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往期部分文章

「航空史话」异军突起——多旋翼飞行器的起源

「航空史话」溯洄从之，道阻且长——多旋翼飞行器的续航之殇

「航空史话」电量的问题由电池解决——为了多旋翼无人机的续航

前言

电能常常被视为继木柴、煤炭和石油之后的新一代能源形式。它来源很广泛，使用很简单，现在已经成为我们生活中必不可少的部分。目前以电能驱动的陆地、水上交通工具并不多见，而航空业也只在无人机中有较多应用。

不过，随着近年随着城市化发展以及对环境友好性要求越来越高，来世界各国的航空、汽车巨头纷纷推出了自己的电动载人飞机计划。

Uber推出的载人电动飞机

电动飞机

电动飞机其实早已存在，不过受众极小，那就是电动滑翔机。滑翔机原本没有动力，起飞要靠汽车或者飞机牵引，在空中寻找上升气流来维持高度。上世纪中出现了动力滑翔机，能依靠自身动力起飞，这大大方便了滑翔机运动的推广。不过早期的动力滑翔机多数还是采用汽油机为动力，要到上世纪60年代以后，简单、可靠、安静、无污染的电动机才开始安装到滑翔机上。滑翔机的机翼翼弦比大、升阻比高，只需要很小的动力就能飞翔。到了空中可能多次开关机，很适合电动机这样随时能够启停的动力。

电动载人滑翔机

但是，滑翔机不能算真正实用的飞机，它多数情况下是无动力的，航程和留空时间取决于天气、地形等因素，不能用于固定航线的点对点飞行。而且展弦比大的机翼对于恶劣天气的适应能力比较差。真正称得上电动飞机的，要数1973年德国博世（就是那个做手电钻、电起子等工具的博世）研制的Militky MB-E1，它搭载了1台15千瓦的电动机，不过飞行时间只有9-15分钟！

博世公司的世界首架电动载人飞机

为什么飞行时间如此短暂？目前的资料数据不全，我们可以做个简单的推算，算一下这架飞机的大致数据：

低速螺旋桨飞机起飞、最大爬升时的功率与平飞时的功率之比约为3，最大功率15千瓦的电机，则正常平飞时的功率为：15÷3=5千瓦。

螺旋桨的功率效率最好可以达到8，平飞时5千瓦功率可以产生5×8=40公斤推力。

假设该机的匀速平飞时升阻比为10，阻力与推力相等，则飞机起飞重量约为40×10=400公斤。

飞机空重除电池以外如果按250公斤估算，飞行员体重80公斤，留给电池的重量只有区区70公斤。

1970年代还没有锂电池，铅酸电池只有40瓦时每公斤的能量密度，总计40×70=2800瓦时的能量，只能供5千瓦电池持续工作2800÷5000=0.56小时，但起飞与爬升阶段会短时间达到15千瓦，副翼、水平尾翼等操作面还要消耗一些功率，最后还要预留一些应付紧急情况，的确只够飞行9-15分钟！

动力部分的细节图

所以电能尽管有各种方便，但储能电池的能量密度实在太低。如果换成汽油，大约可以延长200倍的飞行时间！这么短的时间完全不具备任何实用价值，只能用于证实系统的可行与否。此后，电动飞机沉寂了很长一段时间再无消息，再度出现在公众视野中已经是2010年，中国昆山的一家公司昊翔设计了一型E430电动双座飞机，电机功率40千瓦，采用了锂电池为动力，锂电池的能量密度为铅酸电池的4倍以上，因此这架E430飞行时间达到了2小时，航程最大约350公里。

昊翔的双座电动飞机

2小时的续航时间已经足以完成基本飞行训练、近距离空中观光等简单任务，但对于空中旅游、观察与监视、短途运输等任务仍然力有未逮，然而这已经是目前蓄电池的能量密度极限了。此后各国陆续推出的载人电动固定翼飞机，小的有欧洲的“Cri-Cri”（“蟋蟀”），大的有国产的4座飞机，续航时间都与此不相上下。固定翼飞机要花掉一定的时间在起飞降落上，这让电动飞机本就捉襟见肘的续航时间更是不堪大用。

呆萌的“蟋蟀”电动版

电动可载人“无人机”

电动多旋翼无人机兴起后，不断有人尝试将无人机尺寸放大用于载人，因此产生了“可载人无人机”的概念。这种飞机不需要传统的驾驶员来控制飞机飞行，完全由成熟的多旋翼飞行控制系统来代替。乘客只需要在平板电脑上设置好航线，就可以由飞控系统完成整个飞行过程。这样可以省掉传统飞机中飞行员的重量，也更利于飞行器的普及。

Volocopter的原始验证机，注意是用飞行员是用遥控器操作！

此外，尺寸放大后，螺旋桨尺寸也相应放大，功率效率相对比较高，这样也会更省电。德国的几个小伙子率先利用软件开源的飞控系统、市面上能买到的成熟大功率电机和专门制造的螺旋桨，制造了一架18旋翼（实际是架6旋翼飞机，每3个电动机为1组）的“可载人无人机”，2012年完成了首飞。

首飞成功极大鼓舞了德国人。这种飞机虽然飞行时间比电动固定翼飞机更短，但由于像直升机一样能够垂直起降、悬停，可以省掉起飞、降落的时间，场地适应性更好，更适合城市短途运输、航空摄影等用途。德国联邦经济与技术部投入了200万欧元，制造出了第二架更接近实用的飞机Volocopter，仍然是18旋翼，拥有漂亮的流线型机身和双人座舱，飞行时间约20-30分钟，在德国已被批准用于运动飞行，飞行时间20-30分钟。

成熟版本的双座Volocopter

受此影响，广州的亿航无人机公司于2015年推出了“亿航184”多旋翼飞机，184意为1人、8电机、4轴。刚刚推出时引发了业界广泛的讨论。但是平心而论，“亿航184”虽然尺寸小于德国的Volocopter，但整体上不如后者合理。“亿航184”乘客位于旋翼之上，万一发生事故，螺旋桨折断飞出后，伤人的概率明显大于Volocopter；而且动力系统采用共轴双桨反转的形式，效率低于Volocopter的平铺18旋翼。亿航没有公布具体的飞行时间，估计比Volocopter要短一些，因此实用性可能更弱一些。

亿航184正在试飞

电动垂直起降飞机

从Volocopter、亿航184等机型开始，世界范围内出现了电动载人飞机的发展趋势，但多旋翼飞机的气动效率不够高，推重比必须大于1。而固定翼飞机前面提到过，匀速平飞时推重比与升阻比的倒数大致相当，升阻比为10的话，推重比约为0.1，所需功率远远小多旋翼飞机，飞行时间也要长得多。因此，许多人开始尝试：是否能够将二者的优势结合起来？起降阶段采用多旋翼方式实现垂直起降，平飞时借助机翼升力来节省电力？

“鱼鹰”是最早实用化的倾转翼飞机

这个概念并不新鲜，V-22“鱼鹰”就是这样一个很好的例子，但它采用的是热动力的涡轴发动机。美国NASA在2016年推出一个概念设计，采用多台电动机、整体机翼倾转来实现垂直起降，设想在转入平飞后由能量密度更大的燃料电池供电。目前该机的缩比无人验证机已经经过了多次试验。

NASA的倾转翼飞机

欧洲航天局和德国（又是德国！第三次了！）创业公司联合推出的概念飞机与NASA的相似，外形更漂亮更科幻，采用了多个涵道螺旋桨，安全性比NASA样机更好。ESA没有公布更多的细节，但从概念图上看，机翼上涵道螺旋桨的布置方式还有引射增升的作用，这种布局曾经在美国洛克韦尔公司为海军研发的垂直起降战斗机上采用过。如果是这样，起降阶段的效率应该会超过NASA的产品。有报道说该机已经完成了首飞，本文第一张动图就是垂直起飞的情形。

欧洲航天局的电动垂直起降飞机

而英国著名的发动机公司罗尔斯·罗伊斯和著名的电动机公司西门子联手，于2019年年底公布了自己的电动飞机计划，不过他们没有用垂直起降的概念，而是准备在2020年冲击480公里每小时的速度纪录，计划航程大于320公里，能够完成伦敦到巴黎的通勤飞行。看来是准备研发电动飞机用于欧洲的短途航空，充分利用电能的廉价、低排放和高可靠性。

罗-罗和西门子的电动飞机

欧洲空客和汽车公司奥迪推出了自己的电动飞机。这是一款模块化的多旋翼飞行汽车。中间的驾驶舱是独立模块，在与底盘模块结合后就能变成电动汽车，与飞行模块结合后就成为一架多旋翼“载人无人机”！奥迪预计花10年的时间将其商用化。而电动车巨头“钢铁侠”马斯克，早就表露出对电动飞机的兴趣，以他一贯的作风来看，对于慢悠悠的电动螺旋桨飞机没什么兴趣，他可能更关注如何将电能与喷气发动机结合起来。

空客和奥迪联手推出的电动模块化飞行汽车

结语

淘金客说：电动通航飞机产业似乎到了爆发的边缘。但是受目前疫情的影响，全球航空产业预计2020年会下降一万亿美元，这给正在萌芽状态的电动航空一记沉重的打击。

此外，电能存储的能量密度太低则是另一个难以逾越的技术门槛，即使是燃料电池，目前的技术也远不能和燃油相比。也许随着超导储电技术、金属氢技术的成熟，电能才会真正迎来全面取代燃油的那一天。