電動化與自動駕駛，會成為飛機的熱點嗎？

隨著電池、馬達、電力電子等電子技術的進化，汽車行業(yè)的動力電動化和自動駕駛已獲得了驚人的進步。相反，由于飛機引擎具有嚴格的安全標準，一直以來人們都認為，無論從技術層面還是商業(yè)層面其電動化是不可能實現(xiàn)的，因此一直未采取有效舉措。

然而，根據(jù)日本航空機開發(fā)協(xié)會的數(shù)據(jù)，2019年的航空客運旅客人數(shù)約達到2001年的2.7倍。隨著航班數(shù)量的增加，兩個相關問題越來越受到業(yè)界的關注：

一、飛機排放氣體對環(huán)境造成的副作用令人堪憂；

二、預計航空事故隨航班數(shù)量將會相應增加，尤其飛機起降時的事故率較高。為了提高此類環(huán)節(jié)的安全性，自動飛行技術的開發(fā)是大勢所趨。

本文將就能夠解決飛機排放氣體問題的引擎電動化、以及能夠提高飛機航運安全性能的自動飛行技術的新信息進行解說。

“電動飛機”備受關注

“電動化”并不是航空業(yè)的新課題，到目前為止，飛機引擎的電動化主要是圍繞液壓泵和燃料供給裝置等輔助設備類進行的。飛機所搭載的多類裝置的電動化已經(jīng)得到相當大的發(fā)展，這一舉措稱為“飛機用引擎系統(tǒng)電動化（MEE：More Electric Engine）”，即用電力代替以往的機械或者液壓、氣壓來進行設備驅動的技術。

例如，以往燃料泵和液壓泵所需的驅動力是從噴氣引擎的動力和抽氣得到的，這一排氣過程即在燃氣輪機引擎中抽出由壓縮機壓縮的部分空氣。通過將其替換為電動馬達，可以實現(xiàn)了引擎負擔的減輕。此外，還通過在航空燃料中混合被稱為“SAF（Sustainable Aviation Fuel：可持續(xù)航空燃料）”的生物燃料，削減了二氧化碳的排放量，并通過推進風扇的大型化提高了燃料效率等。

然而，國際民航組織（ICAO：International Civil Aviation Organization）和國際航空運輸協(xié)會（IATA：International Air Transport Association）等機構提出了到2050年為止，要將二氧化碳排放量減至2005年一半的目標。在這樣的國際化進程中，顯而易見，僅依靠至今為止的引擎輔助設備電動化、燃料和油耗的改良等措施已難以達到目標。

因此，作為一項能夠同時滿足未來的航空需求增加和減少廢氣排放要求的技術，飛機引擎本身（推進系）的電動化備受矚目。將飛機引擎從噴氣引擎替換為電動馬達，可實現(xiàn)引擎的尾氣零排放或大幅減少。因此，對于很多航空相關的研究機構和飛機制造廠商來說，電動引擎的開發(fā)已成為一項緊迫的課題。

如何替代傳統(tǒng)噴氣引擎？

目前來看，替代噴氣引擎的電動引擎有兩種，一種是僅通過電動馬達獲得推力的“純電子方式”，另一種則是同時使用噴氣引擎和電動馬達的串并“混合方式”。

純電子方式，也稱為“全電子方式”。該方式的引擎由二次電池、電動馬達、推進風扇構成。用來自二次電池的電力來驅動電動馬達，并通過推進風扇的旋轉來得到推進力。

在這種方式中，不使用任何噴氣燃料，因此實現(xiàn)了二氧化碳的零排放。但由于其推進力依賴于電動馬達，僅由二次電池來進行電力供給，所以在目前的鋰離子電池的能量密度下，使用這種方式仍很難實現(xiàn)大中型飛機的飛行，僅能滿足單座和復座等小型飛機的飛行需要。

混合方式又分為“并聯(lián)混動方式”和“串聯(lián)混動方式”。兩種均為噴氣引擎或燃氣輪機與電動馬達相組合的方式，與純電子方式相比能夠長時間獲得更大的推力，因此也能夠滿足大中型飛機的飛行需要。

并聯(lián)混合動力引擎由噴氣引擎、二次電池、二次電池驅動的電動馬達構成，通過同時使用噴氣引擎和電動馬達來實現(xiàn)推進風扇的旋轉，從而獲得推進力。

串聯(lián)混動方式的引擎構成部分除電動馬達以外，還有發(fā)電機、發(fā)電機驅動用噴氣引擎及二次電池。噴氣引擎的旋轉傳至發(fā)電機，進行發(fā)電，并用產(chǎn)生的電力來驅動電動馬達，使推進風扇產(chǎn)生旋轉。

噴氣引擎的特征是，其作為發(fā)電機的驅動使用時在機體上的設置位置靈活度較高，對產(chǎn)生推力的電動風扇的配置位置和風扇數(shù)量也沒有限制。此外，也能夠再生不使用剩余電力和電動馬達時的噴氣引擎的旋轉能量，用于二次電池的充電。

這種方式是使用噴氣引擎所發(fā)電的電力來驅動電動馬達，因此在發(fā)電時會產(chǎn)生能量損耗。但通過充分利用其設計方面的高度靈活度，可實現(xiàn)推進風扇的配置和數(shù)量的大幅優(yōu)化，從而提高推進效率。

自動飛行是純技術活兒！

飛機的自動飛行技術其實已經(jīng)早已存在，在起飛后的航行中已經(jīng)能夠實現(xiàn)穩(wěn)定的航行，但是在起飛中以及條件較差的情況下，因著陸操作往往伴隨危險，所以未能使用自動飛行技術。但是近年來，由于雷達、圖像識別系統(tǒng)、電波傳感器的精度提高、馬達和閥門等執(zhí)行器的響應速度的速度提高等因素，即使在以往困難的條件下也可以通過自動飛行來進行操縱。因此，為了實現(xiàn)從起飛到著陸全部操作的自動飛行，近年來一開始實施相關實驗。

所謂自動飛行，是通過飛機的操縱自動化來減輕飛行員操縱負荷的系統(tǒng)。通過利用自動飛行系統(tǒng)，便可讓飛行員根據(jù)來自航空管制中心的指示和氣象信息、位置信息、周邊飛機的信息等，設定高度、方位、速度、目的地等，實現(xiàn)飛機的自動飛行。

一般來說，在客機的飛行中，飛行員在起飛幾分鐘之后便把操縱切換為自動飛行。在此之后，除了大霧和強風等情況以外，均可進行安全的自動飛行。著陸過程因存在危險，再次轉換為手動操縱。當然，飛行員本身需要具備手動進行全部操縱的技能。但是在飛行過程中，飛行員需要進行飛行管理和飛行計劃的制定等很多除操縱以外的工作，所以將操縱交給自動飛行，可實現(xiàn)更安全的飛行。

自動飛行裝置需要具有機體姿勢控制功能（俯仰、滾轉、偏航：下圖）、高度與速度控制功能以及到達目的地的引航功能。

其中，機體姿勢控制和高度、速度控制是由加速度傳感器、傾斜傳感器等傳感器與FCC、ACC、執(zhí)行器共同進行的：

◎ FCC是飛行控制計算機，用于考慮機體各裝置的狀態(tài)、引擎推力、氣流等因素，根據(jù)飛行控制規(guī)則來計算理想轉向角度，并將決定旋翼（副翼、方向舵、升降舵等）動作量的信號輸出至ACC；

◎ ACC是飛機的 執(zhí)行器控制計算機，根據(jù)來自FCC的命令，向驅動旋翼的執(zhí)行器提供所需的電力；

◎ 執(zhí)行器將電、壓力（液壓、氣壓等）、熱、磁等能量轉換為旋轉、伸縮、彎曲等機械運動的裝置，包括電動馬達、液壓活塞、電磁螺線管等類型。

飛機通過傳感器檢測機體的姿勢、方向、高度和速度，將檢測到的信號發(fā)送至FCC。此后再由FCC將執(zhí)行器驅動所需的命令發(fā)送至ACC，由ACC將提供驅動執(zhí)行器所需的電力。由此，執(zhí)行器通過對旋翼（副翼、方向舵、升降舵等）進行非常有效的操作，實現(xiàn)自動飛行的安全飛行。

通常，執(zhí)行器及旋翼的動作也會傳達到駕駛室的監(jiān)視器和儀表上并顯示出來。飛行員可通過顯示器和儀表的顯示，掌握各裝置的動作狀況和機體的姿勢。另外，由于自動飛行系統(tǒng)一旦發(fā)生故障就會造成重大事故，因此由多重系統(tǒng)構成，從而確保了其高可靠性。

引擎電動化和自動飛行需要哪些電子技術加持

對于飛機引擎的電動化來說，非常需要優(yōu)先解決的課題是實現(xiàn)長距離續(xù)航。要延長續(xù)航距離，其方法是通過增加裝載電池的數(shù)量來提高能量搭載量。但是，飛機與其他運輸裝置不同之處是，機上不容許因增加電池搭載量而導致機體本身重量的增加，因此需要提高電池本身的能量密度。

目前，世界各國已在開展大幅度提高電池能源密度的相關研發(fā)。據(jù)相關報告，目前電池水平已可達到450Wh/kg以上。如能夠達到500Wh/kg水準的話，便有望可實現(xiàn)飛機引擎的混合化，用于客機起飛升空時的輔助電力。

另外，在變換器和逆變器等的冷卻中，水冷系統(tǒng)也會帶來重量負荷，因此最好采用空冷系統(tǒng)，在半導體中則需要使用發(fā)熱較少的GaN（氮化鎵）和SiC（碳化硅）。當然，其周邊電路中所使用的電子部件也需要具有較高的性能，能夠滿足從高溫到低溫的使用溫度范圍和耐振性能。

另一方面，自動飛行系統(tǒng)是由眾多傳感器、計算機、執(zhí)行器組合實現(xiàn)的電子技術的結晶。因此，電子技術的提高將直接帶來自動飛行系統(tǒng)功能和安全性的改進。例如，在可通過電信號控制旋翼操作的電傳操縱系統(tǒng)中，F(xiàn)CC將電信號傳遞給ACC。如有電噪聲侵入此信號，則會導致執(zhí)行器的錯誤操作，因此需要使用不受電噪聲影響的光纖電纜來避免這一問題。此外，為了實現(xiàn)包括起降在內的全自動飛行（自主飛行），高精度姿勢指示器和姿勢方位基準裝置（AHRS：Attitude Heading Reference System）的搭載也是不可或缺的。這些裝置都需要兼?zhèn)涓呖煽啃院透咝阅艿腗EMS傳感器。

由此可見，在電動飛機中，與飛行相關的很多要素均由電信號和電動力承擔，因此無論電動引擎采用何種方式，為實現(xiàn)其實用化，電子技術的提高都是不可或缺的。

總結

電動飛機的特點是，與以往搭載噴氣引擎的飛機相比其溫室氣體的排放量大幅度減少，并且具有出色的自動飛行功能，可以說是一種搭載了適合安全航行的飛行系統(tǒng)的飛機。

今后，如各國的航空產(chǎn)業(yè)希望在電動飛機領域進入世界市場，不僅需要改良機體的空氣動力特性，解決飛機飛行中遇到的機體空氣阻力、機體推動力和空氣阻力之比（升阻比）等問題，減少對引擎的負荷，降低燃料消耗量，提高動力機的效率；還需要通過與機體素材、生物技術等寬廣領域的交流，來獲得相關的技術和知識。

要實現(xiàn)這一目標絕非易事，從目前我們看到的電動飛機的構思圖來看，可以想見要付諸現(xiàn)實還遙不可及。但正如之前所述，為了實現(xiàn)其實用化，人們已經(jīng)開始進行相關的研究和實驗。特別是在電子領域，在電力電子、高輸出電機、高能量密度電池等其他領域，很多技術已經(jīng)成為現(xiàn)實，通過進一步提高性能，很有可能將其轉用至電動飛機方面。綜上所述，只要能夠通過嚴格的安全要求，在不久的未來，定能在技術和商業(yè)層面實現(xiàn)環(huán)保型電動飛機的實際應用。