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電動(dòng)飛機是航空業(yè)的未來(lái)嗎

上周看到了一個(gè)相當不尋常的飛行計劃。挪威交通部長(cháng)及其主要機場(chǎng)運營(yíng)商Avinor的首席執行官在一架小型雙人飛機上快速繞過(guò)奧斯陸機場(chǎng)。不起眼 – 除了Alpha Electro II這架飛機完全由電池供電。

飛行器電池應用案例

電動(dòng)飛機的興起標志著(zhù)航空革命的開(kāi)始

對于制造Alpha Electro II的斯洛文尼亞公司Avinor和Pipistrel來(lái)說(shuō),這只是航空革命的開(kāi)始:電動(dòng)飛機的興起。挪威的目標是到2040年使用電動(dòng)飛機進(jìn)行所有短途飛行,持續時(shí)間不到1.5小時(shí)。它們不是唯一的:空客,波音和勞斯萊斯是投資研發(fā)的公司之一。原則上,電動(dòng)飛機具有電動(dòng)汽車(chē)的所有優(yōu)點(diǎn)。它們更安靜,更高效,而且至關(guān)重要的是,電力可以在不使用化石燃料的情況下重新產(chǎn)生。全球航空目前占碳排放量的2.5%,但這是一個(gè)非常穩固的2.5%,預計隨著(zhù)未來(lái)20年乘客數量翻倍而增長(cháng)。航空業(yè)一直在努力直接減少化石燃料的使用,并不得不接受通過(guò)植樹(shù)來(lái)抵消排放增加的承諾。

電動(dòng)飛機能否走得太遠?

如果挪威實(shí)現其目標,它將擴大該國在電氣化方面令人印象深刻的記錄; 2017年銷(xiāo)售的新車(chē)中有一半以上是電動(dòng)車(chē),政府計劃到2025年停止銷(xiāo)售化石燃料動(dòng)力車(chē)。與機動(dòng)車(chē)早期試驗涉及電動(dòng)和汽油動(dòng)力車(chē)輛的方式大致相同,電動(dòng)飛行也有著(zhù)悠久的歷史。1900年,電動(dòng)汽車(chē)占所有汽車(chē)銷(xiāo)量的三分之一,這些數字現在才開(kāi)始在挪威這樣的國家進(jìn)行匹配。幾架飛艇是電動(dòng)的,1883年的Tissandier兄弟在萊特兄弟的滑翔機降落之前飛行了一個(gè)電動(dòng)飛船。然而,電動(dòng)飛機是一個(gè)非常不同的主張。關(guān)鍵問(wèn)題是能量密度。不難看出為什么這是一個(gè)問(wèn)題。噴氣燃料的能量密度約為43 MJ / kg,即12,000 Wh / kg,幾乎是煤的兩倍,是木材的三倍。相比之下,這款傳統鉛酸蓄電池的能量密度約為30 Wh / kg。這是至關(guān)重要的,因為飛機燃料的重量是決定其范圍的重要參數。燃料占典型長(cháng)途噴氣機總重量的約45%,因此從噴氣燃料轉換為需要400倍質(zhì)量來(lái)儲存相同能量的電池是不切實(shí)際的。使用更高效的發(fā)動(dòng)機,您可以進(jìn)一步行駛 – 但不足以彌補燃油重量增加400%。出于這個(gè)原因,第一架電動(dòng)飛機直到1973年首次發(fā)明鎳鎘電池才開(kāi)始飛行 – 電動(dòng)飛機的任何未來(lái)發(fā)展都將與我們制造具有更高能量密度的更好電池的能力密切相關(guān)。那次飛行是在1973年,它持續了八到十五分鐘。好的,所以第一次萊特兄弟的飛行在不到一分鐘的時(shí)間里就結束了,但那是70年前的事。像斯圖加特大學(xué)開(kāi)發(fā)的e-Genius這樣的輕型原型飛機現在可以飛行幾個(gè)小時(shí),或者距離大約400公里,但只攜帶兩名機組人員,不太可能很快取代所有短途飛行。

電動(dòng)飛機

挪威的電動(dòng)飛機電池使用約120公斤的特制鋰聚合物電池,其中包含約21kWh的能量。這相當于約175Wh / kg的能量密度。這比特斯拉 Model S略高,后者以157Wh / kg的速度運轉,但仍然遠不及噴氣燃料。這就是電動(dòng)汽車(chē)和電動(dòng)飛機與現有電池技術(shù)之間的區別。是的,特斯拉的汽車(chē)可能比燃油驅動(dòng)的汽車(chē)稍微重一些,但它們的汽油范圍可與汽油車(chē)相媲美(Model S為335英里,平均為375英里,加油量為15加侖)。電動(dòng)飛機的行駛距離幾乎沒(méi)有,或者幾乎與其燃料對應物的重量相當 – 并且飛機主要用于在很長(cháng)的距離上運載許多乘客。挪威2040年的短程航班目標似乎很樂(lè )觀(guān)。

電動(dòng)飛行需要什么才能實(shí)現?

由于電動(dòng)機效率的提高,電池得到了提升 – 它們的效率提高了三倍,并且通過(guò)相同的因素減少了給定性能所需的電池質(zhì)量。指導阿貢交通運輸研究中心的Don Hillebrand建議1,000Wh / kg足以開(kāi)始考慮通電短途航班。這比現代技術(shù)提高了六倍。引用WIRED,他說(shuō),“1,000 Wh / kg的數字大約相當于汽油能量密度的三分之一,但這已足夠。按照我們目前的創(chuàng )新步伐,并考慮動(dòng)力系統效率的相對差異,我們可以期待電池能夠足夠好地為實(shí)際用途的小型飛機提供動(dòng)力。電池能量密度目前每年穩定增長(cháng)7%至8%,但業(yè)內許多人認為我們正在接近鋰離子電池在理論上可以達到的極限 – 這個(gè)限制很可能在我們達到目標之前很久就會(huì )到來(lái)。短途航班的臨界門(mén)檻。鋰離子電池可能足以讓汽車(chē)通電,但我們使用的電池的另一個(gè)改變,就像20世紀70年代允許第一架電動(dòng)飛機起飛的電池一樣,將需要實(shí)現短距離通電的夢(mèng)想航班成為現實(shí)。

不同的電池化學(xué)成分始終是活躍的研究領(lǐng)域。

原型鈉離子陰極已經(jīng)證明能量密度為650Wh / kg,鎂離子電池由于其理論上更高的能量密度限制(750Wh / kg報道)已經(jīng)研究多年。從周?chē)h(huán)境氧氣中吸取一些能量的鋰空氣電池甚至可以達到2,000Wh / kg。然而到目前為止,原型在安全性,穩定性以及在電池需要更換之前可以承受的充電周期數方面都很困難。電動(dòng)飛機可能比它們的化石燃料對應物便宜得多,但是否繼續更換電池是否經(jīng)濟仍有待觀(guān)察。由于安全問(wèn)題,當鋰離子電池在飛機上受到限制時(shí),使用實(shí)驗性,不安全電池的飛機似乎不太可能很快到達天空。在未來(lái)幾十年內,使用燃料電池并利用更高能量密度的天然氣的混合飛機可能是短途飛行的更環(huán)保的替代方案。

盡管面臨挑戰,電動(dòng)飛機仍有相當大的希望。許多不同的力量推動(dòng)了電池技術(shù)的改進(jìn),尤其是電動(dòng)汽車(chē)和能量存儲,用于將更多可再生能源集成到電網(wǎng)上。

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