航空運(yùn)輸排放的二氧化碳量約占全球二氧化碳總排放量的3%，但鮮為人知的是，飛機(jī)高空巡航時(shí)釋放的二氧化碳、微塵、氮氧化物和其他污染物，對(duì)氣候的影響要比地面上高五倍。

飛機(jī)制造商長(zhǎng)期以來一直在努力使飛行更加環(huán)保。技術(shù)不斷改進(jìn)的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、改善空氣動(dòng)力學(xué)的特殊涂層；對(duì)創(chuàng)新燃料如SAF（可持續(xù)航空燃料）或低碳航空燃料的投資，大大降低了能源消耗和污染物排放。但這些尚不足以抵消航空旅行的影響，據(jù)國(guó)際航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)（IATA）消息，民航業(yè)在經(jīng)歷疫情期間的下降之后，正在全球范圍內(nèi)迅速恢復(fù)。因此，要達(dá)到預(yù)期設(shè)定的嚴(yán)苛排放目標(biāo)，包括到2050年航空公司實(shí)現(xiàn)凈零碳的Fly Net Zero承諾或歐盟的Flightpath 50計(jì)劃（到2050年二氧化碳排放量比2000年減少75%），很可能只有通過對(duì)混合動(dòng)力或全電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)的大規(guī)模研究和投資才能實(shí)現(xiàn)。

為促使下一代飛機(jī)可持續(xù)發(fā)展，飛機(jī)的很多元素必須改變：包括推進(jìn)系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)和飛行策略等。HBK可幫助工程師更加自信地測(cè)試和驗(yàn)證他們的設(shè)計(jì)，以確保適航性，從而實(shí)現(xiàn)這些創(chuàng)新。

電池功率——限制性因素？

長(zhǎng)期以來，電力推進(jìn)系統(tǒng)一直被認(rèn)為不適合航空運(yùn)輸。然而，創(chuàng)新型初創(chuàng)企業(yè)成功地在小范圍內(nèi)證明了其可行性，從而給大型飛機(jī)制造商及其推進(jìn)系統(tǒng)供應(yīng)商帶來了壓力，使他們?cè)偃伎己箝_始投資研發(fā)。例如，西門子推出了一個(gè)50公斤的電機(jī)，輸出功率為260千瓦，可以直接驅(qū)動(dòng)兩噸以下的小型飛機(jī)。

與燃?xì)鉁u輪噴氣機(jī)相比，電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)顯而易見： 

不過，能源供應(yīng)和儲(chǔ)存至關(guān)重要。存儲(chǔ)同樣的能量，采用市面上的鋰離子電池要比燃油重60倍，能量密度也明顯較低（250-270Wh/kg vs 12,000Wh/kg）。此外，溫度管理也是一大挑戰(zhàn)。盡管電池效率正以每年約5-8%的速度提高，已經(jīng)適合中短途飛行，但專家們表示，開發(fā)用于純電動(dòng)長(zhǎng)途飛行的新電池技術(shù)將需要幾十年時(shí)間和龐大的預(yù)算。

純電動(dòng)還是混合動(dòng)力？續(xù)航里程是決定性的因素

在過去十年中，許多純電動(dòng)或混合動(dòng)力項(xiàng)目已經(jīng)啟動(dòng)，其中大部分仍在開發(fā)中。與他們的目標(biāo)日期相比，大多數(shù)項(xiàng)目都被延遲，一些被取消了，但也有一些已經(jīng)獲得認(rèn)證并投入生產(chǎn)。

例如，純電力驅(qū)動(dòng)的VTOLs（垂直起降）或多螺旋槳飛機(jī)，可用作空中運(yùn)輸出租車，這將開辟一個(gè)全新的細(xì)分市場(chǎng)，其載客數(shù)不多，限乘5人，但MTOW為2000公斤，最大航程為300公里。自主版本目前已經(jīng)問世。

另一個(gè)純電力驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)飛機(jī)的例子是NASA的X-57 Maxwell, 它由鋰離子電池提供動(dòng)力，由12個(gè)高升力電動(dòng)馬達(dá)提供升力；在巡航模式下由2個(gè)大型翼尖電機(jī)推動(dòng)飛機(jī)。地面測(cè)試預(yù)計(jì)于2022年5月完成，該項(xiàng)目正接近首次試飛。

針對(duì)大型商用飛機(jī)的倡議集中在混合電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)上，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)更長(zhǎng)的航程，同時(shí)節(jié)省燃料并減少排放。然而，它們的開發(fā)將需要更多的時(shí)間，在2030年前不太可能投入使用。雖然它們展示了前景，但不一定會(huì)流行起來，比如2017年由空客、勞斯萊斯和西門子發(fā)起的E-FanX項(xiàng)目。該計(jì)劃采用一個(gè)2兆瓦的電機(jī)取代4個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)中的一個(gè)。其余的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)為發(fā)電機(jī)提供動(dòng)力，以生產(chǎn)電力。該項(xiàng)目于2020年終止。

總之，在可預(yù)見的未來，燃?xì)鉁u輪機(jī)仍將是標(biāo)準(zhǔn)的遠(yuǎn)程推進(jìn)系統(tǒng)。SAF的使用將有助于在一定程度上減少氣候影響。更長(zhǎng)距離的飛機(jī)將使用混動(dòng)系統(tǒng)。混動(dòng)系統(tǒng)的燃料消耗預(yù)計(jì)將下降約25%。座位數(shù)少的純電動(dòng)中短程飛機(jī)已經(jīng)或?qū)⒑芸焱度胧褂谩１M管大約30年的產(chǎn)品生命周期很可能使電動(dòng)或混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)在2050年之前無(wú)法全面使用，但專家預(yù)測(cè)，到2035年，大約45%的飛機(jī)將至少使用混合動(dòng)力。該技術(shù)有可能從根本上改變航空運(yùn)輸。

測(cè)試電動(dòng)飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)

與傳統(tǒng)的飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)一樣，測(cè)試與驗(yàn)證在整個(gè)設(shè)計(jì)和原型設(shè)計(jì)階段至關(guān)重要。然而，測(cè)試傳統(tǒng)的和分布式電力推進(jìn)系統(tǒng)之間存在重大的差異。例如，NASA的X-57飛機(jī)的電池必須經(jīng)過驗(yàn)證，以確保它們能安全地為整個(gè)飛行過程提供動(dòng)力，并且溫度升高不會(huì)導(dǎo)致熱失控。工程師們必須測(cè)試和驗(yàn)證電力推進(jìn)的每一個(gè)組件以及整個(gè)電力系統(tǒng)，以預(yù)測(cè)任何系統(tǒng)集成挑戰(zhàn)。雖然缺乏純電動(dòng)或混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試，但其他如GVT（地面振動(dòng)測(cè)試）是適航認(rèn)證的強(qiáng)制性測(cè)試，無(wú)論是何種推進(jìn)系統(tǒng)。這就提出了一個(gè)挑戰(zhàn)。 

效率測(cè)試

電力推進(jìn)系統(tǒng)通常由電源（電池）、逆變器、電機(jī)（馬達(dá)）、旋轉(zhuǎn)軸和螺旋槳組成。評(píng)估各個(gè)組件并了解它們?nèi)绾蜗嗷プ饔?，?duì)于效率優(yōu)化至關(guān)重要。整個(gè)系統(tǒng)效率越高，飛行距離就越長(zhǎng)。為了評(píng)估其效率，需要在啟動(dòng)、穩(wěn)定狀態(tài)和故障事件期間運(yùn)行測(cè)試。需要確定的數(shù)值有：推力、速度、電功率、扭矩、電池輸出、逆變器輸出、螺旋槳輸出，以及共振、噪音、溫度和空氣密度/速度。