便宜,打火机,安静:飞行电气化在手

便宜,打火机,安静:飞行电气化在手

当你第一次坐在电动飞机的驾驶舱时,你看不出什么是普通的。但是,触摸开始按钮,它会立即触发您:一个令人毛骨悚然的沉默。没有吼叫,没有发动机振动,只是嗡嗡声的电和螺旋桨的柔软。您可以轻松地与下一个座位的人交谈,无需耳机。沉默对于驾驶舱和下面的地面人员都是一个福音。

您不用节气门而是变阻器来转动电动机,并且其高扭矩可通过电动机速度的极宽范围提供,直接传递到螺旋桨,无需电力传输。在20公斤(45磅)的情况下,电机可以握在两只手上,只有10厘米深,直径30厘米。等效的内燃机重量约为七倍,占据了120×90×90厘米。部分原因是由于电机精湛的效率,将95%的电能直接转化为工作 - 这架电动飞机的一小时飞行消耗的价格仅为3美元,而单发飞机的价格则为40美元。电动机中的一个移动部件,电子飞机的维护成本也较低,而在双座类别中,首先购买的电子飞机较少。

这是成本优势,甚至比无声操作更重要,对于专业飞行员来说最为引人注目。飞行是一项昂贵的业务。而且,正如技术人员一再表示的那样,如果您大幅降低了产品的成本,您将有效地创建一个全新的产品。看不到你口袋里的300美元的超级计算机。

在我公司,在科罗拉多州恩格尔伍德的Bye Aerospace公司,我们设计和制造了一台名为Sun Flyer的双座飞机,这种飞机单独运行。我们预计今年晚些时候将按照上述规格飞行。我们为飞行员培训的利基应用设计了飞机,无法承载沉重的载荷或飞行超过3小时,并不成问题,而成本是一个主要因素。但我们认为,飞行员培训将只是电动航空的开始。随着电池的进步,随着工程师们开始设计将发动机与发动机配对的混合动力推进系统,大型飞机将向电力转型。这样的飞机最终将接管大多数短途中转轮班通勤航班,

在特斯拉汽车公司的早期,在二十世纪二十年代中期,我永远不会忘记我在电力推进方面的第一次经验。我是客人,访问特斯拉在旧金山湾区的研究仓库,在那里我和公司第一个跑车的原型的测试车手一起骑行。查看电动部件,然后可用 - 电机大而重,变速箱,变频器和电池都相对粗糙 - 我发现很难想象为什么任何人都会用汽油供电的电动汽车。不过,司机的脚击中加速器,车子像火箭一样向前冲,而我也是一个信徒。

手机行业电池技术和电源管理软件方面的受益者,电气飞行在这方面取得了长足的进步。我在2007年创建了Bye Aerospace,以建造电动飞机,特别是利用三项进步。第一个是改进的锂离子电池。二是高效轻便的电动机和控制器。第三种是空气动力学设计 - 特别是具有高效长翼空气动力学的长,低阻力机身,采用非常轻巧,坚固的碳复合材料构成。

我们的第一个项目是无声猎鹰,一个14公斤(30磅)的太阳能电动固定无人机。我们通过仅包含足够的锂离子电池来提供峰值电力进行攀登,优化了长时间飞行的电力系统。我们设计和建造了一个气动轨道发射器,使飞机不必在自己的力量下起飞。当达到所需的高度时,它可以巡航5到7个小时,补充电池电量的涓涓细流,电力来自太阳能电池板,跨越4.2米(14英尺)的机翼。太阳能电池板将阳光转化为电力,效率高达11%,有效地使电池单独提供的飞行时间翻倍。如今,最好的太阳能电池被评为26%的效率,并允许飞机停留10到12小时。

无声猎鹰可以携带各种有效载荷,包括常规和红外摄像机和传感器,可用于监视边境地区,检查电力线路,收集关于森林火灾的信息以及许多其他用途。它拥有完全自主的计划。你给它一个一般的顺序 - 你想要去哪里,多高和在什么位置 - 然后按发送按钮。沉默猎鹰于2015年开始投产,成为全球首款商用太阳能电动无人机,无人机。

我们的下一个项目是在世界各地的分包商的帮助下开发一种用于现有全尺寸飞机的电动推进系统:Cessna 172四座车,世界上最受欢迎的飞机。经过转换的塞斯纳飞行了几打短路之后,我们跟随着专门制造的单座电动飞机。我们已经将这些测试飞机中的每一架都运往20多个测试航班。

我们的第一个问题是找到一个合适的轻便高效的电机。几年前,在电动飞行的早期,我们遇到了飞行员,他们认为将常规电动机掉落(或实际上已经掉落)到飞机上。但由于重型电机外壳,精细的液冷系统和复杂的变速箱,因此重量过大。我们的方法是与Enstroj,Geiger,西门子和UQM等公司合作,专门为航空应用设计电动马达。

这些航空优化的电机在许多方面与常规类型不同。它们可以减轻重量,因为它们不需要每分钟低转速的起动功率。一架飞机沿着跑道慢慢地加速,而不是一辆从停车场开始的车子,所以惯性要小得多。航空电机可以免除重型电机外壳,因为它们不需要像自动电机那样坚固耐用,这些汽车电机经常被匝道和坑洼挤压,并受到振动和高扭矩的冲击。

在特斯拉,功率可能在7,000转/分钟高峰,这对驾驶汽车是很好的。但是,当您转动螺旋桨时,您需要将功率曲线快速上升到三分之一转速 - 约2000转/分钟。通过增加复杂齿轮箱的载重量,以较低的速度实现该功率曲线的形状将是一种耻辱; 因此,我们的供应商为我们提供了具有适当绕组的电机和编程为提供这种功率曲线的电机控制器。在2,000 rpm时,电机可以直接驱动螺旋桨。因此,我们已经能够从发电量每公斤1千瓦到2千瓦的发电厂达到超过5千瓦/千克的发电机组。

更重要的是锂离子电池技术,其15年来的稳步改进是使我们的项目成为可能的关键。再见航空公司与松下和陶氏化学公司合作; 目前我们使用由LG Chem的18650锂离子电池组成的电池组,因为它们直径为18毫米,长度为65毫米,或者比标准AA电池稍大。LG化学公司的电池具有260瓦时/千克的创纪录的能源密度,是我们开始从事电动航空工作的电池的2.5倍。每个电池还具有强大的放电能力,高达约10安培。我们的330公斤电池组很容易允许正常飞行,在起飞时可以保持稳定的18至25 kW和高达80 kW的功率。电池组的总能量存储容量为83 kWh。

当峰值功率下降并且电压降低时,通常最为需要的是飞行结束。同样重要的是,电池可以充电很快; 我们所需要的就是现在可用于电动汽车的增压器。

要在飞机上使用锂离子电池,您必须采取超出汽车要求的安全预防措施。例如,我们使用包装系统来包含热量,同时允许排出可能产生的任何蒸气。电子安全系统在操作期间监控每个电池,避免充电过低和过充电。我们的电池管理系统监控所有这些元素,并将相应的数据提供给驾驶舱中的整体信息管理系统。

如果电池在午间出现问题,驾驶舱内的警报灯会闪烁,飞行员可以以电子方式或机械方式断开电池。如果发生这种情况,飞行员然后可以滑向机场,飞机将永远在附近,因为它正在担任教练。

原始特斯拉跑车开创的一个关键预防措施是将个别细胞与气隙分开,以便如果一个电池过热,则问题不能轻易地传播到其邻居。空气冷却对于电池来说是足够的,但是我们为电机和控制器使用液体冷却,在某些情况下(如凤凰机场的全功率起飞和爬升),会浪费大量的热量。

机身设计充分利用了先进的复合材料,这使得我们能够生产轻巧而坚固的机翼和机身设计。我们使用先进的空气动力学设计工具来塑造机身翼型和机翼,具有非常低的阻力,而不会影响易于操作。

我们的电力推进系统的大部分空气动力学回报集中在飞机鼻子的整流罩区域。电机坐在这个空间,螺旋桨和驾驶舱之间,它很小,我们可以将整流罩挤压成一个优雅的锥形,沿整个机身平滑气流。与传统飞机如单引擎塞斯纳(Cessna)将提供的相比,这使我们能够将空气阻力降低15%。另外,由于电动马达比汽油发动机少得多的热量,所以需要较少的空气冷却,因此可以使用较小的进气口进行管理。结果是较少的寄生冷却阻力和更好的外观(如果我们这样说自己)。

时尚的飞机鼻子也增加了螺旋桨效率。在传统的飞机上,螺旋桨的内部跨度大部分被阻塞,因为它后面有大的马达。在正确设计的电动飞机上,整个螺旋桨叶片处于露天,产生更大的推力。奖金:飞机可以在制动过程中再生能量,就像电动汽车一样。当飞行员减速或下降时,螺旋桨变成风车,运行电机作为发电机给电池充电。在通用航空和学生飞行员训练典型的机场交通模式中,这种节能量达到了约13%。换句话说,如果一架飞机着陆在飞行中显然使用8.7千瓦时,实际上已经使用了10千瓦时,螺旋桨收缩系统大约缩小了1。

训练飞机如Sun Flyer 的商业理由是预计合格航空公司飞行员供应的危机。去年,波音公司做出了惊人的预测:到2035 年,世界将需要额外的617,000名商业飞行员。从这个角度看,当今世界商业飞行员总数估计为13万。

飞行员日益稀缺有各种原因。更多的训练有素的飞行员正在出现在世界各地的大型军事中。同时,从民用试点学校获得商业航空公司飞行员执照也是越来越昂贵的,因为现在需要更多的飞行时间,总共需要1500小时。除此之外,根据通用航空制造商协会的统计,在美国,典型的训练飞机的年龄可能是塞斯纳还是派派,现在平均为50年。

我们的航空电机(AEAC)部门制造的太阳飞轮目前是一种,但不会更长。美国航空航天局已经宣布开发一个实验电动飞机X-57电力研究平面计划,该飞机将是该机构在五年内首次设计的新型实验飞机。(因为美国宇航局是政府机构,其飞机不会是Sun Flyer的商业竞争对手。)空中客车公司在过去几年里已经多次飞行了一架小型实验电动飞机,但现在专注于混合动力电动商业运输我会在一会儿讨论)。斯皮尔斯特勒斯滑雪机和轻型运动飞机(LSA)的制造商Pipistrel已经飞行了几年的实验电动原型。不过,这种工艺的未来不清楚是因为美国

现在,我们正在坚持培养我们的利基。AEAC正在与德克萨斯州奥斯汀的Redbird Flight Simulations合作,提供全面的培训体系。俄克拉何马州塔尔萨的斯巴达航空航天学院已经为购买我们的太阳传单25台订了一笔存款,并且还签署了一项培训相关协议,帮助我们开发完整的培训体系。其他飞行学校和个人飞行员已经存款和购买选择权,总计超过100个太阳飞船的存款和期权; 另有100个存款处于谈判的各个阶段。

Sun Flyer飞机将根据标准类别的昼夜视觉飞行规则在美国获得FAA认证,目标总重量小于864 kg(1,900 lb.)。飞机不会在性能上妥协:我们的目标是每分钟430米(1,450英尺)的爬升速度; 为了比较,Cessna 172每分钟爬升约210米(700英尺)。

为什么我们不追求大型商用电动飞机?主要原因是能量与速度之比。电动飞机越来越快,电池数量越多,电池重量就越大。任何移动物体的基本问题都是一样的:车辆上的拖动速度上升为速度的平方。如果你加倍速度,你可以增加四倍的阻力。在比较慢的飞机上,像飞行教练一样,电动航空是一个严肃的竞争者,但电池有足够的能量密度来驱动比我们的车型更快更重的飞机需要几年的时间。

在我们等待纯电技术成熟的同时,我们可以使用混合动力解决方案,它们的运行方式与汽车的原理相同。因为起飞时需要的能量大约是巡航时的四倍,所以您可以通过运行电动机达到峰值功率来获得额外的能量爆发; 这是可能的,因为电机具有如此宽的效率带。然后,我们可以使用运行在最佳转速下的小型内燃机,为电池充电并维持巡航速度。作为一个副作用,依靠电动机起飞,使邻居有很多噪音。

我们正处于使两座太阳飞船2和四座太阳飞船4成为可行的商业现实的巨大任务之中。有人还说这是不能做的。我反对说,没有任何基本和持久的价值,没有尝试过以前从未做过的事情就可以实现。感谢有远见的人士和先驱者,电动飞机不仅仅是一个有趣的可能性。他们是现实。



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