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燃料电池技术助载人电动直升飞机成为现实

http://cn.newmaker.com 8/17/2010 10:41:00 PM 佳工机电网

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展厅 8	航空与航天设备展厅直升机, 无人机, 航空发动机, 航空材料, 飞机座椅, ...

尽管只能飞行15分钟，但仍然是一次突破。通过对其所用电池加以改进后，载人电动直升飞机终于成为现实。德国(PC-Aero)、法国(EADS)、意大利(SkySpark)、中国(Luneec)和美国(Sonex)相续发表了有关完全电气化的固定翼机(注：固定翼机在中文通常简称飞机，指机翼固定于机身且不会相对机身运动，靠空气对机翼的作用力而产生升力的航空器，这样定义是为了与滑翔机和旋翼机有所区别)的宣告，而Solar Impulse更是在完全由太阳能供电的情况下完成了具有重大历史意义、长达24个小时的飞行。Solar Impulse采用Airbus的机翼(长度超过200英尺)，机内搭载了11,628块太阳能电池，用于对飞机内的4个发动机进行供电。

近年来，已出现了全部电气化的辅助式滑翔机和悬挂式滑翔机。电动式飞机的优点包括：因其电动机具有更大扭矩而提高了操纵的灵活性；因降低了发生机械故障的机率、降低了在飞机在发生碰撞时出现爆炸或火灾的风险，从而提高了安全性，并且降低了噪音。电动式飞机在飞行时无需矿物燃料，因此不会排放废气，这还将具有环境和成本效益。正如在道路上行驶的车辆一样，问题在于(飞行)距离——在切实可行的载人配置下，两者的最佳范围均为160~400公里(约100~250英里)。

现在已经有一些以套件形式出售的全电式固定翼飞机和其它电动式飞机。SkySpark公司的全电动固定翼飞机的速度已达到155mph(300kph)，但这类飞机最常见的速度是100mph，它们的飞行时间为1~3个小时。SkySpark实验所用的是一架两座的Pioneer Alpi 300，它由一台采用无刷技术和聚合物锂电池的75千瓦(100.5马力)的电机来推动。

电动式直升机

Sikorsky Aircraft(美国，西科斯基飞机公司)的技术开发部门——Sikorsky Innovations已正式推出了“萤火虫项目(Project Firefly)”，一架全部电气化直升机技术样机。

Sikorsky Innovations主管Chris Van Buiten表示：“我们对萤火虫项目的目标是提供一个主要概念的证明样品，以验证电动式旋翼机的好处；开发各项技术以实现电动式载人飞机，并推动改进的、最先进的‘绿色’技术和实践在今后的发展”。

为打造这架演示机，Sikorsky Innovations团队将U.S. Hybrid公司的一款高效的142千瓦(191马力)电动机和数字控制器与GAIA公司的锂离子能量存储系统相结合，用于取代S-300CTM直升机中所用的旧式推进系统。这两个GAIA 135Ah锂聚合物使其在高空飞行了15分钟。大多数其它电动式飞机还应用了涉及一种或另一种化学物质的锂聚合物牵引电池，因为其安全、重量轻且没有沉重的金属外壳。GAIA在其牵引电池的正极采用了磷酸铁锂和锂镍钴铝。

集成传感器提供飞机的有/无故障信息，通过一个集成的交互式液晶显示器显示给直升机上的飞行员。Eagle Aviation Technologies, LLC(鹰航空科技有限责任公司)完成对这架演示飞机的定制机身更改和装配。

“航空领域所取得的大多数最重要的进步都源于推进技术的变革。我们很高兴能处在旋翼机电力推进技术的探索前沿”， Sikorsky Research & Engineering(西科斯基公司研究与工程)副总裁Mark Miller表示。“通过电力转换，飞机的推进效率从起点被提高了约3倍。通过减少运动部件的数量、提高可靠性，电力推进也必然简化(飞机)推进系统的复杂程度，并在此同时降低直接运营成本”。

“随着需求的增加，世界燃料储备将持续减少。供应/需求周期的反演将提高所有燃料型运载工具的营运成本，特别是在航空这一领域。这在商用直升机市场最为明显，旋翼机所发挥的关键作用将受到燃油成本不断上升的威胁”，西科斯基公司与工程研究(Sikorsky Research & Engineering)副总裁Mark Miller在一份声明中表示。

混合式飞机

与此同时，在欧洲，EADS(欧洲航空防务及航天集团)正在研发一款混合式直升机的概念机，它使用2个柴油发动机和2个锂离子电池组来对主桨和尾部螺旋浆中的电机进行供电。在2010年中旬于柏林舍纳费尔德机场举办的2010 ILA飞机展上，EADS展出了这款柴油-电力混合动力概念直升机和一款全电动式特技飞机。通过采用这项混合动力技术可大大的减低燃料的消耗和废气的排放，存在争议。

在2010年7月，举行了一场针对这些“多电”飞机的研讨会。都灵大学(University of Turin)的Alberto Tenconi(阿尔贝托滕科尼)教授坐镇意大利的电动飞机项目，他对用于客运航线的电动飞机用于有自己的看法。另一方面，在英国，Falx Air Vehicles计划通过在倾转旋翼飞机(tilt rotor aircraft)中使用混合式电力电机和内置太阳能电池组，以进一步推动燃油经济。该公司预期其不久即将推出的紧凑型单、双座位的倾转旋翼飞机每小时仅使用10升燃料，并且其安静的电动操作使得这些小型、重量轻且操纵灵活的飞机还可用于充当极佳的军事隐形运载工具。

采用燃料电池的飞机

在171年前，英国发明了燃料电池，现在Intelligent Energy公司将其燃料电池用于试验飞机。和在道路上行驶车辆一样，飞机中所用的燃料电池更像是混合，用一块精密的电池来管理负载的变化和可再生充电。意大利的SkySpark团队现在计划侧重于由氢燃料电池供电的发动引擎，Aero Vironment 已将氢燃料电池用于巡游在高层大气层的庞大的固定翼无人侦察机。领先的飞机制造商Boeing(波音)和Airbus(空中客车)，EADS(欧洲航空防务及航天集团)旗下子公司，对能否通过以全部电气化模式(可能涉及燃料电池)实现大型客机以几乎无声的情况进行起飞和降落很感兴趣。

展望未来

当然，飞机的电气化和水、陆交通工具的电气化密切相关。它们使用相同或类似的电池、电池管理系统和发动机。而减轻重量几乎是普遍的目标。相关的还有来自多家公司的印制电子和电气件，例如，由Virginia Tech能量采集材料和系统(CEHMS)中心研制的T-Ink、无线传感器和执行器以及能量采集和光伏能源助推，据IDTechEx分析，更适宜以透明的形式遍布整个运载工具。

对飞机实行再生制动(Regenerative braking，亦称反馈制动，是一种已被用于汽车或铁路列车上的制动技术。在制动时把车辆的动能转化及储存起来；而不是变成无用的热。)听起来是异想天开，但最近的研究表明，再生飞行特性是可以实现的——当飞机遇到上升气流时，可以将螺旋桨用作充电储能的涡轮机。明年将推出的新款混合式电动船，也以类似的方式利用了其螺旋桨。利用可再生能源的飞机具有在高海拨无限期飞行的潜能，因为来自垂直大气运动所产生的能量可以超过由太阳能所产生的能量的10倍或更高。请记住，Hawkes Ocean Technologies公司的全电式Deepfligh潜艇扮演了水下飞机的角色，并且时机差不多。

作者简介：

Peter Harrop博士是研究公司IDTechEx的董事长，他曾经担任过Mars Electronics公司的首席执行官，Pinacl plc公司的董事长。他拥有超过15年的高科技公司董事长的经历。他已经撰写了14本关于科技方面的书籍，目前正由Financial Times、John Wiley及其其他的出版商发行。他的讲座和咨询主要是关于RFID、智能标签、国际印刷/有机电子和智能包装。

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