电动飞机是由电动机驱动的飞机。可以通过各种方法供电,包括电池,地面电力电缆,太阳能电池,超级电容器,燃料电池和电力传输。

自20世纪70年代以来,电动模型飞机已经飞行,早在1957年就有一份未经证实的报告。它们已经发展成为小型电池供电的无人机或无人驾驶飞机,它们在二十一世纪已被广泛用于多种用途。

尽管有线直升机的载人飞行可以追溯到1917年和上个世纪的飞艇,但直到1973年才开始用电动飞机进行首次载人自由飞行,而今天的大多数载人电动飞机仍然只是实验示威者。 2015年至2016年,Solar Impulse 2完成了环绕地球的航行。

设计
迄今为止,所有电动飞机都由驱动推力螺旋桨或升力发电机的电动机提供动力。一些螺旋桨驱动的类型是飞艇。

存储和提供必要电力的机制差别很大,每种机制都有明显的优点和缺点。使用的机制包括:

虽然电池的重量仍然限制了可实现的范围,但电池可以保留很大的电荷。
电源线连接到地面电源。
太阳能电池将阳光直接转化为电能。
超级电容器可以存储有限的能量,用于短时间的高功率使用
燃料电池类似于电池,但从外部电源吸取其反应物。
微波能量来自地面光源。

电池
电池是电动飞机中最常见的能量载体部件,因为它们具有相对较高的容量。电池是最早的电力来源,在十九世纪首次为飞艇提供动力。这些早期的电池非常沉重,直到二十世纪下半叶镍镉(NiCad)可充电类型等技术的到来,电池才成为可行的电源。现代电池类型包括锂基和许多其他不太广泛使用的技术。这种电池如今仍然是一种流行的电源,尽管它们在充电之间的寿命仍然有限,因此范围有限。

电池也经常用于临时存储由另一个源产生的电力。

电力电缆
电力电缆可以连接到地面电源,例如发电机。在低海拔地区,这可以避免携带沉重的电池,并被1917年的实验性Petróczy-Kármán-ŽurovecPKZ-1观测直升机使用。但是这种飞行器必须保持与地面设施相连,飞得越高,重量越重电缆必须用它提升。

太阳能电池
太阳能电池将太阳光直接转换为电能,用于直接供电或临时存储。即使许多连接在一起,太阳能电池的功率输出也很小,这限制了它们的使用并且也很昂贵。然而,它们使用可自由使用的阳光使它们对于高海拔,长寿命应用具有吸引力。

对于耐力飞行,将飞行器整夜保持在空中通常需要备用存储系统,该系统在黑暗时段供电并在白天进行充电。

超级电容器
超级电容器可以存储有限量的能量用于短时间的高功率使用,例如在起飞时,但由于其相对小的存储能力,它不适合作为主要电源。它比小型电池的优点是能够以更高的峰值电流更快地充电和放电。

燃料电池
燃料电池利用两种流体(如氢气和氧气)之间的反应来产生电能。与电池不同,流体不会存储在电池中,而是从外部吸入。这提供了比电池更大范围的前景和实验例子飞行,但该技术尚未达到生产。

微波炉
诸如电力电缆之类的微波等电磁能量的功率发射需要基于地面的电源。然而,与电力电缆相比,功率发射在高度增加时承受更少的重量损失。该技术已在小型模型上得到验证,但仍在等待实际开发。

历史

先锋
在19世纪后期发生的飞艇发展过程中首次试验了用于飞机推进的电力。 1883年10月8日,Gaston Tissandier驾驶了第一架电动飞艇.292第二年,Charles Renard和Arthur Krebs用更强大的发动机飞往法国.306即使有飞艇的起重能力,也需要重型蓄能器存储电力严重限制了这种早期飞艇的速度和范围。

对于诸如空气观察平台的系留装置,可以使系绳上电。为了创造一个比当时使用的笨拙气球更实用的解决方案,奥地利 – 匈牙利Petróczy-Kármán-ŽurovecPKZ-1电动直升机于1917年飞行。它有一个特别设计的190马力(140千瓦)由Austro-Daimler制造的连续额定电动机,并从地面直流发电机接收电缆。然而,电动机对于这种应用来说还不够强大,并且仅在几次飞行后电机就烧坏了。

据称,1909年,一种电动自由飞行模型飞行了8分钟,但是这种说法在1957年第一次记录的电动无线电控制模型飞机的建造者中引起了争议。电动飞行的功率密度即使对于小型模型也是有问题的。

1964年,雷神公司的威廉·C·布朗驾驶一架模型直升机,该直升机获得了微波动力传输所需的所有动力。

第一个原型
在开发镍镉(NiCad)电池之前,无法实现全尺寸飞机的成功,其存储重量比比旧技术高得多。 1973年,Fred Militky和Heino Brditschka将Brditschka HB-3机动滑翔机改装为电动飞机Militky MB-E1。它飞行了14分钟,成为第一架以自身力量飞行的载人电动飞机。

几乎与NiCad技术并行开发的太阳能电池也逐渐成为可行的电源。在1974年成功进行模型试验之后,1979年4月29日,世界上第一次使用太阳能载人飞机进行官方飞行.Mauro Solar Riser使用光伏电池在30伏时提供350瓦特。它们为一个小电池充电,从而为电机供电。在充电1.5小时后,单独的电池能够为电机供电3到5分钟,使其达到滑行高度。

在弗雷迪·托(Freddie To)的指导下,太阳能一号由大卫·威廉姆斯设计,由太阳能飞机开发公司生产。一架电动滑翔机型飞机最初是作为踏板动力飞机建造的,用于尝试航道穿越,飞机被证明太重而无法通过人力成功供电,然后转换为太阳能,使用由充电电池驱动的电动机在飞行前由机翼上的太阳能电池阵列。 Solar One的首航于1979年6月13日在汉普郡的Lasham机场进行。

在成功的人力飞行之后,重新启动的克雷默奖使得机组人员能够在起飞前储存能量。在20世纪80年代,几种这样的设计存储了踩踏产生的电力,包括麻省理工学院君主和Aerovironment仿生蝙蝠。

由GüntherRochelt开发的人工驾驶Solair 1于1983年飞行,性能显着提升。它采用了2499个翼装太阳能电池。

德国太阳能飞机“IcaréII”由斯图加特大学飞机设计研究所(InstitutfürFlugzeugbau)于1996年设计和建造。该项目的领导者和该飞机的飞行员通常是Rudolf Voit-Nitschmann研究所所长。该设计获得了1996年的Berblinger奖,奥什科什的EAA特别成就奖,德国航空俱乐部的Golden Daidalos奖和1997年的法国OSTIV奖。

无人机
美国宇航局的Pathfinder,Pathfinder Plus,Centurion和Helios是由AeroVironment公司在1983年至2003年根据美国宇航局的环境研究飞机和传感器技术计划开发的一系列太阳能和燃料电池系统驱动的无人驾驶飞行器(UAV)。 1995年9月11日,在美国国家航空航天局Dryden的12小时飞行中,探路者为太阳能飞机设置了500英尺(15,000米)的非正式高度记录。经过进一步修改后,飞机被转移到夏威夷考艾岛上的美国海军太平洋导弹射程设施(PMRF)。 1997年7月7日,探路者将太阳能飞机的高度记录提升至71,530英尺(21,800米),这也是螺旋桨驱动飞机的记录。

1998年8月6日,Pathfinder Plus将太阳能和螺旋桨驱动飞机的全国海拔记录提升至80,201英尺(24,445米)。

2001年8月14日,Helios设置了96,863英尺(29,524米)的高度记录 – FAI级U(实验/新技术)和FAI级U-1.d(遥控无人机:质量500公斤至小于2,500公斤)以及螺旋桨驱动飞机的高度记录。 2003年6月26日,在飞机遇到动荡之后,Helios原型机在太平洋附近分离并坠入太平洋,结束了该计划。

QinetiQ Zephyr是一种轻型太阳能无人机(UAV)。截至2010年7月23日,它拥有超过2周(336小时)的无人驾驶飞行器的续航记录。它采用碳纤维增强聚合物结构,2010版重50公斤(110磅)(2008版重达30公斤(66磅)),跨度22.5米(2008版本有18米(59英尺)) 。在白天,它使用太阳光为锂硫电池充电,这些电池在夜间为飞机提供动力。 2010年7月,Zephyr创造了世界纪录的无人机续航时间为336小时22分8秒(超过两周),并为FAI级U-1.c设置了70,742英尺(21,562米)的高度记录(远程受控无人机:重量50千克至小于500千克)。

轻型飞机
第一台商用,非认证的生产型电动飞机,Alisport Silent Club自动下滑式飞机,于1997年飞行。它可选配13千瓦(17马力)直流电动机,运行40千克(88磅)储存1.4千瓦时能量的电池。

2003年,Lange Antares 20E获得了第一张电动飞机适航证书。另外还有一台电动自行发射的20米滑翔机/滑翔机,配备42千瓦DC / DC无刷电机和锂离子电池,充满电的电池可以爬到3000米。第一次飞行是在2003年。2011年,该飞机赢得了2011年的Berblinger比赛。

2005年,AC Propulsion的Alan Cocconi在其他几名飞行员的协助下,一架名为“SoLong”的无人驾驶飞机48小时不停飞行,完全由太阳能推动。这是第一次这样的全天候飞行,用于存储在飞机上的电池中的能量。

2007年,非营利性CAFE基金会在旧金山举办了首届电动飞机研讨会。

波音公司领导的FCD(燃料电池演示)项目使用Diamond HK-36 Super Dimona电动滑翔机作为氢燃料电池动力轻型飞机的研究试验台。成功的航班于2008年2月和3月进行。

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第一次NASA绿色飞行挑战赛于2011年举行,并于2011年10月3日由Pipistrel Taurus G4赢得。

2013年,Chip Yates展示了世界上最快的电动飞机,长途ESA,改良的Rutan Long-EZ,在国际航空联合会(FédérationAéronautiqueInternationale)验证的一系列试验中,可以胜过汽油动力的赛斯纳和其他飞机。发现长ESA较便宜,具有较高的最大速度和较高的爬升率,部分原因在于飞机在没有燃烧的情况下保持高海拔性能。

2017年,西门子使用经过改进的Extra EA-300杂技飞机330LE创造了两项新纪录:3月23日在德国Dinslaken Schwarze Heide机场,该飞机的最高时速达到340公里/小时(180 kn )超过三公里;第二天,它成为第一架牵引电动飞机的滑翔机。

Solar Impulse环球航行
Solar Impulse 2由四个电动机提供动力。来自机翼上的太阳能电池和水平稳定器的能量存储在锂聚合物电池中并用于驱动螺旋桨。 2012年,第一艘太阳能冲击器号由太阳能飞机首次进行洲际飞行,从西班牙马德里飞往摩洛哥拉巴特。

Solar Impulse 2于2014年完工,其中包括更多的太阳能电池和更强大的发动机。 2015年3月,这架飞机在计划的环球旅行的第一阶段起飞,从阿拉伯联合酋长国阿布扎比向东飞行。由于电池损坏,飞机在夏威夷停飞至2016年4月。2016年6月23日,飞机抵达西班牙塞维利亚。此后,它回到了阿布扎比,完成了环球航行。

发展
NASA Puffin是一个概念,于2010年提出,用于电动垂直起降(VTOL)个人飞行器。

欧洲委员会为许多用于创新电动或混合动力推进飞机的低TRL项目提供了资金。 ENFICA-FC是欧盟委员会的一个项目,用于研究和演示以燃料电池为主要或辅助动力系统的全电动飞机。在为期三年的项目中,设计了一个基于燃料电池的动力系统,并在快速200FC超轻型飞机上飞行。

美国宇航局电动飞机试验台(NEAT)是位于俄亥俄州Plum Brook站的美国宇航局可重新配置的测试平台,用于设计,开发,组装和测试电动飞机动力系统,从小型,单人或双人飞机到20兆瓦(27,000马力) )客机。 NASA研究协议(NRA)被授予开发电动推进部件。它们将于2019年完工,NASA内部工作将于2020年完成,然后将组装成兆瓦级驱动系统,在窄体尺寸的NEAT中进行测试。

美国国家航空航天局开发了X-57 Maxwell,以展示减少燃料使用,排放和噪音的技术。从Tecnam P2006T改装后,X-57将配备14个电动马达,驱动螺旋桨安装在机翼前缘上。 2017年7月,Scaled Composites通过用电动机替换活塞发动机改装第一台P2006T,于2018年初飞行,然后将电机移至翼尖以提高推进效率,最后安装高纵横比机翼12较小的道具。

2017年9月,英国廉价航空公司EasyJet宣布与Wright Electric合作开发2027年的电动180座。美国莱特电器成立于2016年,确实采用了272千克(600磅)电池构建了一个双座概念验证,并相信它们可以通过更轻的新电池化学成分进行扩展:291纳米(540千米)范围足以满足20%的Easyjet乘客需求。莱特电气将开发一款10座,最终至少120名乘客的单通道短途客机,目标是降低50%的噪音,降低10%的成本。

2018年3月19日,以色列航空航天工业公司宣布计划开发一种短途电动客机,并以其小型UAS电力系统经验为基础。它可以在内部开发,也可以像Israel Eviation,美国Zunum Aero或Wright Electric这样的初创公司开发。

总部位于澳大利亚的MagniX公司希望在2019年8月之前使用540千瓦(720马力)马达驾驶电动塞斯纳208大篷车长达一小时。其Magni5已经以2,500转/分钟的速度连续产生265-300千瓦(355-402马力)的峰值,效率为95%,干质量为53千克(117磅),功率密度为5千瓦/千克,与260千瓦(350千瓦)竞争hp),50公斤(110磅)西门子SP260D用于Extra 330LE。

电气系统减少排放
空中客车包括A320型前轮,一个动力电动马达,允许它到达起飞区域或出口坡道,避免在此旅途中使用主发动机,从而大大减少内燃机的使用,这有助于延长其使用寿命并减少对环境的影响。该技术由德国航空航天中心与空中客车公司和汉莎技术公司合作设计,可以减少机场内污染物排放17%至19%,同时还可以降低这些空间提交的声压。

电池
空中客车集团计划使用的电池每千克可存储1,000瓦时,这是典型锂离子电池的五倍。锂 – 空气和锂 – 硫等新化学品可以提供更多的容量。

已经示出了新熔化空气电池的三个示例。 18它们是钢,碳和VB2,具有10,000,19,000和27,000 Wh /升的固有体积能量。由于简单的电子转移和低密度限制,这与锂 – 空气电池的固有容量(6,200Wh /升)相比是有利的。

混合动力
由波音和捷蓝航空支持的Zunum Aero自2013年起开始运营10至50座混合动力电动支线飞机系列。 2017年10月5日,Zunum开始开发6至12座飞机,其动力系统安装在试验台上并于2019年飞行。为了在2020年飞行并于2022年交付,它应该将运营成本降低40- 80%达到78座Dash 8-Q400的可用座位里程(ASM)成本。

2017年11月28日,空中客车公司宣布与罗尔斯·罗伊斯公司和西门子公司建立合作伙伴关系,共同开发E-Fan X混合动力电动客机演示器,并于2020年开通。

1300马力的GE催化剂可用于混合动力电动推进:2016年末,通用电气改进了GE F110战斗机涡轮风扇,从其HP涡轮机中提取250千瓦,从LP涡轮机提取750千瓦,由美国空军研究实验室支持, NASA与GE Global Research一起开发并测试了一台1兆瓦的电动机/发电机,并测试了一台液冷式逆变器,将2,400伏直流电转换为三相交流电,采用碳化硅开关和1.7千瓦MOSFET功率模块。

到2018年5月,咨询公司Roland Berger计算了近100架电动飞机正在开发中。这比去年增加了70%,其中60%来自创业公司,32%来自航空航天公司,其中一半来自主要原始设备制造商,8%来自学术,政府组织和非航空航天公司,主要来自欧洲(45%)和美国(40%)。大多数城市空中出租车(50%)和通用航空飞机(47%),大多数是电池供电(73%),而一些是混合动力(31%),大多数是大型客机。业内专家预计,到2032年,伦敦 – 巴黎等航线将推出50多座混合动力电动客机。

据德事隆航空公司称,电力和混合动力电力推进的潜力仍然受限于通用航空,因为电力储存的比能量仍然是航空燃料的2%。航空公司需要混合配置:包括包装和附件在内的锂离子电池可提供160 Wh / kg,而航空燃料可提供12,500 Wh / kg。由于电机和转换器效率更高,其可用轴功率接近145 Wh / kg电池,而燃气轮机产生6,545 Wh / kg燃料:45:1比率。

TRL为4,欧盟在三年内以655万欧元的价格资助了Hypstair计划:Tipistrel Panthera样机获得了串联混合动力电动机,地面测试了一台200千瓦的电动机,仅由电池驱动,功率为100千瓦仅发电机和两者相结合。接下来是2017年Mahepa项目,欧盟资助四年,根据地平线2020研究计划投入900万欧元,在2050年将航空碳排放量减少70%,直至进入产品开发前的TRL 6。 Panthera动力传动系统将分为以下模块:电动机推力发电机和机头内燃发电机,人机界面和计算机,机翼燃料和电池。计划于2019年进行地面试验,然后在2020年进行飞行试验。

双机身,四座,电池供电的Pipistrel Taurus G4于2016年9月获得了一架DLR氢燃料电池动力传动系统作为HY4飞行,机身中的机身,燃料电池和电机装有氢气罐和电池。合作伙伴包括德国电机和逆变器开发商Compact Dynamics,Ulm University,TU Delft,Politecnico di Milano和马里博尔大学。几个月后,地面和飞行测试应该遵循Panthera的测试。

在他们的地面处理中,将扩展到19座和70座飞机将分为两种配置:更多相同尺寸的电动分布式推进模块,或更大尺寸模块推断飞行测试结果,为双螺旋桨提供动力。航班将测试系统行为,测量性能和可靠性,并评估故障模式。目标是故障率为每1000万小时一次,低于客机,具有非常可靠的组件或冗余。

应用
目前,电池供电的电动飞机具有比由内燃机驱动的电动机更有限的有效载荷,范围和耐久性。然而,飞行员培训是一个强调短途飞行的领域。有几家公司制造或已经证明适合初始飞行训练的轻型飞机。空中客车E-Fan的目标是飞行训练,但该项目被取消。 Pipistrel生产轻型运动电动飞机,如Pipistrel WATTsUP。 Aero Electric Sun Flyer的原型。与航空燃料相比,电动飞机用于飞行训练的优点是电能成本较低。与内燃机相比,噪音和废气排放也减少了。

电动旋翼机
尽管奥地利 – 匈牙利的Petróczy-Kármán-Žurovec团队于1917年驾驶一架实验性的系留军用观察直升机,但直到现代才开始使用电力进行转子飞行。

无人
轻型部件使得用于娱乐目的的小型廉价无线电遥控无人机(通常称为无人驾驶飞机,特别是广泛的四轴飞行器)得以开发。

载人
解决方案F / Chretien Helicopter是世界上第一架载人,自由飞行的电动直升机,由Pascal Chretien开发。该概念从2010年9月10日的概念性计算机辅助设计模型到2011年3月1日的第一次30%功率测试 – 不到6个月。该飞机于2011年8月4日至12日首飞。所有开发均在法国Venelles进行。

2016年2月,Philippe Antoine,AQUINEA和ENAC,EcoleNationaleSupérieuredel’Aviation Civile,在法国Castelnaudary Airfield成功驾驶了第一架名为Volta的全电动常规直升机。 Volta在2016年12月展示了15分钟的悬停飞行。这架直升机由两台PMSM电机驱动,可提供80千瓦和22千瓦时的锂电池。 Volta由法国适航当局DGAC正式注册,并获准在法国民用领空飞行。

2016年9月,Martine Rothblatt和Tier1 Engineering成功测试了一架电动直升机。五分钟的飞行高度达到400英尺,最高速度为80节。罗宾逊R44直升机改装了两个三相永磁同步YASA马达,重100磅,加上11磅重1100磅的Brammo锂聚合物电池和一个数字驾驶舱显示器。它后来在2016年飞行了20分钟。

项目
西科斯基Firefly S-300是一个对电动旋翼机进行飞行测试的项目,但由于电池限制,该项目被搁置。世界上第一台大型全电动倾斜旋翼机是AgustaWestland Project Zero无人机技术演示器,该演示于2011年6月在公司正式批准后不到六个月就地面电源进行了无人拴系战斗。

空中客车城市空中客车是一种电动垂直起降飞机的演示。多旋翼飞机的目的是携带四名乘客,最初是飞行员,并在法规允许时自行驾驶。其首次无人驾驶航班计划于2018年底进行,2019年后将进行载人航班。计划于2023年进行型式认证和商业介绍。

商用航空
2017年9月,Easyjet公司在美国初创公司Wright Electric的短途旅行中宣布了2027年的商业启动,几乎全部是电动设备,最大自主权为540公里,容量为120至220乘客。预计2037年之前二氧化碳排放量为零的航班。两天后,Bertrand Piccard回应说,商用航班的电动飞机很可能34。

由波音和捷蓝航空公司协助的Zunum Aero公司于2017年10月宣布实现混合动力飞机,该飞机能够在2022年载入12人,速度为550公里/小时,行驶里程为1,100公里。

2017年4月放弃E-Fan后,空客,劳斯莱斯和西门子于2017年11月宣布了E-Fan X项目,用于测试区域型飞机(90个座位)的混合动力推进系统。这三个小组将在2020年之前制作一个飞行示范者;他们将用两兆瓦的电动机取代四架BAE146测试飞机中的一架。然后,如果它工作,有两个2兆瓦的发动机。相比之下,E-Fan正在运行两个30千瓦的反应堆。

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