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《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%,目前還在持續成長中。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%。電動飛機的發展就是其中的關鍵。

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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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。


空中巴士研發全電動小飛機 E-Fan

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、西門子、勞斯萊斯,合作研發混合動力電動飛機 E-Fan X

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。


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。


美國NASA研發電動飛機GL-10

一款由美國太空總署(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。


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。


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。


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。例如不論在飛行速度、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。


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參考資料:
世上首架商用水上電動飛機 加拿大成功試飛
首架商用電動飛機完成試飛!電動航空時代仍面臨3個挑戰
點燃空中的綠色革命,電動飛機是航空業的未來嗎?
電動車不夠看!十年內「電力客機」就能飛上天?
飛機也節能減碳 美國提出電動客機構想
長得像片Pizza、機翼上有座位,看荷航未來飛機Flying-V如何愛地球?