锂离子电池和太阳能电动飞机

未来谁将可能引领通用飞机技术的革命性发展？在环境友好、高效节能、结构简化方面，电动飞机或许是最好的答案。最近十多年，各类电动飞机研制进展迅速，小型锂离子电池电动无人机已被广泛使用，商品化有人锂离子电池飞机正在开发中，有人太阳能电动飞机已经开始分阶段环球飞行。本文将重要介绍取得突破性进展的锂离子电池和太阳能两种电动飞机。

电动飞机是指采用电动力系统、以电能作为推进能源的飞机。由于使用电动力系统代替内燃机动力，因此该类飞机独具很多优点——其中最突出的是节能环保和高效率，电动飞机可以实现接近零排放，是名符其实的环境友好飞机。电动飞机还具有安全可靠（不会发生爆炸和燃料泄漏）、结构简单、操作和维修简便等特点，此外在设计和使用中也有很多优势：设计上总体布局灵活，可采用最佳布局和非常规创新布局；使用中噪声和振动水平较低，乘坐舒适。一些具有超常性能的电动飞机，还可以满足特殊用途飞行的需求。

纯电动飞机根据其电动力系统的不同，可以分为太阳能、蓄电池（目前重要是锂离子电池）和燃料动力锂电池电动飞机三种。每种类型的电动飞机又可分为有人驾驶和无人驾驶两类。目前，有人驾驶锂离子电池飞机应用较广，重要用作私人飞机和娱乐飞行，在性能提高后也被用作飞行培训和商务旅行等用途。

锂离子电池电动飞机

电动飞机真正的发展始于上世纪70年代，过去十年中，有多达20～30项锂离子电池电动飞机技术研究和验证机项目试验成功。目前，锂离子电池电动飞机处于技术研究验证向商业化机型开发的过渡阶段，在各类电动飞机中，锂离子电池电动飞机有望最先取得商业成功，未来可能成为实用化电动飞机的主流机型。

斯洛文尼亚蝙蝠飞机公司的“电动金牛座”

锂离子电池电动飞机由初期简单的动力伞或超轻型动力滑翔机发展而来，演变成了两座轻型运动飞机。使用电动力后，飞机的飞行性能有了大幅提高，续航时间从数十分钟提高到了2小时以上，航程增大并且速度也有所提升，基本能满足娱乐飞行等一般使用要求。目前验证成功并正在开发的商品型锂离子电池电动飞机项目有斯洛文尼亚蝙蝠飞机公司（Pipistrel）的“电动金牛座”（TaurusElectro）、我国昊翔电能运动科技公司的E-430、E-Spyder和辽宁通航研究院的“锐翔”以及空客集团的E-Fan。

“电动金牛座”

斯洛文尼亚蝙蝠飞机公司研制的“电动金牛座”并列双座电动力滑翔机，气动性能优异，滑翔比达41∶1。机体采用全复合材料结构，装备有可收放动力装置系统以及整机降落伞系统，其锂聚合物电池布置在驾驶舱后面的动力舱内。飞机的基本技术数据：翼展14.97米，机长7.27米，机高1.41米；最大起飞重量450千克，空重322千克；最大飞行高度2000米，在特定高度飞行时其使用成本仅为0.7美元/小时。

E-430和E-Spyder

我国昊翔依靠其母公司在专家级模型飞机和相关领域的设计生产优势，聘请了德国和意大利专家并与斯图加特大学展开合作，于2005年左右开始开发电动力飞机。作为昊翔公司最具代表性的产品，E-430在2010年初实现首次载客飞行后，被称为世界上第一款商业化生产的电动飞机，从而成为开创电动力飞行时代的先锋机型之一。E-430赢得电动飞机领域的数项国际科技大奖，例如布里特保险设计博物馆奖和美国EAA最佳电动力飞机奖等。

我国昊翔的E-430

E-430采用近似动力滑翔机的外形设计，高度流线形低阻机身使飞行能耗降到最低。机头安装的动力系统重要包括电动机和三叶复合材料螺旋桨。机翼为独特的V形尾翼和悬臂式上单翼，翼型和机翼形状的设计具有高气动性能，全机滑翔比达到25∶1。起落架为典型板簧式结构，整机采用全复合材料，具有结构简单、效率高、重量轻等优点。E-430飞机飞行不消耗燃油，因此几乎不出现任何污染。螺旋桨驱动电机上仅有2个运动部件（轴承），因此可靠性和维修性非常好，优化设计后的螺旋桨使得飞机噪声低、振动轻，维修保障的工作量也很小。飞机的经济性突出，例如充电时间3小时的费用仅为5美元。E-430飞行时间可达到1.5～3小时（根据构型变化而不同），基本能满足用户的航程要求。目前，飞机已通过了德国适航认证，为了进一步促进其在国际市场上的销售，昊翔公司积极与美国联邦局（FAA）和美国试验和材料协会（ASTM）合作，推动两者出台电动力轻型运动飞机的适航标准。

E-430飞机基本技术数据：座位数为2座，翼展13.8米，机长6.98米，机高2.65米；空重171.5千克/255千克（包括蓄电池），标准起飞重量430千克；最大平飞速度150千米/小时，巡航速度95千米/小时，滑翔比24∶1；标准续航时间2小时（1个蓄电池组），最大续航时间3小时（2个蓄电池组）。

此外，昊翔公司与飞行之星公司（Flightstar）合作，开发了超轻型飞机的电动力改型——E-Spyder单座锂离子电池电动飞机。其动力装置为一台20千瓦的电机和两个蓄电池组，代替了原来的两冲程活塞发动机，飞机具有40分钟的续航时间，于2009年七月在美国EAA进行了展示。

“锐翔”

辽宁通用研究院一直以电动飞机技术为研究重点，约从2011年开始研制“锐翔”（RX-1E）锂离子电池电动飞机。“锐翔”是国内第一个正式申请型号合格审定的电动轻型运动飞机。2012年十一月，首架样机在珠海航展上展示，2013年原型机成功首飞。“锐翔”双座电动轻型飞机采用高效气动外形设计，具有良好的升阻特性，机翼设计为大展弦比上单翼，层流翼型，T形尾翼。起落架为固定前三点式，机体为全复合材料，采用碳纤维面板和泡沫夹芯结构，动力装置为一台SinetonA37k154稀土永磁同步电机。

飞机基本技术数据：翼展14.5米，机长6.6米，最大起飞重量480千克，最大巡航速度150千米/小时，设计航程148千米，实用升限1600米，续航时间40分钟。

我国昊翔的E-Spyder

E-Fan

空客集团公司（原EADS）高度重视电动飞机和电力推进系统的前沿技术，开展了大量创新研究，其中在电动飞机和未来概念飞机研制领域最重要的项目是E-Fan锂离子电池电动飞机。

空客的E-fan

E-Fan飞机项目在2011年巴黎航展上发起，作为空客创新厂与其他公司合作的首款四发全电动飞机Cri-Cri的延续，空客对E-Fan项目总体负责，并负责管理能源的系统和数据管理，其他工作由多家合作伙伴承担。E-Fan飞机的研制创造了最短研发时间纪录，其设计从2011年末开始，2012年十月完成技术验证机的设计评审，2013年展示验证机样机，2014年四月空客创新厂展示E-Fan电动飞机并公布E-Fan2.0和4.0生产型发展计划。2014年E-FAN首飞并参加了七月份的范堡罗航展。

E-Fan是全新概念的电动飞机，也是第一款专门设计的电动教练机。目前世界上几乎所有电动飞机均使用已有的常规动力飞机进行改装，而E-Fan从一开始就专门针对电力推进系统进行气动力设计。E-Fan采用串列双座中单翼布局，以及独特的后机身两侧布置涵道风扇发动机设计。大展弦比机翼具有复杂外形,可获得高气动性能。由于动力装置安装在机身的中线附近，因此具有较好的单发飞行操纵性。能量管理系统能够自动操作全部电气系统部件，从而简化了系统的监测和控制，降低了飞行员的工作负荷，使驾驶飞机的飞行教员和学员能够集中精力于培训任务。E-FAN全机采用先进全复合材料结构，另外，它的起落架系统也做了重要创新，能够减少日常使用中的能量消耗。

E-Fan的续航时间为45分钟至1小时，其锂离子电池可在1小时内完成充电，也可通过快速系统更换。两座的E-Fan飞机适用于执行基础飞行训练、滑翔牵引以及特技飞行任务，可以完成1小时飞行训练或30分钟特技飞行。E-Fan还可以大幅降低飞行员的培训成本，其每小时飞行成本仅为2欧元左右，而传统的教练机每小时燃油成本为36～46欧元。

E-Fan的系列化发展机型E-Fan2.0和4.0进行了多项重大更改，除去发动机的基本设计外几乎均是全新设计。E-Fan2.0为并列双座教练机，采用全电动力系统，使用锂离子电池电源；E-Fan4.0是2.0的加长四座型飞机，采用混合动力系统，新增一台内燃机，利用内燃机发电机系统给锂离子电池组供电，从而增大续航时间。E-Fan4.0重要面向私人飞机用户和通航俱乐部用户，也可用作教练机。空客和合作伙伴计划使E-Fan系列化飞机2017年底开始服役，届时将成为前列款按照国际适航标准设计并实现批量生产的全电动飞机。

太阳能电动飞机

太阳能电动飞机是以太阳辐射作为推进能源的飞机，动力装置一般由太阳能电池组、直流电动机、减速器、螺旋桨和控制装置组成。为了能铺设众多的太阳能电池来获得足够飞行能量，太阳能飞机的机翼面积都比较大。目前世界上最引人注目的有人太阳能电动飞机项目是美国太阳能飞行公司（SolarFlightInc.）的“寻日器（Sunseeker）”系列和瑞士的“阳光动力（SolarImpulse）”，这两种太阳能飞机均使用了各种先进技术，技术水平和飞机性能都达到了新的高度。

“寻日器”Ⅱ和“寻日器”DUO

太阳能飞行公司2000年在对“寻日器”飞机改进的基础上发展出“寻日器”Ⅱ飞机。“寻日器”Ⅱ的机翼进行了全新设计，更改了平面形状并增大面积以安装更多的新一代太阳电池，此外还采用了新的高效率太阳电池连接技术。其驾驶舱的设计能够减轻长时间飞行疲劳，并配有氧气系统以有利于高空飞行。其蓄电池在飞机起飞和爬升阶段供应辅助动力，电能可保证飞机飞到1000米高度。蓄电池接通后电量在15分钟内会被消耗光，但约90分钟内可再次充满电。使用太阳能时，飞机的速度能够达到64千米/小时，使用蓄电池时，速度高到可以进行娱乐飞行，低到可以打开座舱盖飞行。

“寻日器”Ⅱ的飞行方式类似于阶梯渐进式。首先，使用太阳能电池和蓄电池爬升至2000米高度，之后仅依靠太阳能便能保持平飞，此时电机可以关闭并使用太阳电池为蓄电池充电，不到2小时蓄电池充满电后飞机可以向另一个2000米高度爬升。在夏季通过这种方式飞机可以上升到6212米高度，中午时分飞机平飞可以到达4～5小时。遇到云层时，使用蓄电池电能可驱动飞机爬升到云层之上，这样就能避开恶劣天气，在气流平稳、太阳光充足的高空飞行。

“寻日器”Ⅱ飞机自2002年进行首次展示以来，已经飞行60多次，据称多于任何其他太阳能飞机的飞行次数。2009年四月，“寻日器”Ⅱ飞机在德国通用展上展出，荣获“E-flight”奖。同年，还实现了太阳能有人驾驶电动力飞机首次飞越阿尔卑斯山，并创造了6214米的最大飞行高度纪录，“寻日器”Ⅱ飞机也因此获得当年的世界飞行大会（AirGames）试验类飞机最高荣誉奖。2010年6到七月，“寻日器”Ⅱ飞机进行了横跨欧洲飞行，展现了飞机的良好使用性能，标志着有人驾驶太阳能电动飞机向实用化又迈进了一步。

“寻日器”DUO是“寻日器”Ⅱ的延伸型号，是前列款双座有人驾驶太阳能电动飞机，2009年开始研制，2013年十二月实现首飞，2014年五月首次完成载客飞行。目前“寻日器”DUO飞机正在进行一系列飞行实验，预期将实现持续飞行12小时。

“阳光动力”

“阳光动力”项目由瑞士神经学医生、探险家伯特兰•皮卡德（BertrandPiccard）发起，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）等多家研究机构供应技术支持，是世界上第一款具有昼夜持续飞行能力的有人驾驶太阳能飞机。为了宣传节能环保，推动可再生能源的开发和利用，“阳光动力”飞机进行了多项历史性创纪录飞行，并将实现横跨美国大陆和跨大西洋、太平洋的分阶段环球飞行。

“阳光动力”项目正式命名于2003年下半年，此后伯特兰•皮卡德成立了阳光动力公司开展飞机的研制工作。2003年底环球飞行太阳能飞机的初步方法出台，“阳光动力”飞机项目正式发起，伯特兰作为项目总负责人，领导飞机研制、寻找合作伙伴、募集资金等工作。工程师、飞行员和管理专家安德烈•博尔施博格（AndreBorschberg）担任CEO，负责搭建技术团队和监督飞机制造。两人同时还是“阳光动力”飞机的试飞员和驾驶员。“阳光动力”飞机研制团队集合了欧洲众多技术资源，团队成员均为技术领域相关专业的专家，有着卓越的才能和合作精神，此外，还得到了100多位专家顾问和数家国际知名公司和机构的鼎力支持。

美国太阳能飞行公司“寻日器”

“阳光动力”号飞机共有两架，分别为用于验证昼夜持续飞行技术的单座型技术验证机——“阳光动力”1号和双座型创纪录飞行飞机——“阳光动力”2号。“阳光动力”1号于2009年年中完成制造并进行首次地面高速滑跑试验；2010年实现首飞并完成了昼夜持续飞行26小时等飞行验证试验；2012年年中实现了横跨欧洲和非洲总航程6000千米的飞行；2013年中，实现分段横跨美国大陆的飞行。“阳光动力”2号于2013年完成制造，2014年六月成功首飞，继续进行一系列后续试验后，预计将于2015年开始分阶段环球飞行。

“阳光动力”1号的飞行是昼夜持续式的。锂聚合物电池作为电能存储装置，昼间飞行时将太阳能电池阵列的富余电能储存起来，夜间飞行时为电机供电。由于蓄电池存储的电能有限，还采用了电能转化成势能的方式，即白天利用富余电能推动飞机爬升到较高高度，夜间飞行时，逐步降低飞行高度，将势能转化成动能，使飞机保持空中飞行。

2004-2006年是“阳光动力”1号飞机研制的概念发展阶段，设计方法在此期间定型，最初的方法重要包括双公布局、卵形驾驶舱四公布局和一体式机身四公布局三种，经过多次调整和优化后，最终确定了一体式机身外形和布局。2007年，开始进行详细设计和原型机试制，陆续研制出了各种结构工程试验件、飞机系统设备和地面飞行模拟器，并进行了大量的试验和测试，包括结构强度检测、动力系统（电机-螺旋桨、锂-聚合物电池、控制系统、吊舱结构等）试验，以及全机振动试验等。

“阳光动力”1号横跨美国飞行

“阳光动力”飞机的设计和制造面对了前所未有的技术挑战，为此，研发团队首先研制出了一架单座型技术验证飞机进行全面的技术验证，特别是夜间飞行技术的验证。飞机夜间飞行时为了避开航线上的云层区域，要选用曲折蜿蜒的飞行路线，因此飞行方式更为复杂。2005年到2008年间，验证机在真实气象状况下进行多次模拟飞行，用于评估其整个夜间的飞行能力。“阳光动力”1号技术验证原型机，用于实现36小时空中持续飞行，采用了非增压座舱设计，2009年年中完成制造，2010年四月实现首次高高度飞行，飞机凭借蓄电池电能飞到了1200米高度，飞行时间87分钟。同年五月，首次完全使用太阳能电池动力飞行，飞行过程中太阳能电池还向蓄电池充电，此后，在进行26小时持续飞行实验时首次实现昼夜太阳能循环。

“阳光动力”1号飞机的研制和试验花费了近百名专家7年的时间，期间，获得了大量宝贵的创新相关相关经验，从最初的概念构想到各项任务的顺利完成，均实现了巨大技术进步。在此之后，研发团队又开发出了双座型“阳光动力”2号，用于执行超长续航时间飞行任务，包括横跨美洲大陆和大西洋，以及分段环球飞行。

“阳光动力”2号可实现环球飞行，其重要特点是尺寸加大，使用增压座舱和更先进的航电系统。2013年制造完成，计划2015年分阶段完成环球飞行。

“阳光动力”2号的设计目标是能够实现5昼夜持续飞行，因此相有关“阳光动力”1号进行了大量设计变动，机翼及动力舱布局全面更改，起落架、驾驶舱和机身也大幅度改进。“阳光动力”2号全机重量2300千克，整机结构重量效率达到普通滑翔机的十倍，并且内部有足够大的空间。其机身为全碳纤维复合材料加蜂窝夹芯结构，所用碳纤维薄板材料密度只有普通打印纸的1/3。机翼上表面蒙皮内封装太阳能电池板，下表面采用高强度柔性蒙皮。机翼具有良好的刚度和气动外形，翼展72米，超过波音747大型客机。锂离子电池系统使用高密度泡沫绝缘体包覆，安装在四个动力舱内。再加上单晶硅太阳能电池，电池总重约为全机重量的四分之一。四台电机安装在翼下动力舱内，通过减速器驱动双叶螺旋桨。整个系统效率94%，达到创纪录的水平。

“阳光动力”2号的飞行速度范围为36～140千米/小时，与小汽车大致相当。为了存储能量，飞机在昼间爬升到8500米高度，夜间下降到1500米高度。全机24小时飞行平均功率为15马力，与一辆摩托车相当。驾驶舱的设计保证单人持续飞行5～6个昼夜，能够适应外界环境-40°C～40°C的温度范围。驾驶舱容积3.8立方米，可载有氧气瓶组、降落伞、救生筏，以及一周的饮食供应等。

研制“阳光动力”飞机面对极大的技术挑战，许多技术难题是世界历史上前所未有的。研制团队凭借开拓创新、探索未知领域的精神，超越技术极限，独辟蹊径创造性地找到最佳解决方法，使飞机研制一步一步走向成功。

“阳光动力”项目历时12年，预算9800万美元，完成的工作包括：可行性研究、方法研究、设计和构件制造、2架飞机（1架单座验证机和1架双座创纪录飞行飞机）制造等。负责和参与项目的共有50名工程师和技术人员，80家合作伙伴，100多家顾问和供应商。瑞士联邦技术学院作为官方科学顾问，供应了各种研发能力极为强大的顶端实验室。此外，欧洲航天局（SEA）、达索飞机公司和国际运输协会也供应了技术支持。由于在开发“阳光动力”太阳能飞机方面的杰出贡献，特兰•皮卡德和安德烈•博尔施博格以及整个飞机研制创新团队都赢得了国际社会授予的高度荣誉。2009年，伯特兰和安德烈被授予布伦瑞克奖（BrunswickPrize），该奖用于表彰对经济和社会做出杰出贡献的科学家。2010年一月，职业和航天记者协会授予了他们伊卡洛斯奖（IcarusAward）。

期待“阳光动力”2号完成环球飞行的创举，推动太阳能电动飞机技术达到更高的高度！