電動飛機會成為未來的主流嗎？
作者：嘯語鏈接：是否有可能製造電動噴氣式發動機，如何製造？ - 知乎用戶的回答來源：知乎著作權歸作者所有，轉載請聯繫作者獲得授權。
轉載自我的專欄狂想電動噴氣機—Elon Musk未完成的夢想 - 寫給萬分之一的創新者 - 知乎專欄
美國波音公司配備固體高分子型燃料電池（PEFC）的小型載人飛機全球首次試飛成功
日本IHI公司與美國波音公司合作，實施了配備再生型燃料電池系統的民用飛機試飛。目前客機主要依靠專門的燃氣輪機發電。
目前已經有很多人在嘗試打造電動飛機，但是螺旋槳或者電動涵道風扇驅動的電動飛機，相對於現行噴氣機並沒有飛行性能方面的優勢。為了做出電動噴氣機，我們首先要了解噴氣式發動機的原理。
空氣分子告訴你發動機怎麼工作滴（超清字幕）空氣分子告訴你發動機怎麼工作滴（超清字幕）從這個視頻我們可以理解，現行噴氣式發動機的根本原理就是壓縮氣體、燃燒膨脹推動飛機飛行。
- 電傳動與分散式推進
關於電動飛機，目前已經有的研究方向主要是燃氣輪機發電，超導電機直接驅動風扇，這樣雖然有能量轉換損失，但是布置更加靈活，燃氣輪機發電的工作環境也更加理想（本來就有很多燃氣輪機是從航空發動機改的，為發電進行了優化）。
在目前民航機主流的大涵道比渦輪風扇發動機中，為飛機提供大部分推力的風扇的最佳推進轉速較低，而作為動力源驅動風扇的核心機，包括壓氣機和渦輪在內，在高轉速下具有較高的熱效率。因此，採用電傳動，給風扇和核心機解耦，可以減少壓氣級數量，提高熱效率和推進效率，降低噪音和氮氧化物排放。這種電傳動的全電飛機，雖然經過了「化學能—機械能—電能—機械能」的複雜能量轉換，但是仍然有希望通過優化每一環節的運行效率，最終在燃料經濟性方面超過現行的大涵道比渦扇發動機，從而適用於對於成本要求苛刻的民航產業。
採用分散式推進結構（distributed propulsion）配有16個超導電機風扇的客機概念圖，由於沒有燃燒室的加熱膨脹功能，預期的飛行速度沒有優勢，主要是為了民航降低噪音。
採用分散式推進，具有可釋放單元的美國邊境監視概念機。圖片來自NASA蘭利研究中心
蘇黎世聯邦理工大學的分散式飛行陣列
- 他山之石—核渦噴
電動只能用來讓飛機低速節能飛行嗎？當然不止如此，噴氣機高速飛行的關鍵在於空氣膨脹，而使空氣膨脹做功並不是只有燃燒一種形式。我們先來跑題，看看上世紀冷戰時期美蘇瘋狂的核動力飛行器計劃，為了實現洲際飛行，其配備的發動機取消了燃燒室，利用核反應堆的熱量來加熱空氣使之膨脹推動飛行。
【兩台通用電氣的渦輪風扇發動機藉助兩台被屏蔽起來的反應堆成功達到了近滿功率輸出。將核反應堆放出的熱加到衝壓發動機上的設備的研究產生了興趣。這個研究被命名為「冥王星計劃」（Project Pluto）。】
;美國P-1型核-渦噴發動機設計圖
這是留里卡為米亞西舍夫設計的核-渦噴發動機СКБ-500。蘇聯工程師們對幾種類型的核動力發動機進行了測試，包括衝壓發動機，渦輪旋槳發動機機和渦輪噴氣發動機。工程師對各發動機的不同傳輸機制進行了反覆測試，其中重點驗證各方案轉遞核反應堆產生的熱能的情況。經過廣泛的試驗和各方案發動機、傳送系統之間的反覆對比，蘇聯工程師們的結論是：直接循環的渦噴發動機是最好的選擇。設計人員決定採用直接循環的方式進行能源傳輸方式。這種方法將使用反應堆作為動力裝置的能源，以取代噴氣式發動機使用的燃燒。
在直接循環能量傳輸裝置內，進入的空氣進首先入渦噴發動機的壓縮機，然後，通過一個引導空氣通往反應堆堆芯的通風道。這個時候通入的空氣中作為反應堆冷卻劑的同時正在不斷升溫。離開後核反應堆堆芯後的空氣又回到另一個通風道，並從那裡經由發動機的渦輪噴出。
- 如何打造電動噴氣機
從以上史料我們可以理解，噴氣式發動機的燃燒室燃燒反應並不是高速飛行的必要條件，只要能有效地提供熱源，使空氣膨脹就可以了。
而被稱為鋼鐵俠的Elon Musk 同學聲稱要做的電動超音速垂直起降噴氣機應該如何驅動呢？
「There is this airplane design that I』ve had in mind for about four years. It is a VTVL, supersonic electric jet,」 ——Elon Musk
「…… If you just changed the engines, you could double the range. Then I did the math, saw that the higher you go in the atmosphere, there』s less drag, so the faster more efficient it is. So an electric motored plane could really work……」
Musk認為電動超音速噴氣機值得去做的主要依據是：飛機在高空飛行時，空氣阻力小有助於減少損耗、提高效率，但是由於氧氣稀薄，噴氣式發動機的性能受到一定製約。而飛機自己攜帶氧氣過於笨重就跟火箭沒什麼區別了。電動飛機取消燃燒室有可能做到不受任何含氧量限制，只要這個星球有適當密度的大氣層就可以工作。為此需要尋求燃料之外的加熱方法。
https://pic3.zhimg.com/d58f2711487bdc90182a7afb59308fde_b.jpg&" dw="400" dh="242" w="400">國外有人提出了電弧加熱的構想並申請了專利（Arcjet，而鋼鐵俠的能量源方舟反應爐的原文是Arc Reactor），該技術已經被應用在了衛星上，但是也有可能在大氣層中發揮作用。
但是普通氣體大約需要加溫到6000℃以上才能產生微弱的電離，因此等離子體作為熱源的效率顯然不可能比電阻絲高。國外也有人提到摻入過熱蒸汽來取代燃燒室的構想。另外如果在高空高速為工作前提，可以直接省去風扇，構成電加熱衝壓。
等離子體除了用於外太空推進，還有一些其他有趣的應用場景，比如降低空氣阻力。
日本鐵道綜研技術研究所在「鐵道綜研技術論壇2013」（2013年8月29～30日）上，展示了通過在受電弓弓頭（接觸送電線的部件）上安裝等離子體激勵器等來降低空氣動力雜訊的研究成果。通過控制受電弓弓頭周圍的空氣氣流，來防止產生卡門渦街，從而抑制雜訊的發生。這一成果除了受電弓弓頭之外，還有望應用於無法改成流線型等形狀的部件，降低空氣動力雜訊。
等離子體激勵器通過向介電體施加交流電壓來產生等離子體。
最後，筆者在搜集資料過程中，找到了一些有意思的研究：水中穩態等離子體推進效應研究
為了提高船舶的航行速度、降低運行雜訊以及實現直線推進，本課題在國防科工委技術基礎研究項目「艦船定向用等離子體推進技術的研究」的資助下。開展了基於穩態或脈衝等離子體效應的噴氣式推進在艦船上應用的可行性探索，關於穩態等離子體推進模型的設計以及動力特性的研究是其中重點之一。
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除火箭動力以外的任何交通工具都會被電動替代
時間問題而已電池能量密度這麼低用完還不能扔你在逗我？
電動交通清潔、安靜，似乎會成為未來的主流。然而，不是所有的交通方式都容易實現電動化，航空就是其中最難的一個。電力功率密度遠不及燃油：在同等重量下，化石燃料釋放的能量大約是鋰離子電池的100倍。所以用電池驅動飛機存在一個最大的問題：電池重量。以飛機的航程來看，那得裝一台多大的發電機才穩妥？所以以目前的電池技術，根本無法製造全電動飛機，混合動力電動飛機還差不多，給燃油飛機錦上添花。不過電池技術還有很大的發展空間，拭目以待吧。
未來已經開始——聚焦2017北京國際電動航空論壇八大議題
今年11月8-10日，2017國際電動航空論壇（北京）將在中關村新興產業聯盟大廈隆重舉行。本屆論壇旨在搭建中國企業與中國民用航空局、歐洲航空安全局（EASA）等相關政府部門以及與行業組織機構溝通的橋樑，探討電動飛機適航審定和運營規範等相應政策條例的制定；探討中國企業參與世界電動航空發展浪潮的有效途徑和方式；展示各領軍企業的最新電動航空技術和產品實物；協助中方投資者和企業與相關歐美企業建立合作關係。
業內中外大咖將齊聚北京，關切電動航空的先進科技前沿概念。據悉，本屆論壇與會嘉賓包括來自歐洲、美國和中國的電動飛機整機、電動和混動動力系統的龍頭企業，以及相關政府部門領導、與電動航空創新技術同步發展的按需空中出行解決方案運營商等重要代表。
本文地址：航空展會 - 臨雲行 - 最聚人氣的通航網站
新興節能技術的應用速度從來都是取決於油價的，純電動市區直升機和混合動力客機改變生活的速度最快。
2003年成立的特斯拉，經過十幾年的努力，已經讓大部分車企認同電動車是未來的方向，那麼電動車之後的 Next Big Thing 是什麼呢？先聽一下伊隆·馬斯克本人的預測吧。
如果你仔細看過2010年的電影《鋼鐵俠2》，你可能注意到馬斯克本色客串時候，討論的不是宇宙飛船，不是人工智慧，而是電動噴氣機。其實對於電動超音速垂直起降飛機，他嘮叨過不止一遍，有人整理了他對於這個話題發言：
Elon Musk - VTOL Electric Jet_騰訊視頻v.qq.com視頻馬斯克的嘮叨是值得仔細分析的， 他之前嘮叨過要挖隧道，於是業餘時間造了台掘進機；嘮叨過要做腦機介面，於是組建了最強的腦機介面工程團隊。那麼他為什麼想造電動飛機呢？
與汽車類似，飛機的運行成本，很大一部分來自燃料。不過馬斯克眼中，電動汽車和電動飛機的合理性體現在效率，油價波動並不會改變這一點。從第一性原理（First Principle）概括：飛機飛得越高，阻力越小，能耗越小，但是高空氧氣不夠燒，所以我們把飛機裝滿電池吧，而且在沒有氧氣的其他星球也能用。
特斯拉和 SpaceX 如果聯手打造電動飛機，最大的瓶頸毫無疑問是電池能量密度，而馬斯克顯然從不是屈尊於混合動力的人：「電池的能量密度每年進步10%-15%，如果達到400Wh/kg （他有時候說500Wh/kg），並且電池占飛機總質量70%~80%，接近化學燃料占火箭的重量，達到橫跨美國東西海岸航程的電動飛機就足以讓人信服」（作為參考，空客E-Fan的電池佔總重30%，可以飛躍英吉利海峽）。
電動飛機的另外一個優點是方便姿態控制，可以縮小升降舵和方向舵，甚至砍掉尾翼，從而降低阻力（無尾翼飛機已經存在，只不過少見）。整個機身都可以作為升力面的翼身融合結構。在馬斯克眼裡，為了降低風阻係數砍掉汽車後視鏡，和取消控制舵面，是一個邏輯。這次，我們來探討一下電動飛機怎麼做到垂直起降和超音速。
垂直起降飛機/飛行汽車
上圖是人類對於垂直起降機/高速直升機的一些早期探索。狹義的飛行汽車並不實用，因為作為汽車的碰撞安全性和作為飛機的輕量化很難兼顧，用於地面行駛的額外重量太浪費了，客戶迫切需要的是更優秀的直升機，而不是可以跑的直升機，但是飛行汽車的比喻含義還是比較浪漫的。
Uber在2016年10月發布了Uber Elevate按需航空服務白皮書，瞄準中短程25-60英里市區航空，從第一性原理推出的結論是發展分散式電動推進飛機，作為Uber的「空中計程車」，提供日常通勤服務，對比直升機，有希望實現更低的噪音、運行成本、維護成本。
作為參照和靶子，世界銷量第一的羅賓遜直升機公司，檔次最低的羅賓遜 R22 標準配置報價29.2萬美元，不包括飛機折舊和飛行員工資的每小時運行成本145.63美元，0.93美元/英里，其中維修保養占成本一半，燃料約佔30%，這兩點都是電動飛機的天生優勢。
目前直升機價格貴的原因在於市場需求小，產量低，這兩條互為因果。筆者參觀羅賓遜直升機工廠的最大感受，就是自動化率低：鋁管和鋁皮的機身，沒有流水線，而是在單獨工位上人工打孔組裝，看不到工業機器人或者AGV自動運輸小車；每一架飛機都是用戶自選配置，手工定製。
Uber所期望的垂直起降飛機，其產業鏈會更接近汽車，Uber認為對於飛機和汽車製造業，產量每增加一倍，成本降低15%。如果由特斯拉製造電動飛機，在生產效率方面對比傳統直升機企業會有顯著優勢。不過值得一提的是，馬斯克本人出於安全性顧慮，不看好「飛行汽車」。
產品成熟之後，普及市區飛行最主要的瓶頸是噪音和起降場地問題。Uber在2017年4月舉辦了 Uber Elevate 峰會，飛機製造、政府監管、房地產、風投等行業的嘉賓紛紛建言獻策。但隨著董事會內鬥，創始人特拉維斯·卡蘭尼克不再擔任Uber CEO，Uber Elevate的未來也面臨著陰影。
小型固定翼電動飛機
Uber的最終目標是運營自動駕駛的電動飛機，但在短時間內仍然可能產生大量的飛行員短缺，而電動飛機同樣可以顯著降低飛行員培訓成本。
對於小型固定翼飛機，取消機頭引擎，可以減小機頭截面積，從而降低阻力。面向初級教練機市場的電動飛機，典型案例是Sun Flyer，總運行成本16美元/小時，而對標的賽斯納172，成本88.31美元/小時。
氫動力飛機
查理·芒格曾經說過：對於一個手裡拿著鎚子的人，一切都像釘子。馬斯克對於鋰電池的偏好，顯然不能說服所有人放棄燃料電池，氫氣的能量密度優勢對於飛機還是很誘人的，下面列舉了一些機型。
另外，Facebook，Google，Luminati等公司，在研發用於邊遠地區通信等場景的太陽能高空超長航時無人機，因為並非交通工具，本文暫不討論。
電動化客機
在有嚴格航程門檻的民航市場，純電動飛機顯然由於鋰電池能量密度限制暫時難以實現，但是混合動力對於民航客機是有實際意義的。與汽車行業類似，民航客機的環保水平也由政府法規推動，民航佔全球2%的二氧化碳排放，歐盟設定了相對於2000年減排75% CO2，90% NOx，降低噪音65%的目標（主要指機場附近噪音）。
在目前民航機主流的大涵道比渦輪風扇發動機中，為飛機提供大部分推力的風扇的最佳推進轉速較低，而作為動力源驅動風扇的核心機，包括壓氣機和渦輪在內，在高轉速下具有較高的熱效率。因此，採用電傳動，給風扇和核心機解耦，可以減少壓氣級數量，提高熱效率和推進效率，降低噪音和氮氧化物排放。這種電傳動的全電飛機，雖然經過了「化學能—機械能—電能—機械能」的複雜能量轉換，但是仍然有希望通過優化每一環節的運行效率，最終在燃料經濟性方面超過現行的大涵道比渦扇發動機，從而適用於對於成本要求苛刻的民航產業。
電動化除了省油費，在客機領域還有附帶的好處：因為電動機相對傳統發動機需要吸收的振動較小，所以機身結構可以更輕；因為振動會導致機身疲勞，所以電動飛機可以減少檢修需求。
E Thrust Electric Aircraft propulsion syst_騰訊視頻v.qq.com視頻Electric Aircraft propulsion system concept（航空發動機供應商，在汽車行業叫勞斯萊斯，雖然電動飛機技術毫無疑問會降低自家航空發動機銷量，但是為了能在電動時代繼續賣燃氣輪機依然要參與這個項目）
歐洲宇航防務集團（EADS）和航空發動機製造商羅爾斯.羅伊斯，在2013年聯合提出了混動客機概念E-Thrust， 電動分散式推進系統以實現低油耗，低排放和低噪音，這個概念的涵道比可以達到20，當飛機需要減速的時候甚至可以風力發電，類似於電動車的制動能量回收。隨後空中客車集團與西門子合作開發混動推進系統，希望在2030年實現100座、航程1000公里的電動飛機。
波音也根據NASA研究合約開發了自己的混合動力客機概念，SUGAR Volt，其噴氣式發動機在起飛時候燒油，巡航模式下完全靠電力運行，可降低燃料70%。此外，波音還投資了混合動力客機初創公司Zunum Aero。
從下表我們可以看出，機齡新、視節能技術為生命的廉價航空公司，為了在10歐元機票上賺更多的錢，會成為電動客機實用化的急先鋒。
超音速客機這件事
馬赫是衡量飛機速度的單位，一馬赫即一倍音速。可能是已經習慣了自己的達索獵鷹900和灣流G650 ER 公務機的0.9馬赫速度，馬斯克每次嘮叨夢想中的電動飛機都要強調超音速和垂直起降兩個要求，這才是他眼裡「終極的交通方式」。上世紀60年代人類就造出了協和客機，如今卻失去了超音速交通，一些企業家把填補這個遺憾作為目標。
當年協和客機遇到的一個重要限制就是在陸地上超音速的噪音太大，引發當地居民抗議，馬斯克認為電動飛機提高飛行高度有可能解決這一問題。（另外一種特立獨行的降噪方法是等離子體降噪，日本鐵道綜研技術研究所做過使用離子體激勵器，控制氣流，降低受電弓弓頭引發的雜訊的實驗。）
但是鋰電池驅動的常規客機尚未實現，做到超音速顯然難。即使電池足夠給力，用電機驅動螺旋槳或者涵道風扇，要讓飛機達到超音速，從動力上仍然是一個很大的挑戰。為了給電動飛機進一步提高推力，有人選擇在後面添一把火，提出了無渦輪涵道風扇發動機的概念（Turbine-less Ducted Fan Jet Engine），用氫燃料電池驅動一個電動涵道風扇，後面加上燃燒室燒氫氣來增加推力，以亞音速為目標。
柏林工業大學的 Berkant G?ksel 教授，在2005年造出了世界上第一艘由等離子發動機推動的飛艇b-Ionic Airfish，沒有任何可移動機械零件，在尾部設置靜電式離子噴射推進。這一設計未來可以實現比現有的螺旋槳飛艇飛行高度翻倍，達到50公里高空。最終希望實現的理想是，在飛行器的整個表面施加微小等離子體放電，從而完全被等離子體「氣泡」包裹，降低阻力。企鵝的羽毛鑲嵌有無數的微氣泡，實現了優秀的阻力係數，飛艇仿照企鵝外形的寓意也就在此。
他2017年還開發出了右圖的吸氣式磁等離子體推進系統，俗稱「電漿引擎」，每秒鐘1000個脈衝，其推力/面積比達到現代噴氣式發動機水平( 50 - 150 kN/m2)，但是耗電量當然非常恐怖，鋰電池近期不可能支撐，要靠這個讓飛機達到高超音速，可控核聚變遙遙無期，人類能裝在飛機上能量密度最高的還是化學燃料，接下來的 Richard H. Lugg 就是這樣做的。
Richard H. Lugg 擔任 HyperMach Aerospace 和 SonicBlue Aerospace 的 CEO，正在研發的高超音速飛機 SonicStar 音速之星（在前面的圖有簡介），計劃應用磁等離子體的主動層流控制，實現降低阻力、減小音爆雜訊，甚至近太空控制。這些功能所消耗的巨大電力，由Lugg發明的特殊發動機 H-Magjet 順便提供。
H-Magjet 發動機（Hypersonic-Magnetic Advanced Generation Jet Electric Turbine，高超音速磁性先進發電噴射電動渦輪發動機），對比傳統的噴氣式發動機，取消了中間的機械傳動軸，每一級渦輪驅動獨立的超導發電機，產生的電力分別驅動前面每一級風扇、每一級壓縮機葉片的獨立超導電動機，這樣可以允許每一級葉片以各自的最佳轉速運行，壓縮比提高，壓縮機的級數也得到簡化，在一些專利中提到用磁通量場傳遞動力，以及磁懸浮。在燃燒室方面，Lugg採用等離子體噴射，通過電霧化和控制電離來實現燃燒和電弧陣列火焰控制，讓燃燒更加徹底。發展型號的目標是整合超燃衝壓和等離子體火箭模式，最終實現單級入軌（Single Stage To Orbit— SSTO）。
超導技術已經在超導電纜、核磁共振等領域得到了一定規模的實用化，但是超導材料的能力並不是無限的，超過臨界電流會破壞超導態。Lugg在專利中寫到，臨界溫度70K的釔鋇氧化銅，臨界電流密度可以滿足其需求，超導器件供應商包括美國SuperPower，韓國SuNam和紐西蘭HTS-110公司。
地球客運火箭
馬斯克認為電動飛機在高空低阻環境下可以做到跨大陸（例如紐約到洛杉磯），而對於最遠的跨洋航線，他拿出了Big Fucking Rocket—「他媽的大火箭」。
BFR | Earth to Earth_騰訊視頻v.qq.com視頻SpaceX 佔全球商業發射的市場份額，2017年預計45%，2018年預計60%。2017年9月29日，馬斯克在國際宇航大會上宣布了行星際運輸系統的新進展：為了簡化產品線，提高研發和生產效率，決定使用一款通用飛船完成殖民火星/月球的理想，同時取代現有火箭，兼顧地球軌道的送貨生意，還打算搭載乘客，在地球飛跨洋航線。例如紐約到上海39分鐘，到全球任何地點不超過一個小時，馬斯克希望做到價格與飛機經濟艙相當。因為大部分航程在外太空沒有阻力，發動機只需要在起飛和降落開機，壽命和維修保養成本就是這件事的關鍵了。
SpaceX 回收成功的火箭太多，已經造成了機庫裝不下的煩惱，作為世界上獨一無二的火箭運營商，需要擴建機庫來容納更大更多的火箭。
作者／明勢資本投資經理袁嘯宇
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