民用飞机新动力

报告于2003年出炉。

这项研究得出的结论是，液氢燃料发动机能效与煤油发动机效率相似，传统的涡扇发动机能够转换为使用液氢燃料运行，这一技术可在今后15～20年内得到应用。

尽管存在可观的前景，但对航空业来说，几大瓶颈也制约着氢动力飞机的推广。根据美国宾夕法尼亚州立大学的一项研究，大型商用氢动力飞机有望在2020年以前面世，但可能要到2040年才会投入使用。

要用氢气作为民用飞机的燃料，还有几道难关需要突破。首先是拥有更高“单位质量能量密度”这枚硬币的反面——相比航空煤油，液态氢的“单位体积能量密度”要低得多。这意味着液态氢的体积是能量相当的航空煤油的4倍，即飞机需要4倍大的“油箱”。根据研究，更大的外部表面积将使燃料消耗增加9%～14%，运营成本增加4%～5%。

这一燃料体积问题产生的连锁反应是，液氢燃料飞机无法像常规飞机那样将燃料储存在机翼。为了使表面积最小化并减少气化，液氢燃料只能储存在机身的某个位置，这会使机身的长度和直径大大增加，不仅拖累了飞机的性能，还带来了更大的表面摩擦阻力。

此外，液态氢必须保存在零下200多摄氏度的超低温环境中，否则就会气化，长时间制冷保存需要花费很大的代价。再加上生产液态氢的成本高，装液态氢的容器外壳重量大、体积大、内部结构复杂，以及液态氢容易爆炸等问题，在现有技术条件下都对航空业构成了很大的挑战。更重要的是，航空业在面临液态氢生产、储运、加注等问题的同时，还需要对现有的航空燃料后勤体系进行彻底改变。在解决这一系列问题之前，氢燃料还难以被大规模使用。

电动飞机

电动飞机使用电动力推进系统替代普通飞机的内燃机动力。按照电动力系统的不同，电动飞机可以分为蓄电池（目前主要是锂离子电池）、太阳能和燃料电池电动飞机三种。

节能环保、效率高、能耗低是电动飞机最突出的优点，接近零排放的环境友好特质使其成为真正的绿色飞机。参照如今在地面上发展得如火如荼的电动汽车，电动飞机概念一直备受瞩目。自1957年6月30日世界上首架电动模型飞机“无线电皇后”号在英国试飞成功后，世界各地关于电动飞机的研制一直在持续。

目前，在各类电动飞机中，锂电池电动飞机有望率先获得商业成功。斯洛文尼亚蝙蝠飞机公司（Pipistrel）的“电动金牛座”（TaurusElectro）、中国吴翔电能运动科技公司的E-430、辽宁通航研究院的“锐翔”以及空客公司的E-Fan等，都是各国研发的明星产品。

只可惜在短期内，人们恐怕还难以看到电动飞机在日常通用航空中扮演重要角色。

与超轻型飞机和滑翔机等不同，通用航空飞机和大飞机有更高的能源需求，目前的电池技术还远远无法满足。在众多需要克服的局限中，最主要的便是能量的存储问题。如何在整个飞行过程中保证电池拥有足够的能量，又或者是找到一个创新的办法，在飞行过程中持续给电池“充电”，才是潜在的解决之道。

同时，电池的寿命和置换成本也是问题。有国外研究机构指出，尽管一些电池的寿命预期能达到3000小时左右，但现实经验却表明它们的实际寿命会更短，而电池置换的成本也相对较高。

此外，充电时间也是一个问题，要为一架配有Rotax912S发动机的飞机加上139公升的航空燃油，只需要几分钟，但为锂聚合物电池充满能量需要的时间就长得多。如果想飞得更远、更久，那么一个备用电池也是必不可少的。

更麻烦的是，锂离子蓄电池活性较高，在大电流充放电的时候，如果温度控制出现问题，很容易引发电池爆炸事故。这对于商业航空运输来说，是绝对不能冒的风险。

那么，号称最清洁的太阳能电动飞机又如何呢？以最新的明星太阳能飞机“阳光动力2号”为例，可以看出太阳能电动飞机发展面临的一些困难。

“阳光动力2号”是一架单座飞机，驾驶舱只有3.8平方米，飞机重量只有约2.3吨，但翼展达到72米，机翼上有超过1.7万块太阳能电池板。为满足昼夜飞行的需求，发动机吊舱中还安装了重达633公斤的锂聚合物电池。锂聚合物电池作为电能存储装置，昼间飞行时将太阳能电池阵列的富余电能储存起来，夜间飞行时为电机供电。

“阳光动力2号”今年3月从阿布扎比出发，计划跨越太平洋、大西洋，途径12个降落站点，最后返回出发地，完成环球飞行。中国重庆和南京分别成为“阳光动力2号”的第五站和第六站。令人关注的是，仅仅是在中国段的飞行旅程中，“阳光动力2号”就因“天公不作美”不得不多次调整飞行计划。时刻看老天爷脸色的“阳光动力2号”，先后被曝推迟抵达重庆、滞留南京、迫降日本、副翼损坏等坏消息。

事实上，大面积机翼的气动弹性问题、昼夜连续飞行的能量储存瓶颈、电动力推进系统能量利用率过低，以及天气和环境适应能力不强等，都是目前太阳能电动飞机发展过程中需要进一步攻克的难题。

除了蓄电池和太阳能外，电动飞机的动力来源还可以依靠燃料电池技术，包括使用氢气作为燃料的质子交换膜燃料电池和碱性燃料电池等。质子交换膜燃料电池目前比较成熟，能量密度可以达到690瓦时/千克，约为锂离子蓄电池能量密度的5倍，而且可以直接使用空气中的氧气作为氧化剂，在飞机上只需携带氢气、甲醇等常规燃料，也易于补充，可以有效满足商业航空运输的一般要求。

2012年7月30日12时，中国第一架全碳纤维复合材料结构、氢燃料电池动力无人试验机“雷鸟”（LN60F）在沈阳成功试飞，其中的质子交换膜燃料电池动力能源系统在飞行过程中工作稳定。这架氢燃料电池动力飞机的成功试飞，是继2009年采用质子交换膜燃料电池作为飞艇主动力之后，中国研制的燃料电池再次在航空器能源系统中得到验证。

但正如前述分析提到的，氢气的储存运输仍然是一大难题，这也制约着燃料电池技术的进一步应用。此外，硼氢化物燃料电池也是一种适用的燃料电池，能量密度高达950瓦时/千克，比质子交换膜燃料电池还要高出37%，是锂离子蓄电池的6倍多。硼氢化钠不易燃烧，储运安全性也好，是未来电动飞机动力来源的有力竞争者。但问题在于，硼氢化钠的价格太高，远远超过了商业航空运输的底线，目前只局限在宇航工业领域。

需要看到，尽管电动飞机的研制已经取得了显著成效，但锂电池较低的能量密度以及太阳能电池转化率等问题，依然将这些解决方案限制在超轻型飞机和滑翔机类型中。要满足通用航空和大飞机更高的能源需求，目前的电动技术还需要进一步提高。考虑到目前混合动力驱动的应用不断在汽车领域推广，我们或许可以寄望于其同样适用于航空领域。

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