成。為了能鋪設眾多的太陽能電池來獲得足夠飛行能量，太陽能飛機的機翼面積都比較大。目前世界上最引人注目的有人太陽能電動飛機項目是美國太陽能飛行公司（Solar Flight Inc.）的“尋日器（Sunseeker）”系列和瑞士的“陽光動力（Solar Impulse）”，這兩種太陽能飛機均使用了各種先進技術(shù)，技術(shù)水平和飛機性能都達到了新的高度。
“尋日器”Ⅱ和“尋日器”DUO
太陽能飛行公司2000年在對“尋日器”飛機改進的基礎上發(fā)展出“尋日器”Ⅱ飛機。“尋日器”Ⅱ的機翼進行了全新設計，更改了平面形狀并增大面積以安裝更多的新一代太陽電池，此外還采用了新的高效率太陽電池連接技術(shù)。其駕駛艙的設計能夠減輕長時間飛行疲勞，并配有氧氣系統(tǒng)以有利于高空飛行。其蓄電池在飛機起飛和爬升階段提供輔助動力，電能可保證飛機飛到1000米高度。蓄電池接通后電量在15分鐘內(nèi)會被消耗光，但約90分鐘內(nèi)可再次充滿電。使用太陽能時，飛機的速度能夠達到64千米/小時，使用蓄電池時，速度高到可以進行娛樂飛行，低到可以打開座艙蓋飛行。
“尋日器”Ⅱ的飛行方式類似于階梯漸進式。首先，使用太陽能電池和蓄電池爬升至2000米高度，之后僅依靠太陽能便能保持平飛，此時電機可以關(guān)閉并使用太陽電池為蓄電池充電，不到2小時蓄電池充滿電后飛機可以向另一個2000米高度爬升。在夏季通過這種方式飛機可以上升到6212米高度，中午時分飛機平飛可以到達4～5小時。遇到云層時，使用蓄電池電能可驅(qū)動飛機爬升到云層之上，這樣就能避開惡劣天氣，在氣流平穩(wěn)、太陽光充足的高空飛行。
“尋日器”Ⅱ飛機自2002年進行首次展示以來，已經(jīng)飛行60多次，據(jù)稱多于任何其他太陽能飛機的飛行次數(shù)。2009年4月，“尋日器”Ⅱ飛機在德國通用航空展上展出，榮獲“E-flight”獎。 同年，還實現(xiàn)了太陽能有人駕駛電動力飛機首次飛越阿爾卑斯山，并創(chuàng)造了6214米的最大飛行高度紀錄，“尋日器”Ⅱ飛機也因此獲得當年的世界飛行大會（Air Games）試驗類飛機最高榮譽獎。2010年6到7月，“尋日器”Ⅱ飛機進行了橫跨歐洲飛行，展現(xiàn)了飛機的良好使用性能，標志著有人駕駛太陽能電動飛機向?qū)嵱没诌~進了一步。
“尋日器”DUO是“尋日器”Ⅱ的延伸型號，是世界第一款雙座有人駕駛太陽能電動飛機，2009年開始研制，2013年12月實現(xiàn)首飛，2014年5月首次完成載客飛行。目前“尋日器”DUO飛機正在進行一系列飛行實驗，預期將實現(xiàn)連續(xù)飛行12小時。
“陽光動力”
“陽光動力”項目由瑞士神經(jīng)學醫(yī)生、探險家伯特蘭?皮卡德（Bertrand Piccard）發(fā)起，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院（EPFL）等多家研究機構(gòu)提供技術(shù)支持，是世界上第一款具有晝夜連續(xù)飛行能力的有人駕駛太陽能飛機。為了宣傳節(jié)能環(huán)保，推動可再生能源的開發(fā)和利用，“陽光動力”飛機進行了多項歷史性創(chuàng)紀錄飛行，并將實現(xiàn)橫跨美國大陸和跨大西洋、太平洋的分階段環(huán)球飛行。
“陽光動力”項目正式命名于2003年下半年，此后伯特蘭?皮卡德成立了陽光動力公司開展飛機的研制工作。2003年底環(huán)球飛行太陽能飛機的初步方案出臺，“陽光動力”飛機項目正式發(fā)起，伯特蘭作為項目總負責人，領導飛機研制、尋找合作伙伴、募集資金等工作。工程師、飛行員和管理專家安德烈?博爾施博格（Andre Borschberg）擔任CEO，負責搭建技術(shù)團隊和監(jiān)督飛機制造。兩人同時還是“陽光動力”飛機的試飛員和駕駛員。“陽光動力”飛機研制團隊集合了歐洲眾多技術(shù)資源，團隊成員均為航空技術(shù)領域相關(guān)專業(yè)的專家，有著卓越的才能和合作精神，此外，還得到了100多位專家顧問和數(shù)家國際知名企業(yè)和機構(gòu)的鼎力支持。
美國太陽能飛行公司 “尋日器”
“陽光動力”號飛機共有兩架，分別為用于驗證晝夜連續(xù)飛行技術(shù)的單座型技術(shù)驗證機——“陽光動力”1號和雙座型創(chuàng)紀錄飛行飛機——“陽光動力”2號?！瓣柟鈩恿Α?號于2009年年中完成制造并進行首次地面高速滑跑試驗；2010年實現(xiàn)首飛并完成了晝夜連續(xù)飛行26小時等飛行驗證試驗；2012年年中實現(xiàn)了橫跨歐洲和非洲總航程6000千米的飛行；2013年中，實現(xiàn)分段橫跨美國大陸的飛行?！瓣柟鈩恿Α?號于2013年完成制造，2014年6月成功首飛，繼續(xù)進行一系列后續(xù)試驗后，預計將于2015年開始分階段環(huán)球飛行。
“陽光動力”1號的飛行是晝夜連續(xù)式的。鋰聚合物電池作為電能存儲裝置，晝間飛行時將太陽能電池陣列的富余電能儲存起來，夜間飛行時為電機供電。由于蓄電池存儲的電能有限，還采用了電能轉(zhuǎn)化成勢能的方式，即白天利用富余電能推動飛機爬升到較高高度，夜間飛行時，逐步降低飛行高度，將勢能轉(zhuǎn)化成動能，使飛機保持空中飛行。
2004-2006年是“陽光動力”1號飛機研制的概念發(fā)展階段，設計方案在此期間定型，最初的方案主要包括雙發(fā)布局、卵形駕駛艙四發(fā)布局和一體式機身四發(fā)布局三種，經(jīng)過多次調(diào)整和優(yōu)化后，最終確定了一體式機身外形和布局。2007年，開始進行詳細設計和原型機試制，陸續(xù)研制出了各種結(jié)構(gòu)工程試驗件、飛機系統(tǒng)設備和地面飛行模擬器，并進行了大量的試驗和測試，包括結(jié)構(gòu)強度檢測、動力系統(tǒng)（電機-螺旋槳、鋰-聚合物電池、控制系統(tǒng)、吊艙結(jié)構(gòu)等）試驗，以及全機振動試驗等。
“陽光動力”1號橫跨美國飛行
“陽光動力”飛機的設計和制造面臨了前所未有的技術(shù)挑戰(zhàn)，為此，研發(fā)團隊首先研制出了一架單座型技術(shù)驗證飛機進行全面的技術(shù)驗證，特別是夜間飛行技術(shù)的驗證。飛機夜間飛行時為了避開航線上的云層區(qū)域，需要選用曲折蜿蜒的飛行路線，因此飛行方式更為復雜。2005年到2008年間，驗證機在真實氣象狀況下進行多次模擬飛行，用于評估其整個夜間的飛行能力?！瓣柟鈩恿Α?號技術(shù)驗證原型機，用于實現(xiàn)36小時空中連續(xù)飛行，采用了非增壓座艙設計，2009年年中完成制造，2010年4月實現(xiàn)首次高高度飛行，飛機憑借蓄電池電能飛到了1200米高度，飛行時間87分鐘。同年5月，首次完全使用太陽能電池動力飛行，飛行過程中太陽能電池還向蓄電池充電，此后，在進行26小時連續(xù)飛行實驗時首次實現(xiàn)晝夜太陽能循環(huán)。
“陽光動力”1號飛機的研制和試驗花費了近百名專家7年的時間，期間，獲得了大量寶貴的創(chuàng)新經(jīng)驗，從最初的概念構(gòu)想到各項任務的順利完成，均實現(xiàn)了巨大技術(shù)進步。在此之后，研發(fā)團隊又開發(fā)出了雙座型“陽光動力”2號，用于執(zhí)行超長續(xù)航時間飛行任務，包括橫跨美洲大陸和大西洋，以及分段環(huán)球飛行。
“陽光動力”2號可實現(xiàn)環(huán)球飛行，其主要特點是尺寸加大，使用增壓座艙和更先進的航電系統(tǒng)。2013年制造完成，計劃2015年分階段完成環(huán)球飛行。
“陽光動力”2號的設計目標是能夠?qū)崿F(xiàn)5晝夜連續(xù)飛行，因此相對于“陽光動力”1號進行了大量設計變動，機翼及動力艙布局全面更改，起落架、駕駛艙和機身也大幅度改進。“陽光動力”2號全機重量2300千克，整機結(jié)構(gòu)重量效率達到普通滑翔機的十倍，并且內(nèi)部有足夠大的空間。其機身為全碳纖維復合材料加蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)，所用碳纖維薄板材料密度只有普通打印紙的1/3。機翼上表面蒙皮內(nèi)封裝太陽能電池板，下表面采用高強度柔性蒙皮。機翼具有良好的剛度和氣動外形，翼展72米，超過波音747大型客機。鋰電池系統(tǒng)使用高密度泡沫絕緣體包覆，安裝在四個動力艙內(nèi)。再加上單晶硅太陽能電池，電池總重約為全機重量的四分之一。四臺電機安裝在翼下動力艙內(nèi)，通過減速器驅(qū)動雙葉螺旋槳。整個系統(tǒng)效率94%，達到創(chuàng)紀錄的水平。
“陽光動力”2號的飛行速度范圍為36～140 千米/小時，與小汽車大致相當。為了存儲能量，飛機在晝間爬升到8500米高度，夜間下降到1500米高度。全機24小時飛行平均功率為15馬力，與一輛摩托車相當。駕駛艙的設計保證單人連續(xù)飛行5～6個晝夜，能夠適應外界環(huán)境-40°C～40° C的溫度范圍。駕駛艙容積3.8立方米，可載有氧氣瓶組、降落傘、救生筏，以及一周的飲食供應等。
研制“陽光動力”飛機面臨極大的技術(shù)挑戰(zhàn)，許多技術(shù)難題是世界航空歷史上前所未有的。研制團隊憑借開拓創(chuàng)新、探索未知領域的精神，超越技術(shù)極限，獨辟蹊徑創(chuàng)造性地找到最佳解決方案，使飛機研制一步一步走向成功。
“陽光動力”項目歷時12年，預算9800萬美元，完成的工作包括：可行性研究、方案研究、設計和構(gòu)件制造、2架飛機（1架單座驗證機和1架雙座創(chuàng)紀錄飛行飛機）制造等。負責和參與項目的共有50名工程師和技術(shù)人員，80家合作伙伴，100多家顧問和供應商。瑞士聯(lián)邦技術(shù)學院作為官方科學顧問，提供了各種研發(fā)能力極為強大的尖端實驗室。此外，歐洲航天局（SEA）、達索飛機公司和國際航空運輸協(xié)會也提供了技術(shù)支持。由于在開發(fā)“陽光動力”太陽能飛機方面的杰出貢獻，特蘭?皮卡德和安德烈?博爾施博格以及整個飛機研制創(chuàng)新團隊都贏得了國際社會授予的高度榮譽。2009年，伯特蘭和安德烈被授予布倫瑞克獎（Brunswick Prize），該獎用于表彰對經(jīng)濟和社會做出杰出貢獻的科學家。2010年1月，職業(yè)航空和航天記者協(xié)會授予了他們伊卡洛斯獎（Icarus Award）。
期待“陽光動力”2號完成環(huán)球飛行的創(chuàng)舉，推動太陽能電動飛機技術(shù)達到更高的高度！
