電動(dòng)化與自動(dòng)駕駛，會(huì)成為飛機(jī)的熱點(diǎn)嗎？

隨著電池、馬達(dá)、電力電子等電子技術(shù)的進(jìn)化，汽車行業(yè)的動(dòng)力電動(dòng)化和自動(dòng)駕駛已獲得了驚人的進(jìn)步。相反，由于飛機(jī)引擎具有嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)，一直以來人們都認(rèn)為，無論從技術(shù)層面還是商業(yè)層面其電動(dòng)化是不可能實(shí)現(xiàn)的，因此一直未采取有效舉措。

然而，根據(jù)日本航空機(jī)開發(fā)協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)，2019年的航空客運(yùn)旅客人數(shù)約達(dá)到2001年的2.7倍。隨著航班數(shù)量的增加，兩個(gè)相關(guān)問題越來越受到業(yè)界的關(guān)注：

一、飛機(jī)排放氣體對(duì)環(huán)境造成的副作用令人堪憂；

二、預(yù)計(jì)航空事故隨航班數(shù)量將會(huì)相應(yīng)增加，尤其飛機(jī)起降時(shí)的事故率較高。為了提高此類環(huán)節(jié)的安全性，自動(dòng)飛行技術(shù)的開發(fā)是大勢(shì)所趨。

本文將就能夠解決飛機(jī)排放氣體問題的引擎電動(dòng)化、以及能夠提高飛機(jī)航運(yùn)安全性能的自動(dòng)飛行技術(shù)的新信息進(jìn)行解說。

“電動(dòng)飛機(jī)”備受關(guān)注

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

例如，以往燃料泵和液壓泵所需的驅(qū)動(dòng)力是從噴氣引擎的動(dòng)力和抽氣得到的，這一排氣過程即在燃?xì)廨啓C(jī)引擎中抽出由壓縮機(jī)壓縮的部分空氣。通過將其替換為電動(dòng)馬達(dá)，可以實(shí)現(xiàn)了引擎負(fù)擔(dān)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(jìn)風(fēng)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(yùn)輸協(xié)會(huì)（IATA：International Air Transport Association）等機(jī)構(gòu)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(biāo)。在這樣的國際化進(jìn)程中，顯而易見，僅依靠至今為止的引擎輔助設(shè)備電動(dòng)化、燃料和油耗的改良等措施已難以達(dá)到目標(biāo)。

因此，作為一項(xiàng)能夠同時(shí)滿足未來的航空需求增加和減少廢氣排放要求的技術(shù)，飛機(jī)引擎本身（推進(jìn)系）的電動(dòng)化備受矚目。將飛機(jī)引擎從噴氣引擎替換為電動(dòng)馬達(dá)，可實(shí)現(xiàn)引擎的尾氣零排放或大幅減少。因此，對(duì)于很多航空相關(guān)的研究機(jī)構(gòu)和飛機(jī)制造廠商來說，電動(dòng)引擎的開發(fā)已成為一項(xiàng)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(dòng)引擎有兩種，一種是僅通過電動(dòng)馬達(dá)獲得推力的“純電子方式”，另一種則是同時(shí)使用噴氣引擎和電動(dòng)馬達(dá)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(dòng)馬達(dá)、推進(jìn)風(fēng)扇構(gòu)成。用來自二次電池的電力來驅(qū)動(dòng)電動(dòng)馬達(dá)，并通過推進(jìn)風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)來得到推進(jìn)力。

在這種方式中，不使用任何噴氣燃料，因此實(shí)現(xiàn)了二氧化碳的零排放。但由于其推進(jìn)力依賴于電動(dòng)馬達(dá)，僅由二次電池來進(jìn)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(shí)現(xiàn)大中型飛機(jī)的飛行，僅能滿足單座和復(fù)座等小型飛機(jī)的飛行需要。

混合方式又分為“并聯(lián)混動(dòng)方式”和“串聯(lián)混動(dòng)方式”。兩種均為噴氣引擎或燃?xì)廨啓C(jī)與電動(dòng)馬達(dá)相組合的方式，與純電子方式相比能夠長時(shí)間獲得更大的推力，因此也能夠滿足大中型飛機(jī)的飛行需要。

并聯(lián)混合動(dòng)力引擎由噴氣引擎、二次電池、二次電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)馬達(dá)構(gòu)成，通過同時(shí)使用噴氣引擎和電動(dòng)馬達(dá)來實(shí)現(xiàn)推進(jìn)風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)，從而獲得推進(jìn)力。

串聯(lián)混動(dòng)方式的引擎構(gòu)成部分除電動(dòng)馬達(dá)以外，還有發(fā)電機(jī)、發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)用噴氣引擎及二次電池。噴氣引擎的旋轉(zhuǎn)傳至發(fā)電機(jī)，進(jìn)行發(fā)電，并用產(chǎn)生的電力來驅(qū)動(dòng)電動(dòng)馬達(dá)，使推進(jìn)風(fēng)扇產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。

噴氣引擎的特征是，其作為發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)使用時(shí)在機(jī)體上的設(shè)置位置靈活度較高，對(duì)產(chǎn)生推力的電動(dòng)風(fēng)扇的配置位置和風(fēng)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(dòng)馬達(dá)時(shí)的噴氣引擎的旋轉(zhuǎn)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(qū)動(dòng)電動(dòng)馬達(dá)，因此在發(fā)電時(shí)會(huì)產(chǎn)生能量損耗。但通過充分利用其設(shè)計(jì)方面的高度靈活度，可實(shí)現(xiàn)推進(jìn)風(fēng)扇的配置和數(shù)量的大幅優(yōu)化，從而提高推進(jìn)效率。

自動(dòng)飛行是純技術(shù)活兒！

飛機(jī)的自動(dòng)飛行技術(shù)其實(shí)已經(jīng)早已存在，在起飛后的航行中已經(jīng)能夠?qū)崿F(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(xiǎn)，所以未能使用自動(dòng)飛行技術(shù)。但是近年來，由于雷達(dá)、圖像識(shí)別系統(tǒng)、電波傳感器的精度提高、馬達(dá)和閥門等執(zhí)行器的響應(yīng)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(dòng)飛行來進(jìn)行操縱。因此，為了實(shí)現(xiàn)從起飛到著陸全部操作的自動(dòng)飛行，近年來一開始實(shí)施相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

所謂自動(dòng)飛行，是通過飛機(jī)的操縱自動(dòng)化來減輕飛行員操縱負(fù)荷的系統(tǒng)。通過利用自動(dòng)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(jī)的信息等，設(shè)定高度、方位、速度、目的地等，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的自動(dòng)飛行。

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

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

其中，機(jī)體姿勢(shì)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(jìn)行的：

◎ FCC是飛行控制計(jì)算機(jī)，用于考慮機(jī)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(jì)算理想轉(zhuǎn)向角度，并將決定旋翼（副翼、方向舵、升降舵等）動(dòng)作量的信號(hào)輸出至ACC；

◎ ACC是飛機(jī)的 執(zhí)行器控制計(jì)算機(jī)，根據(jù)來自FCC的命令，向驅(qū)動(dòng)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(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)、伸縮、彎曲等機(jī)械運(yùn)動(dòng)的裝置，包括電動(dòng)馬達(dá)、液壓活塞、電磁螺線管等類型。

飛機(jī)通過傳感器檢測(cè)機(jī)體的姿勢(shì)、方向、高度和速度，將檢測(cè)到的信號(hào)發(fā)送至FCC。此后再由FCC將執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)所需的命令發(fā)送至ACC，由ACC將提供驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器所需的電力。由此，執(zhí)行器通過對(duì)旋翼（副翼、方向舵、升降舵等）進(jìn)行非常有效的操作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)飛行的安全飛行。

通常，執(zhí)行器及旋翼的動(dòng)作也會(huì)傳達(dá)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(dòng)作狀況和機(jī)體的姿勢(shì)。另外，由于自動(dòng)飛行系統(tǒng)一旦發(fā)生故障就會(huì)造成重大事故，因此由多重系統(tǒng)構(gòu)成，從而確保了其高可靠性。

引擎電動(dòng)化和自動(dòng)飛行需要哪些電子技術(shù)加持

對(duì)于飛機(jī)引擎的電動(dòng)化來說，非常需要優(yōu)先解決的課題是實(shí)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(jī)與其他運(yùn)輸裝置不同之處是，機(jī)上不容許因增加電池搭載量而導(dǎo)致機(jī)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(guān)研發(fā)。據(jù)相關(guān)報(bào)告，目前電池水平已可達(dá)到450Wh/kg以上。如能夠達(dá)到500Wh/kg水準(zhǔn)的話，便有望可實(shí)現(xiàn)飛機(jī)引擎的混合化，用于客機(jī)起飛升空時(shí)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(huì)帶來重量負(fù)荷，因此最好采用空冷系統(tǒng)，在半導(dǎo)體中則需要使用發(fā)熱較少的GaN（氮化鎵）和SiC（碳化硅）。當(dāng)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(dòng)飛行系統(tǒng)是由眾多傳感器、計(jì)算機(jī)、執(zhí)行器組合實(shí)現(xiàn)的電子技術(shù)的結(jié)晶。因此，電子技術(shù)的提高將直接帶來自動(dòng)飛行系統(tǒng)功能和安全性的改進(jìn)。例如，在可通過電信號(hào)控制旋翼操作的電傳操縱系統(tǒng)中，F(xiàn)CC將電信號(hào)傳遞給ACC。如有電噪聲侵入此信號(hào)，則會(huì)導(dǎo)致執(zhí)行器的錯(cuò)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(shí)現(xiàn)包括起降在內(nèi)的全自動(dòng)飛行（自主飛行），高精度姿勢(shì)指示器和姿勢(shì)方位基準(zhǔn)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(dòng)飛機(jī)中，與飛行相關(guān)的很多要素均由電信號(hào)和電動(dòng)力承擔(dān)，因此無論電動(dòng)引擎采用何種方式，為實(shí)現(xiàn)其實(shí)用化，電子技術(shù)的提高都是不可或缺的。

總結(jié)

電動(dòng)飛機(jī)的特點(diǎn)是，與以往搭載噴氣引擎的飛機(jī)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(dòng)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(jī)。

今后，如各國的航空產(chǎn)業(yè)希望在電動(dòng)飛機(jī)領(lǐng)域進(jìn)入世界市場，不僅需要改良機(jī)體的空氣動(dòng)力特性，解決飛機(jī)飛行中遇到的機(jī)體空氣阻力、機(jī)體推動(dòng)力和空氣阻力之比（升阻比）等問題，減少對(duì)引擎的負(fù)荷，降低燃料消耗量，提高動(dòng)力機(jī)的效率；還需要通過與機(jī)體素材、生物技術(shù)等寬廣領(lǐng)域的交流，來獲得相關(guān)的技術(shù)和知識(shí)。

要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)絕非易事，從目前我們看到的電動(dòng)飛機(jī)的構(gòu)思圖來看，可以想見要付諸現(xiàn)實(shí)還遙不可及。但正如之前所述，為了實(shí)現(xiàn)其實(shí)用化，人們已經(jīng)開始進(jìn)行相關(guān)的研究和實(shí)驗(yàn)。特別是在電子領(lǐng)域，在電力電子、高輸出電機(jī)、高能量密度電池等其他領(lǐng)域，很多技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，通過進(jìn)一步提高性能，很有可能將其轉(zhuǎn)用至電動(dòng)飛機(jī)方面。綜上所述，只要能夠通過嚴(yán)格的安全要求，在不久的未來，定能在技術(shù)和商業(yè)層面實(shí)現(xiàn)環(huán)保型電動(dòng)飛機(jī)的實(shí)際應(yīng)用。