为什么我们没有电动飞机?

为什么我们没有电动飞机?
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电动汽车,火车,电车和船已经存在。 从逻辑上讲,这引出了一个问题:为什么我们看不到大型电动飞机? 我们会很快见到他们吗?

为什么我们有电动汽车和火车,却只有几架电动飞机? 主要原因是,从根本上修改汽车或火车要容易得多,即使它们看起来与外部的传统化石燃料汽车非常相似。

陆地车辆可以轻松应对电力存储或电力推进系统产生的额外质量,但飞机要敏感得多。

例如,将汽车的质量增加35%会导致13-20%的能源消耗增加。 但是对于飞机而言,能量使用与质量成正比:将其质量增加35%意味着它需要多35%的能量(在所有其他条件相同的情况下)。

但这只是故事的一部分。 飞机的行驶距离也比地面车辆远得多,这意味着飞行所需要的能量比普通的公路旅行要多得多。 飞机必须在飞机上存储每次飞行移动其质量所需的所有能量(与连接到电网的火车不同)。 因此,使用重型能源意味着飞行需要更多的能量,这会导致额外的质量,等等。

对于飞机而言,质量至关重要,这就是航空公司要精心称重行李的原因。 电动飞机需要每千克电池具有足够能量的电池,否则质量损失意味着它们根本无法长距离飞行。

短程飞机

尽管如此,电动飞机仍在发展中-但是您不会很快看到电动747。

当今最好的锂离子电池组每千克可提供约200瓦时(Wh),约 比当前飞机燃料少60倍。 这种电池可为小型电动空中出租车提供动力,最多可搭载四名乘客,行程约为100km。 对于更长的行程,需要更多的能量密集型电池。

例如,载有30人的短程电动通勤飞机的飞行能量不到800km,特别是750和2,000Wh / kg之间,这是煤油喷气燃料能量的6-17%。 甚至更大的飞机也需要越来越轻的电池。 例如,一架载有140乘客1,500km的飞机每位乘客消耗约30kg的煤油。 使用当前的电池技术,每位乘客几乎需要1,000kg的电池。

为了使区域通勤飞机完全电动,需要将电池重量减少四到十倍。 电池能量的长期历史增长率每年约为3-4%,翻了一番 大约每两个十年。 基于这种历史趋势的延续,全电动通勤飞机所需的四倍改进可能会在本世纪中叶左右实现。

尽管这似乎是一个令人难以置信的漫长等待,但这与航空业基础设施和飞机设计生命周期变化的时程一致。 一架新飞机需要大约5-10年的设计时间,然后将服役两到三十年。 一些飞机在首次飞行后仍在飞行50年。

杂种来了

这是否意味着长途飞行将始终依靠化石燃料? 不必要。

大型电动飞机需要在储能方面进行重大的但尚待发明的转变,但还有其他方法可以减少飞行对环境的影响。

混合动力飞机将燃料与电力推进相结合。 此类飞机包括不带电池的设计,其中电推进系统用于提高推力效率,减少所需的燃油量。

带有电池的混合动力飞机也在开发中,在某些情况下电池可以提供额外的动力。 然后,电池可以提供干净的起飞和降落,以减少机场附近的排放。

电动飞机也不是减少飞行的直接碳足迹的唯一方法。 还正在研究替代燃料,例如生物燃料和氢气。

生物燃料,是从 植物或藻类最初用于2008和 几家航空公司已经进行了试验 跟他们。 尽管未被广泛采用,但大量研究目前正在研究不会影响淡水源或粮食生产的可持续生物燃料。

尽管生物燃料仍会产生二氧化碳,但不需要对现有飞机或机场基础设施进行重大更改。 另一方面,氢气需要对机场的加油基础设施进行彻底的重新设计,并且也对飞机本身的设计产生重大影响。

氢非常轻-氢含有 每公斤能量多三倍 与煤油相比,即使在-250℃下以液体形式存储,其密度也非常低。 这意味着燃料不再能够存储在机翼中,而是需要转移到机身内部相对较重且笨重的油箱中。 尽管有这些缺点,但以氢为燃料的长途飞行会消耗掉 比煤油少12%的能源.

关于作者

航空航天设计与推进高级讲师Dries Verstraete 悉尼大学

本文重新发表 谈话 根据知识共享许可。 阅读 原创文章.

视频:未来飞机-NASA纪录片

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