電力推進將向空中領域發展，就像在地面上一樣，最初使用電池來輔助燃料發電機。

我坐進一架堪稱全球最特別的飛機的駕駛艙里，這是一架名為330LE的兩座訓練機，由艾克斯特飛機公司制造，配備的電動馬達來自西門子公司。西門子公司雖然規模宏大，但航空領域并不是它的強項。我剛把腳從控制踏板上移開，駕駛員就啟動飛機了。

螺旋槳立即飛速旋轉，變得透明。但它特別安靜，我們可以不戴耳麥輕松地聊天，這也是電動飛機的首要特征。

飛機在布達佩斯郊外一處草地上的小型跑道上開始滑行。當時是上午10點鐘，天氣晴朗，遠處是一片片的農田。飛機突然起飛，開始大角度爬升，地面上的房屋也顯得越來越小。飛機下方的一頭奶牛甚至都沒抬頭看我們。這種與特斯拉Model S的“瘋狂模式”相同的航空加速是電動飛機的另一個特征。并且這種電動馬達的所有性能都可以即時體驗到。

接下來，飛機進行了俯沖、轉向和上升等操作，我感覺我的五臟六腑都移位了。登機之前，西門子布達佩斯研究中心的負責人蓋爾蓋伊?喬治亞?巴拉茲（Gergely Gy?rgy Balázs）略帶歉意地表示，僅有一架半特技表演的飛機。（所幸全特技表演的飛行員出差了。）

15分鐘令人興奮的飛行后，電池電量消耗了一半，剩下不到10千瓦時，也是時候返回地面了。這也是電動飛機的最后一個特征。盡管現在的鋰離子電池（電池架就在駕駛員座艙的前方）的容量比幾年前要大，但還是抵不上一箱汽油。所以，全電動飛機在未來幾年內將僅限于短途飛行，大多是鄰近區域而非城市之間的飛行。

航空業溫室氣體的排放量占全球的2%～3%。但由于大量的氣體被排入了平流層，所以造成該行業的有效減排對于整體的影響更大。隨著航空旅行的增加以及電力和汽車等其他排放源的減少，在未來幾十年，航空業占整體排放的份額將會急劇上升。

2016年，23個國家同意按照聯合國機構國際民航組織（ICAO）的標準，自2020年起開始限制商用飛機的碳排放。因此，全球的研究者現在都致力于研究減少碳排放的方法。

但如果僅限于這種距離近得可笑的短途飛行，電動飛機又如何發揮作用呢？電動飛機之所以被視為航空業重大技術變革的關鍵一步，是因為它們將再次演繹汽車工業剛剛開始的從內燃機到電動機的轉移。也許再過15年，油電混合動力飛行器將應用在短中途航線中。混合動力飛機使用燃料，但用得很節省。

拜耳航空公司首席執行官喬治?拜耳（George Bye）說：“我們在小型電池動力訓練機方面的研究將會產生巨大影響，因為從物理學上來講，我們的改進是可行的。”目前，拜耳與西門子達成合作，西門子計劃為其生產的電動訓練機提供馬達。“不過飛機要想實現更快的速度和更高的質量，就需要混合配置。航空業正致力于實現這一點。”

當前我們需要混合動力機型，因為每千克航空燃料儲存的能量為12.5千瓦時，而每千克鋰電池僅能儲存0.16千瓦時，其中包括封裝重量和保持電池安全性的其他裝置。

要想將混合動力成功應用于航空領域，還需要許多先進技術。這些技術當然可以通過制造混合動力飛機的研發項目來實現；但更重要的是，諸如西門子這類公司將努力引入電動飛行器，并打造一個未來產業——城市載人空中出租車，數量將超過無人機。西門子公司正在與空中客車公司合作開發一項名為“城市空中巴士”的全電動項目。空客公司同時還在其硅谷的子公司開展了另一項名為“伐訶納”（Vahana）的項目。還有很多其他的初創公司也在推進相關技術，如中國的億航公司在今年年初首次公開演示了一名工程師駕乘一架八旋翼直升機飛上天空的過程。

━━━━

在航空業，大部分混合動力設計基于串行體系結構，首先是燃油引擎（內燃機或是渦輪機）驅動發電機，然后發電機為電動機提供動力，在轉動推進器的同時為電池充電。在這個方案中，電池提供起飛所需的爆發動力，這樣就可以讓技術人員將燃料引擎調整到理想的運行速度。懸掛在機翼上的大型噴氣發動機只用來保障飛機起飛，在其他時間基本都處于閑置狀態，而且還增加了飛機的重量。

當然，混合動力還有其他優點。通過電纜分布動力，混合動力設計可以把推進器放在任何想放的位置，而不必將所有組件都布置在巨大的引擎附近。有些混合動力設計設想將推進器放在機身尾部，甚至放在垂直穩定翼的頂部。

目前，有兩大聯盟正致力于研究混合動力。在歐洲，除了“城市空中巴士”項目之外，空客公司還和西門子、勞斯萊斯組成了聯盟。在美國，波音和捷藍航空參加了由位于華盛頓柯克蘭的初創公司Zunum Aero管理的一項競爭項目。兩大聯盟都聲稱將于本世紀20年代初期實現空中混合動力。

空客集團計劃從改造現有飛機入手，他們選擇的是英國宇航公司型號為146的一架100座飛機，在其4個翼吊短艙中，有一個放置的不是引擎，而是一個2兆瓦的電動機。機身中有一臺小型燃氣輪機旋轉驅動發電機（可以減小空氣阻力），為電動機提供動力。如果電氣系統出現故障，3個傳統動力推進器能保證飛機安全飛行。據報道，空客公司準備在明年的巴黎國際航空展上展示這款混合動力飛機。

美方聯盟則對其計劃守口如瓶。2017年8月，通用航空發布了一份白皮書，概括了其在混合動力電動發電機方面進行的實質性工作。在一次地面試驗中，通用航空公司用一臺額定功率為1兆瓦的電動機驅動了直徑3.3米的螺旋槳。另一次試驗中，它使用通用F110型噴氣發動機中的壓縮機驅動1兆瓦的發電機，引擎同時持續產生推力。

雖然關于兩大聯盟更詳細的消息很少，但它們還是在采訪中很清楚地說明，它們正致力于4大類技術的改進：電池容量、電動機和發電機重量、電力電子的效率以及機身材料和設計。比如在歐洲聯盟中，西門子致力于改進發動機、發電機和電子設備。此外，西門子已對部分小型飛機進行全電動設計改造，確信將部件組裝到飛機內，即可對它們進行整體優化。

“通過研究從飛行員到螺旋槳等所有環節，我們正在積累整體電推進系統的經驗。”西門子電動飛機部主管弗蘭克?安東（Frank Anton）說道，“要了解這些，唯一的方法是實際操作。”

相較而言，電動機體積小、重量輕，有很多可選部件。你可以在機翼上安裝一系列小型推進器，縮短起飛距離。NASA甚至在研究沿著機翼邊緣安裝一堆螺旋槳的設計，這樣就可以按需引導操縱面的氣流，提高升阻比。結果就是機翼變得更短、更窄。

安東說：“若將電力從推進力中分離出來，瞬間你就會擁有各種矢量推力的應用。”

降低電動系統重量的關鍵挑戰有以下兩個：首先，必須提升電池的能量密度，這是一個漸進過程，直到鋰離子電池完全被某種全新的技術所替代，如金屬空氣電池；第二，電動機以及電動發電機的功率密度也要提升。當然，這是西門子的專長。

西門子在全特技飛機的前端安裝了公司自己生產的SP260D航空電動機，其重50千克、功率為260千瓦，功率重量比高達5.2千瓦/千克。（半特技飛機的功率重量比與其大致相同，但體積僅為其一半多。）2016年，艾克斯特330LE于德國丁斯拉肯場地首次公開飛行；2017年創下電動飛機時速340公里/小時的紀錄。西門子的工程師們正在努力研究如何進一步提升電動機的功率密度。

在布達佩斯研究中心，巴拉茲把我帶到一間實驗室的工作臺前，遞過來一個被鋸成兩半的電動機。這是定子的一半；定子是旋轉的轉子周邊的固定部分。鋸開的表面里嵌有銅繞組的矩形橫截面，看起來就像墻上堆砌的磚塊。這種直線結構是實現高功率的關鍵，能防止空氣間隙干擾電線與液體冷卻外殼間的熱傳導。因此，必須要將熱量轉移出去，否則電線絕緣就會被損壞，進而造成短路。

巴拉茲表示：“我們需要比圓形電線更均勻的熱傳導，也希望電絕緣性能更好，這些對航空電機來說很重要。”而西門子在日本供應商古河電氣工業株式會社專門定制了這種電線。

工程師們每天進行著這些枯燥乏味的研究工作，將重量一克一克地減輕。這種手工方法讓這些人造寶石比勞力士手表都昂貴。當我拿起一個掂一下它的重量時，巴拉茲表現出了明顯的擔心。于是，我趕緊小心地把東西放回去了。

巴拉茲告訴我，再過幾年，每年都會制造出數以千計的電動機用于空中出租車，西門子及其所有制造空中出租車的競爭對手預言的這種車輛將像蝗蟲一樣穿行在城市中。那時電動機的單位成本將會下降，可能會低于當今內燃機引擎的水平，盡管內燃機里有成百上千的零部件及無數復雜的機械交互作用。

最終，革命性的改進將取代點滴的雕琢。一個重大突破是20世紀80年代初，通用汽車公司和住友特殊金屬株式會社分別在電動機中引入了超強釹磁鐵。下一個重大變革就要瞄準超導線纏繞電磁鐵的機器了。

━━━━

如果電動發電機有超導繞組，就幾乎不會產生廢熱，而這個夢想也只能在高溫超導體出現之后才能考慮。陶瓷材料的超導溫度為零下135攝氏度，比原先的金屬超導體“熱”約100攝氏度。因此，為了接近絕對零度，設計人員可以用液氮代替液氦來進行冷卻。

西門子基于該理念已經研究了近20年。最初的計劃是將超導電動機放在空間和重量都極其珍貴的海船上。即使如此，公司現在的機器版本（作為發電機）還是比成年人的體積大。因此，公司的工程師目前在縮小用于航空領域的機器體積。其終極能量密度目標是10瓦/克。西門子并未給我展示這件產品，只提供了一張較大型超冷卻機器的圖片，上面附有未來航空版本的圖紙。圖紙尺寸大概是圖片的1/10。

其他公司也在努力研究制冷機。通用航空公司正在為NASA研制低溫冷卻設備，但通用電氣對此不愿提供任何信息。所有的公司都守口如瓶，也許是不情愿告知，也許是沒有太多要告知的內容。NASA預計，無論如何，使用不低于30兆瓦功率的低溫系統的客機在21世紀30年代中期之前是不會出現的。

為了充分利用這種超導電動機以及混合動力系統中的超導發電機，還需要超導功率變換器。NASA與通用公司簽訂了合同，為其生產效率達99%、功率重量比為19千瓦/千克的逆變器。

集成電動機的混合動力設計尚處于研究之中，可能會采用燃氣輪機驅動發電機。西門子的工程師首先在硅片上建立了模型，我瞥了一眼電腦屏幕，上面是一種交互模擬，是一種普通氫冷電機的標記。“這是一個混合動力系統，它可以告訴我們功率分配如何運作。”巴拉茲告訴我。

現在燃氣渦輪發電機常被用作電網的備用電源，這種情況下組件的重量并不重要。而許多軍用飛機在飛行中通過噴氣發動機的壓縮機或飛機向前運動產生的氣流來提供電力。

要節省幾千克重量，工程量就如此之大，看起來有點大費周章，但這么做是值得的。電動機上節省1千克重量，電池重量就可以額外增加1千克。美國聯合航空公司近期使用質量較輕的紙來印刷雜志，每份雜志可減少28克，這樣每次航班可減少約5千克，計算下來，這一行為可為公司每年節約64萬升燃油，價值29萬美元。

這就是為什么波音787等新的大型客機會使用如此多的碳纖維增強復合材料。330LE也是如此——一個人就能把飛機從機庫里移出來。

好了，讓我們現在來看看最終成品吧。十幾年已經過去了，現在運行在航線上的混合動力飛機非常安靜，晚上可以在城市上空飛行。多虧了旋轉的推進器，飛機可以從短跑道甚至市區內的跑道上起飛。因為重量更輕、效率更高，這種飛機更節約能量。這就意味著飛行需要的成本更低，與當今運營成本遠高于采購成本的商用飛機處境截然相反。

一項警告：大約十幾年后，混合動力飛機只會比傳統飛機稍微“環保”一點。只有混合動力的經驗和經濟規模使整個行業轉為純電動飛機時，才能做出巨大的改進，也許要到21世紀30年代。“我們見證了混合動力使節能從4%升到20%。”西門子位于慕尼黑的銷售與業務開發辦公室主任奧托?歐拉夫（Otto Olaf）說道，“如果飛機實現全電動化，節約的能源將會更多。”

航空業同樣引人注目的是要減少相關的溫室氣體排放。西門子公司的安東說：“歐盟的‘2050航線’項目旨在將排放量減少50%以上，但那時乘客數量預計會翻倍，因此我們至少需要4倍改進。”

目前尚不清楚這些數字是如何計算出來的。最簡單的方法是將排放量與乘客里程進行對比。更實在的方法是評估“所有相關”效果，同時考慮到所有在地面生產并存進電池中供后期空中使用的電力。這種計算方法還應考慮到用于制作電池、電動機、超輕碳復合機身及其他部件所消耗的能源。

“2050航線”項目還希望到2050年將飛機噪聲降低一半。事實證明，這是迄今為止航空業最大的舉措了。為規避對夜晚飛行的限制，航空公司投入了大量資金用于對噪聲大的舊飛機進行消音改造，這項工作被稱為“裝置減音”。

安東說：“這是西門子和航空公司洽談時感到最驚訝的一點。我總是提到，對于飛行來說，安靜排在能量和排放之后。而現在它被排到了首位。”

這不是首個本意并非緩解全球變暖，卻有助于成功實現這一目標的綠色技術。人們購買混合動力普銳斯是為了節省燃油，購買特斯拉是為了加速超車保時捷。航空公司購買混合動力飛機是為了安靜運行，減少溫室氣體排放幾乎就是一種副作用。但這些終究會實現的。