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(lái)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(dòng)馬達(dá)來(lái)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(xiàng)。我剛把腳從控制踏板上移開(kāi)，駕駛員就啟動(dòng)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(dòng)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(kāi)始滑行。當(dāng)時(shí)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(kāi)始大角度爬升，地面上的房屋也顯得越來(lái)越小。飛機(jī)下方的一頭奶牛甚至都沒(méi)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(dòng)飛機(jī)的另一個(gè)特征。并且這種電動(dòng)馬達(dá)的所有性能都可以即時(shí)體驗(yàn)到。

接下來(lái)，飛機(jī)進(jìn)行了俯沖、轉(zhuǎn)向和上升等操作，我感覺(jué)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(shí)，也是時(shí)候返回地面了。這也是電動(dòng)飛機(jī)的最后一個(gè)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(dòng)飛機(jī)在未來(lái)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(duì)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(lái)幾十年，航空業(yè)占整體排放的份額將會(huì)急劇上升。

2016年，23個(gè)國(guó)家同意按照聯(lián)合國(guó)機(jī)構(gòu)國(guó)際民航組織（ICAO）的標(biāo)準(zhǔn)，自2020年起開(kāi)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(dòng)飛機(jī)又如何發(fā)揮作用呢？電動(dòng)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?yàn)樗鼈儗⒃俅窝堇[汽車工業(yè)剛剛開(kāi)始的從內(nèi)燃機(jī)到電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)移。也許再過(guò)15年，油電混合動(dòng)力飛行器將應(yīng)用在短中途航線中?；旌蟿?dòng)力飛機(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(shuō)：“我們?cè)谛⌒碗姵貏?dòng)力訓(xùn)練機(jī)方面的研究將會(huì)產(chǎn)生巨大影響，因?yàn)閺奈锢韺W(xué)上來(lái)講，我們的改進(jìn)是可行的?！蹦壳埃荻c西門子達(dá)成合作，西門子計(jì)劃為其生產(chǎn)的電動(dòng)訓(xùn)練機(jī)提供馬達(dá)?！安贿^(guò)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)。”

當(dāng)前我們需要混合動(dòng)力機(jī)型，因?yàn)槊壳Э撕娇杖剂蟽?chǔ)存的能量為12.5千瓦時(shí)，而每千克鋰電池僅能儲(chǔ)存0.16千瓦時(shí)，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(dòng)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(guò)制造混合動(dòng)力飛機(jī)的研發(fā)項(xiàng)目來(lái)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(dòng)飛行器，并打造一個(gè)未來(lái)產(chǎn)業(yè)——城市載人空中出租車，數(shù)量將超過(guò)無(wú)人機(jī)。西門子公司正在與空中客車公司合作開(kāi)發(fā)一項(xiàng)名為“城市空中巴士”的全電動(dòng)項(xiàng)目?？湛凸就瑫r(shí)還在其硅谷的子公司開(kāi)展了另一項(xiàng)名為“伐訶納”（Vahana）的項(xiàng)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(guó)的億航公司在今年年初首次公開(kāi)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(guò)程。

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在航空業(yè)，大部分混合動(dòng)力設(shè)計(jì)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(dòng)發(fā)電機(jī)，然后發(fā)電機(jī)為電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，在轉(zhuǎn)動(dòng)推進(jìn)器的同時(shí)為電池充電。在這個(gè)方案中，電池提供起飛所需的爆發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)只用來(lái)保障飛機(jī)起飛，在其他時(shí)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(dòng)力還有其他優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)電纜分布動(dòng)力，混合動(dòng)力設(shè)計(jì)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(dòng)力設(shè)計(jì)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(dòng)力。在歐洲，除了“城市空中巴士”項(xiàng)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(guó)，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(xiàng)競(jìng)爭(zhēng)項(xiàng)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(dòng)力。

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

美方聯(lián)盟則對(duì)其計(jì)劃守口如瓶。2017年8月，通用航空發(fā)布了一份白皮書(shū)，概括了其在混合動(dòng)力電動(dòng)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(yàn)中，通用航空公司用一臺(tái)額定功率為1兆瓦的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)了直徑3.3米的螺旋槳。另一次試驗(yàn)中，它使用通用F110型噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中的壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)1兆瓦的發(fā)電機(jī)，引擎同時(shí)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(shuō)明，它們正致力于4大類技術(shù)的改進(jìn)：電池容量、電動(dòng)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(jì)。比如在歐洲聯(lián)盟中，西門子致力于改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和電子設(shè)備。此外，西門子已對(duì)部分小型飛機(jī)進(jìn)行全電動(dòng)設(shè)計(jì)改造，確信將部件組裝到飛機(jī)內(nèi)，即可對(duì)它們進(jìn)行整體優(yōu)化。

“通過(guò)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(yàn)?！蔽鏖T子電動(dòng)飛機(jī)部主管弗蘭克?安東（Frank Anton）說(shuō)道，“要了解這些，唯一的方法是實(shí)際操作。”

相較而言，電動(dòng)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(jì)，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(shuō)：“若將電力從推進(jìn)力中分離出來(lái)，瞬間你就會(huì)擁有各種矢量推力的應(yīng)用?！?/p>

降低電動(dòng)系統(tǒng)重量的關(guān)鍵挑戰(zhàn)有以下兩個(gè)：首先，必須提升電池的能量密度，這是一個(gè)漸進(jìn)過(guò)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(dòng)機(jī)以及電動(dòng)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(zhǎng)。

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(dòng)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(guó)丁斯拉肯場(chǎng)地首次公開(kāi)飛行；2017年創(chuàng)下電動(dòng)飛機(jī)時(shí)速340公里/小時(shí)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(dòng)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(yàn)室的工作臺(tái)前，遞過(guò)來(lái)一個(gè)被鋸成兩半的電動(dòng)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(kāi)的表面里嵌有銅繞組的矩形橫截面，看起來(lái)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(huì)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(duì)航空電機(jī)來(lái)說(shuō)很重要?！倍鏖T子在日本供應(yīng)商古河電氣工業(yè)株式會(huì)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(gè)掂一下它的重量時(shí)，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(guò)幾年，每年都會(huì)制造出數(shù)以千計(jì)的電動(dòng)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(jìng)爭(zhēng)對(duì)手預(yù)言的這種車輛將像蝗蟲(chóng)一樣穿行在城市中。那時(shí)電動(dòng)機(jī)的單位成本將會(huì)下降，可能會(huì)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(wú)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(gè)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(huì)社分別在電動(dòng)機(jī)中引入了超強(qiáng)釹磁鐵。下一個(gè)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(dòng)發(fā)電機(jī)有超導(dǎo)繞組，就幾乎不會(huì)產(chǎn)生廢熱，而這個(gè)夢(mèng)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(duì)零度，設(shè)計(jì)人員可以用液氮代替液氦來(lái)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(jì)劃是將超導(dǎo)電動(dòng)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(lái)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(duì)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(méi)有太多要告知的內(nèi)容。NASA預(yù)計(jì)，無(wú)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(huì)出現(xiàn)的。

為了充分利用這種超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)以及混合動(dòng)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(dòng)機(jī)的混合動(dòng)力設(shè)計(jì)尚處于研究之中，可能會(huì)采用燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)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(gè)混合動(dòng)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(guò)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮機(jī)或飛機(jī)向前運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的氣流來(lái)提供電力。

要節(jié)省幾千克重量，工程量就如此之大，看起來(lái)有點(diǎn)大費(fèi)周章，但這么做是值得的。電動(dòng)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(guó)聯(lián)合航空公司近期使用質(zhì)量較輕的紙來(lái)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(jì)算下來(lái)，這一行為可為公司每年節(jié)約64萬(wàn)升燃油，價(jià)值29萬(wàn)美元。

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

好了，讓我們現(xiàn)在來(lái)看看最終成品吧。十幾年已經(jīng)過(guò)去了，現(xiàn)在運(yùn)行在航線上的混合動(dòng)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?yàn)橹亓扛p、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(yíng)成本遠(yuǎn)高于采購(gòu)成本的商用飛機(jī)處境截然相反。

一項(xiàng)警告：大約十幾年后，混合動(dòng)力飛機(jī)只會(huì)比傳統(tǒng)飛機(jī)稍微“環(huán)保”一點(diǎn)。只有混合動(dòng)力的經(jīng)驗(yàn)和經(jīng)濟(jì)規(guī)模使整個(gè)行業(yè)轉(zhuǎn)為純電動(dòng)飛機(jī)時(shí)，才能做出巨大的改進(jìn)，也許要到21世紀(jì)30年代。“我們見(jiàn)證了混合動(dòng)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(kāi)發(fā)辦公室主任奧托?歐拉夫（Otto Olaf）說(shuō)道，“如果飛機(jī)實(shí)現(xiàn)全電動(dòng)化，節(jié)約的能源將會(huì)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(shuō)：“歐盟的‘2050航線’項(xiàng)目旨在將排放量減少50%以上，但那時(shí)乘客數(shù)量預(yù)計(jì)會(huì)翻倍，因此我們至少需要4倍改進(jìn)。”

目前尚不清楚這些數(shù)字是如何計(jì)算出來(lái)的。最簡(jiǎn)單的方法是將排放量與乘客里程進(jìn)行對(duì)比。更實(shí)在的方法是評(píng)估“所有相關(guān)”效果，同時(shí)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(jì)算方法還應(yīng)考慮到用于制作電池、電動(dòng)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(xiàng)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(duì)夜晚飛行的限制，航空公司投入了大量資金用于對(duì)噪聲大的舊飛機(jī)進(jìn)行消音改造，這項(xiàng)工作被稱為“裝置減音”。

安東說(shuō)：“這是西門子和航空公司洽談時(shí)感到最驚訝的一點(diǎn)。我總是提到，對(duì)于飛行來(lái)說(shuō)，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(gè)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(gòu)買混合動(dòng)力普銳斯是為了節(jié)省燃油，購(gòu)買特斯拉是為了加速超車保時(shí)捷。航空公司購(gòu)買混合動(dòng)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(huì)實(shí)現(xiàn)的。