《知識》電動飛機的發展概況與挑戰

根據歐盟委員會 (European Commission) 數據,飛機排放溫室氣體,約占全球溫室氣體 4% 而且還在持續成長中。歐盟委員會的目標是希望到了2050年,飛機每公里二氧化碳排放量減少 60%、氮氧化物污染減少 90%、噪音減少 75%。為了朝降低航空產業污染的目標邁進,不少航太公司、新創都積極投入研發電動飛機。以下整理各公司發展電動飛機的概況:
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1. 美國 Archer Aviation eVTOL Aircraft 
Archer Aviation 是美國一家製造垂直起降電動飛機 Electric Vertical Takeoff and Landing (eVTOL) 的上市公司 (NYSE: ACHR),旗下機型 Midnight 已經獲得美國聯邦航空局 (FAA) 的特殊航空適航證書,代表該飛機已符合 FAA 的所有安全標準,可以開始進行飛行測試。 Archer Aviation 已獲得包括汽車製造商 Stellantis、聯合航空和波音的投資,有助於推動 eVTOL 技術的發展與帶來未來更多的可能性。



2. 空中巴士研發全電動小飛機 E-Fan / E-Fan X
歐洲飛機製造商空中巴士 (Airbus) 在2014英國法恩堡航展上,展示一架全電動 E-Fan 小飛機。該飛機機翼長 9.5 公尺,重量僅約 550 公斤,它無須航空燃油提供動力,100% 依靠電池飛行。因此飛行過程中不會排放廢氣,同時也顯得非常安靜。空中巴士希望先透過研發小型電動飛機後,可以將技術應用在大型客機上。


空中巴士也與西門子 (Siemens) 研發電力引擎多年,2017年勞斯萊斯加入合作,三家公司共同開發了一款叫 E-Fan X 的混合動力電動飛機。該機體是由一架 BAe 146 改裝。空中巴士負責整合混合動力電動推進系統以及電池的控制架構;西門子負責配電系統;勞斯萊斯負責研發渦輪引擎、發電機和電力電子設備。



3. 英國易捷航空與 Wright Electric 合作研發電動客機

英國廉價航空易捷航空 (EasyJet) 跟美國新創公司 Wright Electric 合作,研發預計可以飛行 540 公里的電動客機。這個距離將可覆蓋 20% 的易捷航線,希望十年內能讓電動客機執飛倫敦到巴黎、阿姆斯特丹這類短程航線。

易捷航空表示,為了降低航空產業對於環境的汙染,預計在十年內於短程航線導入以電力驅動的客機。隨著鐵路、汽車逐漸電力化,易捷航空表示航空業支持電力驅動的飛機是未來公司減少碳排放的策略之一。目前易捷航空的做法是透過 A320neo 這類高燃油效率的飛機,在2020年前每公里替每位乘客減少 10% 的碳排放。除了環保考量,燃油是航空公司很大的成本支出,像是德國漢莎航空、法荷航集團、維珍航空近年也都積極在尋找替代能源方案。

美國新創公司 Wright Electric 創立於 2016 年,團隊成員有航太工程師、動力專家,還有來自 NASA、波音不同背景的員工。Wright Electric 表示,他們的目標是要在 20 年內,讓所有的短程商業客機都能以電力飛行,目前正在打造兩人座的模型機,下一步是擴大到十人座,最後是可以乘坐 120 人的單走道商用短程客機。



4. 美國 NASA 研發電動飛機 GL-10 及 X-57 Maxwell 

美國太空總署 (NASA) 開發的新型電動飛機 GL-10,以無載人的縮小版模型做飛行測試。它擁有十個螺旋槳引擎,特點是和直升機一樣,不需要跑道,可以垂直升降,但飛到高空之後飛機螺旋槳會改變方向,逐漸朝向前方,變成螺旋槳飛機。選擇螺旋槳引擎的原因,是和噴射引擎相比,螺旋槳能源需求較低,是純電動飛機的首選。研究人員最終目標是希望造出一架可以載人的新一代電動飛機。


另一款由NASN開發的全電動飛機 X-57 Maxwell 引擎更多,由14顆電動引擎組成的推進系統提供動力。有人懷疑全電動飛機是遙不可及的夢想,因為馬達的馬力尚無法與傳統引擎媲美,但是它們更小、重量也更輕。

NASA研究人員認為,航太應用的可再生能源應該聚焦於燃料電池,類似阿波羅號(Apollo)太空人來回月球使用的動力;「我們需要的是一種能直接將碳氫化合物轉換成足夠電力的燃料電池。」

聚焦於新電池技術以及如何以更少的燃料降低排放,NASA 研究人員正在尋找改善飛行器的方法,而不是重新發明。

X-57的 Maxwell 代號,是為了向19世紀的蘇格蘭電磁學/物理學家 James Clerk Maxwell 致敬,他是開創電磁理論的先鋒。而無論該實驗性飛行器是否能成功,NASA 的研究至少有助於在一個對可靠性與安全性要求最高的應用領域,推動電池與其他電源管理技術的創新。



5. Zunum Aero研發電動飛機

西雅圖 Zunum Aero 飛機設計公司,推出一種新的區間飛機,採用馬達驅動的大型導風扇。他們相信此種無需加油的飛機可以降低運輸成本,並已在 2017 年 10 月,拿到了波音與藍捷的投資,目標要開發出專攻區域航線的小型混合動力電動客機。

Zunum Aero 的名字,字源來自 tzunuum ,是瑪雅語中的「蜂鳥」,這種飛機尺寸並不大。他們推出的第一種小型客機,主要依靠電力驅動、油料輔助的混合動力設計,機體將採用碳複合材料、輕型電動引擎,乘客容量為 12 人,單程為 700 英里( 1126 公里),以充電電池為動力,預計飛機壽命為 30 年。



6. 荷蘭皇家航空贊助計畫 - 未來飛機 Flying-V

荷蘭皇家航空 (KLM) 贊助了一項計畫,設計出了一架座位是在機翼上的飛機,外型宛如一片 Pizza,號稱可以節省 20% 油耗。 這台全新概念的飛機 Flying-V,是由荷蘭台夫特理工大學團隊研發設計,根據座艙設計圖,乘客會坐在 V 字型的兩邊,也就是機翼上的位置,座位配置是一般寬體客機常見的 3-4-3,貨物位於飛機兩側尾端,這樣可以增加容納旅客的數量,載客數可達 314 人,同時可以容納 160 立方公尺的貨運體積。

獨特的 V 字型設計,目的就是為了節能。根據官方說法,飛機淨重比 A350-900 輕了 7% ,跟 A350 相比可以節省 20% 油耗、空氣動力效率可增加 15% 。許多人可能會擔心特殊的設計不能應用在一般機場,事實上,這架飛機機身比 A350-900 短,翼展也跟 A350 相近,基本上可以完全適用現有的停機坪等設施。

Flying-V 目前都還只是初步設計,未來會跟荷蘭航空線上營運人員合作,進一步改善機艙設計。荷蘭航空執行長表示 Flying-V 並不是要跟 Airbus 或是波音競爭,目的是希望透過這項計畫,實現航空業對節能減碳的承諾。真正商用可能還沒那麼快,團隊預估至少要等到 2040~2050 年才有可能。



7. 以氫氣作為燃料 - 未來飛機 Progress Eagle 進步之鷹
西班牙工業設計師比尼亞爾斯設計的「進步之鷹 Progress Eagle」從外觀看起來,造型就是一條長了翅膀的比目魚,扁平寬廣的機身本身即可提供飛行時需要的升力。

客艙總共分為三層甲板,其中包含比頭等艙更高級的飛行者艙,讓 VIP 級旅客以將近180度全景窗戶,享受空中視野和景色。另外,高級餐廳、免稅精品店,甚至是 SPA 也都可能出現在機艙內,猶如一艘會飛行的豪華郵輪。

進步之鷹的特色還有動力系統,六具龐大的電動引擎,以氫氣作為燃料,飛行時不會產生任何碳排放;其中一具引擎還兼具風力發電功能,搭配裝置在機翼表面以及機身背部的太陽能電池,不但足以產生機上所需的電力,甚至還能將多餘的能源可以儲存起來,等飛機降落之後再傳輸到地面,供應給地面的設施使用。進步之鷹目前還僅止於設計圖上的一個概念,最快可能要到2030年以後才會誕生。



8. 巴西航太 Eve Air Mobility - 電動飛機
Eve Air Mobility (EAM) 首批電動飛機航程為 60 哩,預計最早可在 2026 年交付。 EAM 原為巴西航太 Embraer 的一家子公司,後出售成為獨立企業,現已在紐約證券交易所上市,該公司目標瞄準在 2026 年推出電動飛機。聯合航空公司已向 EAM 訂購了 200 架四人座、可垂直升降的電動飛機,準備搶攻 Uber Black 市區往返機場的生意。



9. 以色列 Eviation 全電動客機 Alice
由以色列公司 Eviation 推出的全電動客機 Alice,自原型機於 2019 年首次亮相後就不斷進行測試。該飛機於 2022 年 9 月 27 日進行首飛,完成 8 分鐘的飛行。該客機由超過 21,500 個小型特斯拉電池供電,電池總重逾 4 噸,占碳複合材料機身重量的一半。Alice 運用類似電動車或手機的電池技術,在充電 30 分鐘後,可載著 9 名乘客和 1 至 2 名飛行員飛行一小時,飛行距離約 814 公里,最大巡航速度約 461 公里/小時。若美國聯邦航空管理局FAA最終批准這架小型飛機載客,它將可能成為第一架全電動商用飛機。



10. Harbour Air 純電動水上飛機 de Havilland Canada DHC-2 Beaver

美國工程公司 Magnix 與加拿大港灣航空 (Harbour Air) 合作,利用 Harbour Air 旗下 de Havilland Canada DHC-2 Beaver 飛機進行改版,配備 Magnix 公司的 750 馬力電力推進系統,於 2019 年 12 月 10 日在加拿大溫哥華試飛成功。日後電動飛機預計運送約 50 萬名乘客往返溫哥華、惠斯勒,以及附近周邊島嶼等。Magnix 公司的 750 馬力電力推進系統,使用美國航太總署 (NASA) 認可、也被用於國際太空站的鋰電池,可讓飛機持續飛行約160公里。



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電動飛機在「速度」與「動力」上的挑戰
電動飛機的願景雖好,但現階段仍有許多困難等待突破。一般而言,電動飛機在輕量化的同時,還需要提高電池的能量密度和馬達的輸出功率,因此飛機越大越難以實用化。

無論在飛行速度、載客數量來看,目前能力都遠遠低於傳統客機。以一架波音747為例,最高時速約可達 988 公里/小時,這是純電動飛機無法相比的。

從上述投入開發的例子來看,很多都還是以「混合動力」為主,預計到了 2030 年,混合動力技術才有可能實際運用在商業客機上,也就是說要達到「純電動商業客機」的理想,仍舊還有很長的路要走。

另外電池也是一大關鍵,目前的電池還不能提供電動飛機所需要的功率重量推動比。如何快速充電提升飛機的周轉時間也是挑戰,飛機只有飛在空中才是賺錢的,航空公司都會希望盡量減短飛機在地面上停留的時間,飛機一落地後,必須快速補充電力,讓飛機迅速載客起飛,這些都是必須克服的問題。