NASA电动飞机挑战获胜者：如何优雅地打造我的Vapor飞机

编者按：2014年，NASA向大学生发起了一项 电动飞机 设计挑战，本文作者Tom Neuman加入挑战并获得一等奖。以下是是他如何设计获奖电动飞机Vapor的过程。

如果你有幸体验过如今的小型活塞驱动飞机，那么你会发现它每小时都要燃上好几加仑燃油，你还要忍受着轰隆隆的噪音。如果噪音停了，那就意味着出现紧急情况了，好则需要一个紧急降落，坏则可能遭到撞击了。而幸运的是，现在，电动飞机可以取代这些制造噪音的燃油耗损器了。今天，越来越多的电动飞机飞行在天空之上，它们更安静、更清洁、更安全、更高效。事实上，电动化现在能够大大变革航天业，不管对于飞行员还是乘客来说，飞行变成了一个更好美好的体验。

而NASA也意识到了这种大趋势，2014年，它向大学生发起了一个挑战:在2020年之前设计一台4座、纯电动、并能够进入服务市场的飞机。而我加入了此挑战，我的设计有幸获得了毕业生组一等奖。我的设计是基于燃油驱动推进器，并使用了一种非同寻常的马达，来提高效率。对我来说，此款飞机的设计过程为我打开了通往电动飞机的大门，让我发现一切皆有可能。

当NASA刚开始发布此挑战时，我还是一名乔治亚理工学院航空航天系的毕业生。但这并不是我第一次涉足电动飞机行业。2008年，我17岁，特斯拉Roadsters上市6个月，那时我正在努力研究另一种电动飞机：翼展长约9英尺长（3米），专为远程控制飞行竞赛设计。

那时，随着锂电子变得越来越轻便便宜，电动飞机正在变得越来越受欢迎。它们更清洁、更安静，更易于操作。然而，在2008年，电动飞机只能飞上几分钟。特斯拉也面临着相同的问题：虽然它有着无与伦比的优势，但是它的续航能力却差强人意。

从那时起， 电池技术 开始迅猛发展：尼桑在2010年底引进了大市场Leaf，特斯拉从2座的Roadster发展到了5座的Model S。电动飞机也因为电池的变革飞速地发展着。在过去的两年中，斯洛维尼亚轻飞行器制造商Pipistrel和法国Airbus SAS都引进了电动的2座训练器。

不过，虽然电动飞机正在飞速发展，其仍然有一个弱点:有限的飞行时间。其原因便是相比于传统的飞行能源，电池更重。对于行走在地上的车辆来说，设计可以用更多、更大的电池来弥补这些缺点。但是，如果要上天，飞行器就对额外的重量就更敏感了。对于电动飞机设计来说，增多电池来增加续航将会陷入一个恶性循坏。

然而，NASA不断鼓励创新者们尝试建造能够兼顾续航和尺寸的电动飞机。2011年，NASA发起了“格林飞行计划”，此计划中打造的两款顶尖飞机完全由电池驱动，并能以每小时100英里（161千米）的速度飞行2小时。

2014年，NASA和两个行业伙伴发起了LEAPTech计划。它们打造了一款特别的碳纤尾翼展飞机，装载18个电动马达，并装载用于降落的飞行器。他们计划在一架叫做Tecnam P2006T的意大利飞机上安装相同的翼展。因为推进器的数量较多，每一个都独立运行，因此可以让飞机的翼展更小，这样就减轻了飞机的重量。

2014年9月，NASA又发起了学生专属的设计比赛，希望推进电动飞机行业的进一步发展。而对于电动飞机设计热衷的我，毫不犹豫地报名参加了此次比赛。

NASA希望此次比赛中设计的飞机能够在2020之前投入使用，并规定此款飞机必须是4座，能够以201英里（323千米）每小时的速度续航1482千米。虽然大部分设计师会对此挑战嗤之以鼻，并认为这种规格非常正常，此目标比新款的Pipistrel Alpha Electro电动飞机的飞行距离要远上6倍以上，并快上一倍。我们粗略地算一下，会发现NASA此次挑战中设计的飞机，比Pipistrel需要的能源要高上近30倍。而5年时间，要完成这个挑战，到底可能吗？

有些电动飞机从业者表示用燃油驱动来加长续航里程没有必要，因为很多飞行员（包括司机）并没有完全使用完整个续航里程。比如，一般来说，尼桑Leaf用户只会使用三分之一的续航里程。

我同意他们的观点。但是毫无疑问，飞行员对于续航的担心程度要远远高于驾驶员，因为这与他们的生命安全息息相关。因此，我与很多NASA相关人员交谈过，听取他们的想法与建议。后来，我发现，如果一些制造商决定将我的想法付诸实践，那么飞机可以直接和现存的燃油驱动模型（包括50万美元的4座Cirrus SR22，过去十年最畅销的单引擎飞行器）对接。

于是我开始了我的设计，并思考是否要将现有的燃油驱动飞机转换成电动飞机，这样，用电池或是燃油电池都可以。我知道电池缺少能量，而燃油电池缺少马力，但是我不知道哪一个缺点更难克服。

最开始，我尝试的是普通电池。它们更加灵活，更加常见。我发现如果我将Cirrus SR22 1020磅（462千克）重的引擎和燃油换成锂离子电池和一个电动马达，飞机能够飞上半个小时，100英里（160千米左右）。但是要通过增加电池来加长续航是无济于事的，我之前所说的恶性循环就是这个道理。

这也是为什么Pipistrel和Airbus一直在制造训练飞机，而不是实用飞机。Airbus电池每千克要提供200瓦时能量，而根据现在的科技进展，先进的锂离子电池将在2020年达到400瓦时每千克。能量翻了一倍，就意味着续航翻了一倍，但这和NASA921英里的目标还相差甚远。

在我意识到这个事实之后，我开始仔细思考能量储存问题。我知道相比普通电池，燃油电池每单元可以提供更多能量。因此，将燃油电池使用到飞机上是有理有据的:比如，2008年，波音公司发布了Diamond HK36 Super Dimona飞机，它是一架2座的马达滑翔机，除了普通电池外，它还使用了离子交换膜燃油电池。

因此我在考虑是否能将燃油电池用于Cirrus SR22之上。Cirrus SR22的正常发电机是Continental IO-550-N，有着6个气缸，187千克重的引擎，能够提供310马力（231千瓦）。通过移除引擎，并用相同重量的燃油电池取代它，我可以生产相同的能量。但是要做到这些，燃油电池必须提供500瓦每千克的特定能量。而有了此种水平的特定能量，燃油电池的特定能量将会达到400千瓦每千克。这几乎是现如今最好的电池可以达到的能量。而要提供800瓦时每千克的特定能量，燃油电池的特定能量将会降到200瓦每千克，比飞行200英里每小时需要的能量要低。

随着我对电能存储了解越深，我的思路便越清晰明确。现在，唯一的解决办法就是降低飞机对能量的要求。但是我知道SR22现在已经是一个很适合的选择。

对于飞机设计师来说，续航里程和速度，几乎只能二选一。但是哪个应该牺牲掉呢？

一些早期的飞机分析师表示：飞机对于续航里程的敏感度，和速度一样。因此，我决定看4座飞机市场对于哪个的需求更旺盛，再来做出选择。我仔细比较了市场上6款不同的飞机，发现他们的续航里程和NASA921英里的目标相差无几，但速度却相差甚多。之后，我便不再担心速度，争取打造最长续航里程的4座飞机。经过几轮计算之后，我决定将飞机的速度设置为173英里每小时。

降低速度可以将能量消耗降低30%，同时也可降低推进器所需的能量。但是即使这样，我还是不能达到NASA的要求。我也犹豫过要不要也降低续航里程，同时也在寻找其他无需过多的科技投资，就能降低能源消耗的方法。

幸运的是，电动推进器更为灵活。它们不像内燃机，更有力、更高效、更小、更轻，同时适用的范围更广。

我将两只相当巨大的推进器附在一对马达之上，将它们放在飞机的V型机尾上，而不是机翼或机身之上。

这个简单的策略不仅提高了推动效力（从85%到92%），也能完善飞机的空气动力。现在能够更加顺畅地流入机身和机翼。虽然推动器很大，但是将它们放在机尾意味着我不需要增加起落架的高度和重量。而起落架变小，就让收缩轮变得更易操作，这也会更大程度地降低阻力。

进一步分析后，我发现这种转变将飞机的能量消耗降低了27%。事实上，这种设计转变降低了飞机对于能量的要求，让氢驱动燃油电池能够带动飞机飞行。这时，我的飞机Vapor设计有了实质的进步。

在我弄清了设计的基本参数之后，我就能够专注于细节了。我检测了不同的能够用于自动化和航天应用的燃油电池系统，发现用于2015年丰田Mirai的燃油电池和氢罐能够创造更轻、更有力的系统，而在8年之前，也就是波音第一次使用燃油电池驱动的HK36时，这种系统就已经投入使用了。除此之外，所有这些部分都能整合到Vapor的机身中。

我设计的燃油电池系统能够提供800瓦时每千克的能量，能量效率为55%。而现在最好的锂离子电池能量为400瓦时每千克，能量效率为25%。在结合了燃油电池和飞机的非传统推动器之后，我就能够着手Cirrus SR22的设计了。此款飞机的续航里程为920英里，与NASA规定的速度差不多，速度为173英里每小时。比规定的212英里每小时要少。但是考虑到电动飞机将会在每次飞行中消耗四分之一的能量，这种权衡也是可行的。

我的目标是让Vapor对那些想要购买小型飞机的人具有足够的吸引力，我觉得我的设计满足了所有要求。能量消耗的降低和燃油引擎的摘除降低了运行成本。除此之外，噪音等级也从92分贝减少到了76分贝，这会提高驾驶体验。因此，它将为飞行员和乘客带来不一样的体验。

其实，考虑到现在正在突飞猛进的燃油电池和电动马达技术，Vapor现在就能够开始建造并投入使用，因为现有的科技已经相当成熟了。但是现在我们尚不清楚相关权威部门会不会允许这种全电动的飞机上空飞行。这是Vapor投入使用的一大障碍。

另一障碍就是，现在支持飞机氢气系统的基础设计非常有限，而只有基础设施完善，氢气系统才会变得流行。

而尽管长路漫漫，能够将电动飞机的续航里程提高6倍、飞行速度提高一倍的设计，想想就让人激动。而有了NASA的认可，Vapor在2020年开始上空飞行也不是梦。

因此，我还是对未来充满信心。

Via: IEEE