電力推進(jìn)將向空中領(lǐng)域發(fā)展，就像在地面上一樣，最初使用電池來輔助燃料發(fā)電機(jī)。

我坐進(jìn)一架堪稱全球最特別的飛機(jī)的駕駛艙里，這是一架名為330LE的兩座訓(xùn)練機(jī)，由艾克斯特飛機(jī)公司制造，配備的電動馬達(dá)來自西門子公司。西門子公司雖然規(guī)模宏大，但航空領(lǐng)域并不是它的強(qiáng)項。我剛把腳從控制踏板上移開，駕駛員就啟動飛機(jī)了。

螺旋槳立即飛速旋轉(zhuǎn)，變得透明。但它特別安靜，我們可以不戴耳麥輕松地聊天，這也是電動飛機(jī)的首要特征。

飛機(jī)在布達(dá)佩斯郊外一處草地上的小型跑道上開始滑行。當(dāng)時是上午10點(diǎn)鐘，天氣晴朗，遠(yuǎn)處是一片片的農(nóng)田。飛機(jī)突然起飛，開始大角度爬升，地面上的房屋也顯得越來越小。飛機(jī)下方的一頭奶牛甚至都沒抬頭看我們。這種與特斯拉Model S的“瘋狂模式”相同的航空加速是電動飛機(jī)的另一個特征。并且這種電動馬達(dá)的所有性能都可以即時體驗到。

接下來，飛機(jī)進(jìn)行了俯沖、轉(zhuǎn)向和上升等操作，我感覺我的五臟六腑都移位了。登機(jī)之前，西門子布達(dá)佩斯研究中心的負(fù)責(zé)人蓋爾蓋伊?喬治亞?巴拉茲（Gergely Gy?rgy Balázs）略帶歉意地表示，僅有一架半特技表演的飛機(jī)。（所幸全特技表演的飛行員出差了。）

15分鐘令人興奮的飛行后，電池電量消耗了一半，剩下不到10千瓦時，也是時候返回地面了。這也是電動飛機(jī)的最后一個特征。盡管現(xiàn)在的鋰離子電池（電池架就在駕駛員座艙的前方）的容量比幾年前要大，但還是抵不上一箱汽油。所以，全電動飛機(jī)在未來幾年內(nèi)將僅限于短途飛行，大多是鄰近區(qū)域而非城市之間的飛行。

航空業(yè)溫室氣體的排放量占全球的2%～3%。但由于大量的氣體被排入了平流層，所以造成該行業(yè)的有效減排對于整體的影響更大。隨著航空旅行的增加以及電力和汽車等其他排放源的減少，在未來幾十年，航空業(yè)占整體排放的份額將會急劇上升。

2016年，23個國家同意按照聯(lián)合國機(jī)構(gòu)國際民航組織（ICAO）的標(biāo)準(zhǔn)，自2020年起開始限制商用飛機(jī)的碳排放。因此，全球的研究者現(xiàn)在都致力于研究減少碳排放的方法。

但如果僅限于這種距離近得可笑的短途飛行，電動飛機(jī)又如何發(fā)揮作用呢？電動飛機(jī)之所以被視為航空業(yè)重大技術(shù)變革的關(guān)鍵一步，是因為它們將再次演繹汽車工業(yè)剛剛開始的從內(nèi)燃機(jī)到電動機(jī)的轉(zhuǎn)移。也許再過15年，油電混合動力飛行器將應(yīng)用在短中途航線中?；旌蟿恿︼w機(jī)使用燃料，但用得很節(jié)省。

拜耳航空公司首席執(zhí)行官喬治?拜耳（George Bye）說：“我們在小型電池動力訓(xùn)練機(jī)方面的研究將會產(chǎn)生巨大影響，因為從物理學(xué)上來講，我們的改進(jìn)是可行的。”目前，拜耳與西門子達(dá)成合作，西門子計劃為其生產(chǎn)的電動訓(xùn)練機(jī)提供馬達(dá)?！安贿^飛機(jī)要想實(shí)現(xiàn)更快的速度和更高的質(zhì)量，就需要混合配置。航空業(yè)正致力于實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)?！?/p>

當(dāng)前我們需要混合動力機(jī)型，因為每千克航空燃料儲存的能量為12.5千瓦時，而每千克鋰電池僅能儲存0.16千瓦時，其中包括封裝重量和保持電池安全性的其他裝置。

要想將混合動力成功應(yīng)用于航空領(lǐng)域，還需要許多先進(jìn)技術(shù)。這些技術(shù)當(dāng)然可以通過制造混合動力飛機(jī)的研發(fā)項目來實(shí)現(xiàn)；但更重要的是，諸如西門子這類公司將努力引入電動飛行器，并打造一個未來產(chǎn)業(yè)——城市載人空中出租車，數(shù)量將超過無人機(jī)。西門子公司正在與空中客車公司合作開發(fā)一項名為“城市空中巴士”的全電動項目?？湛凸就瑫r還在其硅谷的子公司開展了另一項名為“伐訶納”（Vahana）的項目。還有很多其他的初創(chuàng)公司也在推進(jìn)相關(guān)技術(shù)，如中國的億航公司在今年年初首次公開演示了一名工程師駕乘一架八旋翼直升機(jī)飛上天空的過程。

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在航空業(yè)，大部分混合動力設(shè)計基于串行體系結(jié)構(gòu)，首先是燃油引擎（內(nèi)燃機(jī)或是渦輪機(jī)）驅(qū)動發(fā)電機(jī)，然后發(fā)電機(jī)為電動機(jī)提供動力，在轉(zhuǎn)動推進(jìn)器的同時為電池充電。在這個方案中，電池提供起飛所需的爆發(fā)動力，這樣就可以讓技術(shù)人員將燃料引擎調(diào)整到理想的運(yùn)行速度。懸掛在機(jī)翼上的大型噴氣發(fā)動機(jī)只用來保障飛機(jī)起飛，在其他時間基本都處于閑置狀態(tài)，而且還增加了飛機(jī)的重量。

當(dāng)然，混合動力還有其他優(yōu)點(diǎn)。通過電纜分布動力，混合動力設(shè)計可以把推進(jìn)器放在任何想放的位置，而不必將所有組件都布置在巨大的引擎附近。有些混合動力設(shè)計設(shè)想將推進(jìn)器放在機(jī)身尾部，甚至放在垂直穩(wěn)定翼的頂部。

目前，有兩大聯(lián)盟正致力于研究混合動力。在歐洲，除了“城市空中巴士”項目之外，空客公司還和西門子、勞斯萊斯組成了聯(lián)盟。在美國，波音和捷藍(lán)航空參加了由位于華盛頓柯克蘭的初創(chuàng)公司Zunum Aero管理的一項競爭項目。兩大聯(lián)盟都聲稱將于本世紀(jì)20年代初期實(shí)現(xiàn)空中混合動力。

空客集團(tuán)計劃從改造現(xiàn)有飛機(jī)入手，他們選擇的是英國宇航公司型號為146的一架100座飛機(jī)，在其4個翼吊短艙中，有一個放置的不是引擎，而是一個2兆瓦的電動機(jī)。機(jī)身中有一臺小型燃?xì)廨啓C(jī)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動發(fā)電機(jī)（可以減小空氣阻力），為電動機(jī)提供動力。如果電氣系統(tǒng)出現(xiàn)故障，3個傳統(tǒng)動力推進(jìn)器能保證飛機(jī)安全飛行。據(jù)報道，空客公司準(zhǔn)備在明年的巴黎國際航空展上展示這款混合動力飛機(jī)。

美方聯(lián)盟則對其計劃守口如瓶。2017年8月，通用航空發(fā)布了一份白皮書，概括了其在混合動力電動發(fā)電機(jī)方面進(jìn)行的實(shí)質(zhì)性工作。在一次地面試驗中，通用航空公司用一臺額定功率為1兆瓦的電動機(jī)驅(qū)動了直徑3.3米的螺旋槳。另一次試驗中，它使用通用F110型噴氣發(fā)動機(jī)中的壓縮機(jī)驅(qū)動1兆瓦的發(fā)電機(jī)，引擎同時持續(xù)產(chǎn)生推力。

雖然關(guān)于兩大聯(lián)盟更詳細(xì)的消息很少，但它們還是在采訪中很清楚地說明，它們正致力于4大類技術(shù)的改進(jìn)：電池容量、電動機(jī)和發(fā)電機(jī)重量、電力電子的效率以及機(jī)身材料和設(shè)計。比如在歐洲聯(lián)盟中，西門子致力于改進(jìn)發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)和電子設(shè)備。此外，西門子已對部分小型飛機(jī)進(jìn)行全電動設(shè)計改造，確信將部件組裝到飛機(jī)內(nèi)，即可對它們進(jìn)行整體優(yōu)化。

“通過研究從飛行員到螺旋槳等所有環(huán)節(jié)，我們正在積累整體電推進(jìn)系統(tǒng)的經(jīng)驗?！蔽鏖T子電動飛機(jī)部主管弗蘭克?安東（Frank Anton）說道，“要了解這些，唯一的方法是實(shí)際操作。”

相較而言，電動機(jī)體積小、重量輕，有很多可選部件。你可以在機(jī)翼上安裝一系列小型推進(jìn)器，縮短起飛距離。NASA甚至在研究沿著機(jī)翼邊緣安裝一堆螺旋槳的設(shè)計，這樣就可以按需引導(dǎo)操縱面的氣流，提高升阻比。結(jié)果就是機(jī)翼變得更短、更窄。

安東說：“若將電力從推進(jìn)力中分離出來，瞬間你就會擁有各種矢量推力的應(yīng)用?！?/p>

降低電動系統(tǒng)重量的關(guān)鍵挑戰(zhàn)有以下兩個：首先，必須提升電池的能量密度，這是一個漸進(jìn)過程，直到鋰離子電池完全被某種全新的技術(shù)所替代，如金屬空氣電池；第二，電動機(jī)以及電動發(fā)電機(jī)的功率密度也要提升。當(dāng)然，這是西門子的專長。

西門子在全特技飛機(jī)的前端安裝了公司自己生產(chǎn)的SP260D航空電動機(jī)，其重50千克、功率為260千瓦，功率重量比高達(dá)5.2千瓦/千克。（半特技飛機(jī)的功率重量比與其大致相同，但體積僅為其一半多。）2016年，艾克斯特330LE于德國丁斯拉肯場地首次公開飛行；2017年創(chuàng)下電動飛機(jī)時速340公里/小時的紀(jì)錄。西門子的工程師們正在努力研究如何進(jìn)一步提升電動機(jī)的功率密度。

在布達(dá)佩斯研究中心，巴拉茲把我?guī)У揭婚g實(shí)驗室的工作臺前，遞過來一個被鋸成兩半的電動機(jī)。這是定子的一半；定子是旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子周邊的固定部分。鋸開的表面里嵌有銅繞組的矩形橫截面，看起來就像墻上堆砌的磚塊。這種直線結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)高功率的關(guān)鍵，能防止空氣間隙干擾電線與液體冷卻外殼間的熱傳導(dǎo)。因此，必須要將熱量轉(zhuǎn)移出去，否則電線絕緣就會被損壞，進(jìn)而造成短路。

巴拉茲表示：“我們需要比圓形電線更均勻的熱傳導(dǎo)，也希望電絕緣性能更好，這些對航空電機(jī)來說很重要?！倍鏖T子在日本供應(yīng)商古河電氣工業(yè)株式會社專門定制了這種電線。

工程師們每天進(jìn)行著這些枯燥乏味的研究工作，將重量一克一克地減輕。這種手工方法讓這些人造寶石比勞力士手表都昂貴。當(dāng)我拿起一個掂一下它的重量時，巴拉茲表現(xiàn)出了明顯的擔(dān)心。于是，我趕緊小心地把東西放回去了。

巴拉茲告訴我，再過幾年，每年都會制造出數(shù)以千計的電動機(jī)用于空中出租車，西門子及其所有制造空中出租車的競爭對手預(yù)言的這種車輛將像蝗蟲一樣穿行在城市中。那時電動機(jī)的單位成本將會下降，可能會低于當(dāng)今內(nèi)燃機(jī)引擎的水平，盡管內(nèi)燃機(jī)里有成百上千的零部件及無數(shù)復(fù)雜的機(jī)械交互作用。

最終，革命性的改進(jìn)將取代點(diǎn)滴的雕琢。一個重大突破是20世紀(jì)80年代初，通用汽車公司和住友特殊金屬株式會社分別在電動機(jī)中引入了超強(qiáng)釹磁鐵。下一個重大變革就要瞄準(zhǔn)超導(dǎo)線纏繞電磁鐵的機(jī)器了。

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如果電動發(fā)電機(jī)有超導(dǎo)繞組，就幾乎不會產(chǎn)生廢熱，而這個夢想也只能在高溫超導(dǎo)體出現(xiàn)之后才能考慮。陶瓷材料的超導(dǎo)溫度為零下135攝氏度，比原先的金屬超導(dǎo)體“熱”約100攝氏度。因此，為了接近絕對零度，設(shè)計人員可以用液氮代替液氦來進(jìn)行冷卻。

西門子基于該理念已經(jīng)研究了近20年。最初的計劃是將超導(dǎo)電動機(jī)放在空間和重量都極其珍貴的海船上。即使如此，公司現(xiàn)在的機(jī)器版本（作為發(fā)電機(jī)）還是比成年人的體積大。因此，公司的工程師目前在縮小用于航空領(lǐng)域的機(jī)器體積。其終極能量密度目標(biāo)是10瓦/克。西門子并未給我展示這件產(chǎn)品，只提供了一張較大型超冷卻機(jī)器的圖片，上面附有未來航空版本的圖紙。圖紙尺寸大概是圖片的1/10。

其他公司也在努力研究制冷機(jī)。通用航空公司正在為NASA研制低溫冷卻設(shè)備，但通用電氣對此不愿提供任何信息。所有的公司都守口如瓶，也許是不情愿告知，也許是沒有太多要告知的內(nèi)容。NASA預(yù)計，無論如何，使用不低于30兆瓦功率的低溫系統(tǒng)的客機(jī)在21世紀(jì)30年代中期之前是不會出現(xiàn)的。

為了充分利用這種超導(dǎo)電動機(jī)以及混合動力系統(tǒng)中的超導(dǎo)發(fā)電機(jī)，還需要超導(dǎo)功率變換器。NASA與通用公司簽訂了合同，為其生產(chǎn)效率達(dá)99%、功率重量比為19千瓦/千克的逆變器。

集成電動機(jī)的混合動力設(shè)計尚處于研究之中，可能會采用燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)。西門子的工程師首先在硅片上建立了模型，我瞥了一眼電腦屏幕，上面是一種交互模擬，是一種普通氫冷電機(jī)的標(biāo)記?！斑@是一個混合動力系統(tǒng)，它可以告訴我們功率分配如何運(yùn)作?！卑屠澑嬖V我。

現(xiàn)在燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)常被用作電網(wǎng)的備用電源，這種情況下組件的重量并不重要。而許多軍用飛機(jī)在飛行中通過噴氣發(fā)動機(jī)的壓縮機(jī)或飛機(jī)向前運(yùn)動產(chǎn)生的氣流來提供電力。

要節(jié)省幾千克重量，工程量就如此之大，看起來有點(diǎn)大費(fèi)周章，但這么做是值得的。電動機(jī)上節(jié)省1千克重量，電池重量就可以額外增加1千克。美國聯(lián)合航空公司近期使用質(zhì)量較輕的紙來印刷雜志，每份雜志可減少28克，這樣每次航班可減少約5千克，計算下來，這一行為可為公司每年節(jié)約64萬升燃油，價值29萬美元。

這就是為什么波音787等新的大型客機(jī)會使用如此多的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。330LE也是如此——一個人就能把飛機(jī)從機(jī)庫里移出來。

好了，讓我們現(xiàn)在來看看最終成品吧。十幾年已經(jīng)過去了，現(xiàn)在運(yùn)行在航線上的混合動力飛機(jī)非常安靜，晚上可以在城市上空飛行。多虧了旋轉(zhuǎn)的推進(jìn)器，飛機(jī)可以從短跑道甚至市區(qū)內(nèi)的跑道上起飛。因為重量更輕、效率更高，這種飛機(jī)更節(jié)約能量。這就意味著飛行需要的成本更低，與當(dāng)今運(yùn)營成本遠(yuǎn)高于采購成本的商用飛機(jī)處境截然相反。

一項警告：大約十幾年后，混合動力飛機(jī)只會比傳統(tǒng)飛機(jī)稍微“環(huán)?！币稽c(diǎn)。只有混合動力的經(jīng)驗和經(jīng)濟(jì)規(guī)模使整個行業(yè)轉(zhuǎn)為純電動飛機(jī)時，才能做出巨大的改進(jìn)，也許要到21世紀(jì)30年代?！拔覀円娮C了混合動力使節(jié)能從4%升到20%?！蔽鏖T子位于慕尼黑的銷售與業(yè)務(wù)開發(fā)辦公室主任奧托?歐拉夫（Otto Olaf）說道，“如果飛機(jī)實(shí)現(xiàn)全電動化，節(jié)約的能源將會更多?！?/p>

航空業(yè)同樣引人注目的是要減少相關(guān)的溫室氣體排放。西門子公司的安東說：“歐盟的‘2050航線’項目旨在將排放量減少50%以上，但那時乘客數(shù)量預(yù)計會翻倍，因此我們至少需要4倍改進(jìn)?！?/p>

目前尚不清楚這些數(shù)字是如何計算出來的。最簡單的方法是將排放量與乘客里程進(jìn)行對比。更實(shí)在的方法是評估“所有相關(guān)”效果，同時考慮到所有在地面生產(chǎn)并存進(jìn)電池中供后期空中使用的電力。這種計算方法還應(yīng)考慮到用于制作電池、電動機(jī)、超輕碳復(fù)合機(jī)身及其他部件所消耗的能源。

“2050航線”項目還希望到2050年將飛機(jī)噪聲降低一半。事實(shí)證明，這是迄今為止航空業(yè)最大的舉措了。為規(guī)避對夜晚飛行的限制，航空公司投入了大量資金用于對噪聲大的舊飛機(jī)進(jìn)行消音改造，這項工作被稱為“裝置減音”。

安東說：“這是西門子和航空公司洽談時感到最驚訝的一點(diǎn)。我總是提到，對于飛行來說，安靜排在能量和排放之后。而現(xiàn)在它被排到了首位?！?/p>

這不是首個本意并非緩解全球變暖，卻有助于成功實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的綠色技術(shù)。人們購買混合動力普銳斯是為了節(jié)省燃油，購買特斯拉是為了加速超車保時捷。航空公司購買混合動力飛機(jī)是為了安靜運(yùn)行，減少溫室氣體排放幾乎就是一種副作用。但這些終究會實(shí)現(xiàn)的。