為什麼我們沒有電動飛機?

為什麼我們沒有電動飛機?
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電動汽車,火車,電車和船已經存在。 從邏輯上講,這引出了一個問題:為什麼我們看不到大型電動飛機? 我們會很快見到他們嗎?

為什麼我們有電動汽車和火車,卻只有幾架電動飛機? 主要原因是,從根本上修改汽車或火車要容易得多,即使它們看起來與外部的傳統化石燃料汽車非常相似。

陸地車輛可以輕鬆應對電力存儲或電力推進系統產生的額外質量,但飛機要敏感得多。

例如,將汽車的質量增加35%會導致13-20%的能源消耗增加。 但是對於飛機而言,能量使用與質量成正比:將其質量增加35%意味著它需要多35%的能量(在所有其他條件相同的情況下)。

但這只是故事的一部分。 飛機的行駛距離也比地面車輛遠得多,這意味著飛行所需要的能量比普通的公路旅行要多得多。 飛機必須在飛機上存儲每次飛行移動其質量所需的所有能量(與連接到電網的火車不同)。 因此,使用重型能源意味著飛行需要更多的能量,這會導致額外的質量,等等。

對於飛機而言,質量至關重要,這就是航空公司要精心稱重行李的原因。 電動飛機需要每千克電池具有足夠能量的電池,否則質量損失意味著它們根本無法長距離飛行。

短程飛機

儘管如此,電動飛機仍在發展中-但是您不會很快看到電動747。

當今最好的鋰離子電池組每千克可提供約200瓦時(Wh),約 比當前飛機燃料少60倍。 這種電池可為小型電動空中出租車提供動力,最多可搭載四名乘客,行程約為100km。 對於更長的行程,需要更多的能量密集型電池。

例如,載有30人的短程電動通勤飛機的飛行能量不到800km,特別是750和2,000Wh / kg之間,這是煤油噴氣燃料能量的6-17%。 甚至更大的飛機也需要越來越輕的電池。 例如,一架載有140乘客1,500km的飛機每位乘客消耗約30kg的煤油。 使用當前的電池技術,每位乘客幾乎需要1,000kg的電池。

為了使區域通勤飛機完全電動,需要將電池重量減少四到十倍。 電池能量的長期歷史增長率每年約為3-4%,翻了一番 大約每兩個十年。 基於這種歷史趨勢的延續,全電動通勤飛機所需的四倍改進可能會在本世紀中葉左右實現。

儘管這似乎是一個令人難以置信的漫長等待,但這與航空業基礎設施和飛機設計生命週期變化的時程一致。 一架新飛機需要大約5-10年的設計時間,然後將服役兩到三十年。 一些飛機在首次飛行後仍在飛行50年。

雜種來了

這是否意味著長途飛行將始終依靠化石燃料? 不必要。

大型電動飛機需要在儲能方面進行重大的但尚待發明的轉變,但還有其他方法可以減少飛行對環境的影響。

混合動力飛機將燃料與電力推進相結合。 此類飛機包括不帶電池的設計,其中電推進系統用於提高推力效率,減少所需的燃油量。

帶有電池的混合動力飛機也在開發中,在某些情況下電池可以提供額外的動力。 然後,電池可以提供乾淨的起飛和降落,以減少機場附近的排放。

電動飛機也不是減少飛行的直接碳足蹟的唯一方法。 還正在研究替代燃料,例如生物燃料和氫氣。

生物燃料,是從 植物或藻類最初用於2008和 幾家航空公司已經進行了試驗 跟他們。 儘管未被廣泛採用,但大量研究目前正在研究不會影響淡水源或糧食生產的可持續生物燃料。

儘管生物燃料仍會產生二氧化碳,但不需要對現有飛機或機場基礎設施​​進行重大更改。 另一方面,氫氣需要對機場的加油基礎設施進行徹底的重新設計,並且也對飛機本身的設計產生重大影響。

氫非常輕-氫含有 每公斤能量多三倍 與煤油相比,即使在-250℃下以液體形式存儲,其密度也非常低。 這意味著燃料不再能夠存儲在機翼中,而是需要轉移到機身內部相對較重且笨重的油箱中。 儘管有這些缺點,但以氫為燃料的長途飛行會消耗掉 比煤油少12%的能源.

關於作者

航空航天設計與推進高級講師Dries Verstraete 悉尼大學

本文重新發表 談話 根據知識共享許可。 閱讀 原創文章.

視頻:未來飛機-NASA紀錄片

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