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为什么电池不是电动航空发展的最大障碍?

日期:2018-10-12 22:47 作者:苟昕

近年来,随着电动飞机的相关新闻越来越多,许多人开始知道了电动航空这个概念,对这个新鲜事物充满了好奇,自然也会有许多问题,最普遍的问题就是,当听到“电动飞机”时,很多人的第一个反应是“电池还不行”。所以,要讨论电动航空的话,可能首先需要回答这个电池的问题。本文就抛砖引玉,尝试分析下电池是否是电动航空发展的最大障碍。

当一想到电动飞机的时候,如果首先想到的是电池,而不是电动化所能带来的设计和应用的多种可能性,说明还是用传统航空的思维在想问题。当然,对于新生事物,与自己熟悉的类似产品相比较是非常自然也是符合逻辑的,不过如果更深入了解电动飞机的创新之处后,也许就会发现,许多人最关切的电池的问题其实并不是电动航空发展的最大障碍。为什么能这么说呢?

如果当你想到电动飞机的时候,首先想到的是这样的飞机:

图片来源:美国空军

或者是这样的

图片来源:Yan David

说明您在用传统航空的思维看待电动航空

的确,人们对航空发展的普遍期望是“更快,更高,更远”,这也是飞机发明百年以来的发展道路。但许多成功的产品先例已经告诉我们,新技术只要能有打动用户,满足特定需求的某个特性,就能够有市场,比如直升机,跟固定翼飞机相比,直升机飞得既不远,也不高,更不快,但为什么直升机还是有很大的市场呢?因为它有垂直起降的独特性。同样,对于电动飞机来说,如果有能够满足特定市场需求,或者能打动用户的某个点,就一定能有市场,也就能够吸引投资和技术力量的投入。

关于电池和产品功能性的关系,我们可以举几个熟悉的例子。试想一下,您现在用的手机的电池可以用多久?是不是基本上得每天充电,甚至一天要充几次?但为什么您没有把手机换成可以待机十几天的功能手机呢?说明您关注的手机特性的要点并不只是电池。智能手机的多功能性的优势远远超出了其电池续航时间短的弱点。再试想一下,大疆无人机的续航时间只有二十多分钟,几年前甚至只有十几分钟,但这并没有影响大疆无人机创立了消费级无人机行业,全球市场保有量已经超百万台。为什么呢?同样是因为大疆作为“飞行的照相机”的功能性能够极大满足用户的航拍需求,使得用户并不最在意续航时间。再举一个例子,特斯拉电动汽车为什么能跟大疆无人机一样,成为行业的标杆产品,开创了纯电汽车市场,创造了一个行业呢?当我们一想到纯电汽车的时候,可能许多人首先会想到“使用费用低”,或是“环保”等,这样的想法其实正是在跟传统的内燃汽车的“汽油贵”和“排放高”在做对比,也就是在用传统汽车行业的想法在思考,但有趣的是,根据国外的市场调查,国外用户购买特斯拉电动汽车的动因最靠前的是“性能”和“自动驾驶”,环保其实并不是最主要的原因。“性能”当然很容易比较,特斯拉电动汽车加速性跟使用10缸、12缸内燃发动机的超跑在一个水平,但价格跟这些传统超跑相比低很多,另外,这个“自动驾驶”的特性也许是许多对电动汽车有疑虑的人们没有想到的,但很多人买特斯拉就是冲着它的自动驾驶功能,特斯拉电动车带动了整个汽车行业的自动驾驶研制浪潮。我国已经成为世界电动汽车第一大市场,我国电动车保有量中比例最大的是大量续航里程一两百公里左右的国产电动车,如果说续航能力是电动汽车最大的短板的话,那么为何还有这么多用户购买这些短续航的国产电动车呢?原因很简单,一是在京沪这样限牌限号的大城市相对可以更容易获得牌照,二是在许多小城市,即使一两百公里的续航也可以满足市内交通需求,而国产电动汽车补贴后的价格加上低廉的充电使用费用对低收入的价格敏感人群很重要,国产电动车和入门级的传统汽车都是几万元的价格,电动车的使用费用低很多,续航在城里也够用,为啥不买呢?所以,从上面这几个简单的例子可以很容易看出,一个产品能否有市场,能否吸引投资的关键,也许并不一定是能否突破技术上的短板,而是需要看产品是否能够有任何一点能打动用户。类似的产品例子还有许多,并不局限于电动领域,您可以想想看,还有什么产品是有技术上的某项明显短板,但市场接受度仍然很高的呢?

回到电动飞机上来。上面几个例子中的产品当然不能与电动飞机直接划等号,那么现在就让我们来看看,电动飞机的性能和功能是不是已经足以超过电池的短板,是不是已经足以满足某些特定市场需求。

首先需要看看电动飞机都有那些特点和功能。电动航空发展十多年以来,已经比较明显地出现三个发展方向:垂直起降(eVTOL)、纯电/混动短途交通、飞行培训休闲娱乐。这三个设计领域的详细介绍足以单独成文,因此这里就不展开讨论,在本文的标题范畴内,只需要直接了解几个结论,为下面的讨论打基础。首先是垂直起降,现在电动航空业内的共识是,凭借现有电池技术,eVTOL机型现在足以续航半小时左右,飞行距离几十公里,已经有eVTOL机型验证机证明了上述技术指标。对于短途交通机型,根据已有的该类电动飞机企业的研究,9座及以下的机型短期内有望做到纯电动,航程500到1千公里,几十座以上的支线机型需要燃气轮机作为辅助动力的混动机型,此外氢燃料电池机型也可以作为辅助。对于飞行培训和休闲娱乐而言,现有的已经获得适航认证的机型可以续航两小时左右。

如果认可上述关于电动飞机研制进展现状的表述,那么接下来就可以来看看这三类电动飞机目前或短期内的性能是否有符合的应用场景,是否能满足用户的特定需求。

首先来看eVTOL电动垂直起降机型。续航半小时左右,飞行距离几十到一百公里左右,这样的飞机能用吗?如果按传统的飞机设计思路和发展观点,这样的飞机只相当于飞机发明初期的性能水平,怎么可能实用呢?但在美国优步(Uber)为首的多家企业看来,这个性能已经足够满足特定的应用场景。这就是优步从2016年以来推动的Elevate项目的目标。Elevate针对的应用场景是什么呢?是城市内的短途空中交通,解决最难以用传统方式解决的最困难的交通瓶颈。也许正是考虑到eVTOL的现有性能与计划的应用场景对于许多人还不熟悉,是一个创新,因此优步在2016年10月发布了非常详细的Elevate项目技术白皮书,2018年4月又进行了更新,并同时发布了中文版(下载链接在本文末)。Elevate白皮书中很详尽地对城市内电动垂直起降空中短途交通涉及的电动垂直起降技术、应用场景、技术方案优劣等进行了全面介绍和分析,最后得出的结论是现有的续航半小时左右,飞行距离几十到一百公里左右的eVTOL电动垂直起降机型可以满足城市内的短途空中交通的特定需求,多个特定案例的研究表明,甚至只需几公里、十几分钟的空中飞行就能避免一两个小时的地面拥堵。在优步看来,这个项目面临的最大困难其实并不是电池技术,而是包括自动飞控、集群空管、电动飞机适航、停机坪建设、充电设施、城市规划等等综合因素,电池技术即使大幅提高也并不能解决问题,反过来说,只要其他问题得到适当解决,电池并不会成为该项目试运营的障碍。正因为这个项目涉及方面众多,并不只是单单工程技术领域,更不只是简单的电池容量,这个特点与特斯拉早期发展时面临的局面有很大不同,因此优步虽然招募了电动航空业内最优秀的一些人才,但决定并不自己生产eVTOL飞机,而是致力于建设eVTOL产业生态圈,拢聚适航管理部门、空管技术、传统飞机厂商、电动飞机初创企业、电池企业、建筑事务所等等所有相关单位和行业,在认可这个项目的可行性,达成eVTOL作为新兴行业的发展共识的基础上,共同致力解决每个细节问题,目前的计划是2020年将在至少全球三个试点城市进行试运营。为此优步从2017年开始,已经连续两年主办了Elevate大会,从2017年的400多人参会,到2018年的千人大会(由于会场爆满,有参会者被拒入场),即使一千美元的票价也无法阻挡各个领域企业参会的热情。除了Elevate大会,全球每年有越来越多的专门针对eVTOL在城市空中交通应用的各类会议,2018年已经公布的就有十几个国际会议,几乎每个月都有相关活动。除了优步,空客从2016年开始在欧美设立了三个不同的eVTOL部门,同时研发两个机型,并与第三方专业机构共同展开了与优步类似的运营模式和集群空管的可行性研究。根据不完全统计,现在全球已有70多个各类eVTOL机型项目在研。综上,根据包括空客和优步等多家企业的可行性研究,eVTOL目前的性能已经可以满足运营需求,并且世界超级大城市也有非常现实的市场需求,打开eVTOL应用市场的关键并不在电池技术。

图片来源:优步公司
优步公司研究的电动垂直起降空中交通方式可以大幅提高城市出行效率的典型案例。

接下来看看短途交通。如果说eVTOL的性能还能满足城市内几十公里范围内的短时短途交通的市场需求,那么当说到短途支线,那可是动辄几百到上千公里的距离,电动飞机的电池够用吗?这又需要具体化应用场景。除了中、日和部分欧洲国家,世界上其他国家还没有广泛的高铁网络,支线航空市场在全球范围内是一个不小的市场,这就为任何新机型的研发提供了基础。那么电动飞机是否能满足要求呢?  美国是全球最大的支线航空市场,有4000架飞机,每年运送旅客1.6亿人次,美国的支线航班的平均航程是600多公里。根据Zunum(波音参与投资)、E-fan X(空客项目)和Eviation等电动支线飞机公司的研究,现有电池技术可以满足十几座纯电飞机在这个航程内的使用,这正是Zunum和Eviation在研制的机型。空客与西门子和罗罗航发结为合作伙伴,共同研发的E-fan X电动支线飞机项目,以及Zunum的下一步机型将采用燃气轮机发电机作为辅助动力的混动设计,通用电气最近也表示,其新研制的Catalyst涡桨发动机也可以作为混动客机的核心机,技术上已经做了准备。由此可见,电动支线飞机不仅仅是限于纯电,灵活的混动动力选择和布局位置正是电动飞机的最大设计优势之一。对于座位数较少的小型纯电短途通勤飞机而言,与涡桨和涡扇机型相比低廉许多的运营费用是最大的竞争优势。综上,短途支线的小机型可以采用现有电池技术,大型支线客机需要采用混动技术。

图片来源:Zunum Aero
波音投资的Zunum Aero电动支线飞机公司的概念设计,据悉该公司的验证机与此差别较大,但设计思路一致,即可以容易地选择安装燃气轮机混动、燃料电池和锂电池模块。该公司计划2019年试飞验证机。

图片来源:罗罗公司
空客、西门子和罗罗公司正在联合研制的混动支线客机的应用场景

最后来看看飞行培训和休闲娱乐,这个领域可能是电动飞机最有可能尽快普及的应用领域。对于飞行培训来说,绝大部分飞行时间都是本场起降和几十公里范围内的本场空域,因此对续航时间要求不高,一个训练飞行架次按照训练大纲基本都在一个小时以内完成,现在已经获得适航许可开始量产的几种双座电动小飞机完全满足这种应用需求,而且对于本场飞行培训来说,可以很方便地快速更换电池和快充,根据已经投入使用的该类电动小飞机的情况,只需要两三组电池就可以保证不间断训练飞行。对于休闲娱乐来说,巡航时间更是灵活,大多数的私人娱乐飞行和体验飞行都是在一小时以内,别忘了,世界上第一个普及私人飞行活动的小飞机是美国派柏公司的J-3 “Cub”小熊双座飞机,这架1937年投产的小飞机迄今已经生产了2万多架,最新改型仍然在作为轻型运动飞机(LSA)在量产销售,小熊飞机已经成为了最经典的私人飞机之一,也是最经典的教练机之一,培养了许多代私人飞行员,而小熊飞机当初投产的时候的续航时间只有2个多小时,航程也只有300公里,就是这样的性能,就开创了世界范围内的私人飞机时代,而这个性能,与现在的纯电双座小飞机很是类似,这是否是巧合呢?此外,纯电双座飞机的验证机早在2011年已经突破500公里航程,氢燃料电池双座机型在2017年也已经试飞,使用小型内燃发电机作为辅助动力的机型更多,所以在这个级别的小飞机上,电池的问题可能是小的。

图片来源:蝙蝠飞机公司
斯洛文尼亚的蝙蝠飞机公司研制的阿尔法电动轻型双座飞机已经全球交付几十架,是目前保有量最大的纯电飞机,续航2小时,将在我国江苏句容建厂生产。该公司的自设充电桩电力来自厂房屋顶的太阳能电池板,直接使用费用几乎为零。

综上所述,电池的确是电动飞机研制的难点,如果电动飞机想要有更广泛的应用,的确需要更好的电池技术,但现有的电池技术已经可以满足上述三个重点机型的应用场景和特定的客户需求。截至目前,优步已经表示将购买上述eVTOL机型的服务,美国洛杉矶和达拉斯市也已经明确参与优步的Elevate项目试点,德国的Volocopter双座电动多旋翼垂直起降飞机已经获得德国的超轻机认证,成为世界上第一个获得适航认证的eVTOL机型。在支线飞机领域,已经有包括美国的Jetblue和JetSuite等多家航空公司和欧洲国家政府在内的多个集团用户明确公开表示,只要上述支线电动飞机制造量产,就会采购运营,JetSuite甚至已经与Zunum公司签订了100架电动支线客机的采购协议。在技术最为成熟使用的轻型电动飞机领域,更是已经有美国、加拿大、法国、澳洲、瑞士等国在内的多家航校已经开始采用纯电双座飞机进行飞行培训。电动飞机的市场前景正在一步步展开和实现,从互联网企业、芯片企业到汽车厂商、消费类电子企业等在内的多个相关领域的龙头企业正在非常积极地跨界参与,包括直接投资、自有机型研发和配套部件研发等,航空产业已经迎来了自喷气时代以来最为激动人心的新发展,电动飞机将与传统飞机相辅相成,而不会成为互相的替代,电池作为电动航空发展的一个重要环节,将与整个电动航空技术共同发展,而不是会成为阻碍电动航空产业发展的障碍。当然,电动航空作为一个涵盖多个领域的重大创新产业,在以安全为重、谨慎保守、小步前进的航空业内,势必面临许多挑战,这就是下一步需要讨论的主题了。



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