当今的小型活塞式飞机每小时会消耗数加仑的燃料，而且噪音很大，就像割草机。但与割草机不同的是，如果飞机发动机不工作了，那么最好的情况是紧急迫降，而最坏的情况就是坠毁。幸运的是，现在人们已经设想出更安静、更清洁、更安全、更高效的电动飞机来取代那些噪音大的油老虎。电气化可大大改善当前小型飞机的飞行体验，对飞行员和飞机飞越而过的社区，都更具吸引力。
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认识到上述可能性并希望促进创新的形势下，NASA之前举办了一场设计大赛，希望大学生们设计出可以在2020年之前服役的四人座全电气化飞机。看到比赛公告后，我曾提出一个设计思路，并最终夺得NASA比赛研究生组的第一名。我的设计利用燃料电池提供推动力，并选取了与众不同的马达位置，以最大限度地提高效率。对我来说，投身于这款飞机的设计，好似打开了一扇能接触各种可能性的窗口，也好像上了一堂有关电气化飞机重大挑战的生动一课。
在2014年NASA发起这场比赛时，我还是亚特兰大佐治亚理工学院的一名在读研究生。但这次比赛并不是我首次涉足电动飞行。2008年，我17岁的时候，就是首辆特斯拉Roadster纯电动跑车上路的半年后，我为遥控飞机比赛设计了一款翼展为9英尺（3米）的电动飞机。
当时，随着锂离子电池更加轻便、成本更加低廉，电动飞行日益成为合理命题。电动机使飞机更清洁、更安静、更易于操作。但2008年的技术只能维持几分钟的飞行。第一辆特斯拉电动汽车也存在类似问题：虽然有一些绝对优势，但始终无法与汽油动力汽车相提并论。
后来，电池技术得到很大发展，全电汽车已在市场中异军突起：2010年底日产推出了面向大众市场的聆风电动汽车，特斯拉增大了其旗舰汽车的车体，从双座Roadster跑车发展到五座S型电动车。电动飞机也从电池的发展中受益。在过去的两年中，斯洛文尼亚小型飞机制造商蝙蝠飞机公司和总部设在法国的空客公司纷纷推出电动双座教练机。
虽然电动飞机的范围在扩大，但有限的飞行时间仍是它们的主要弱点。原因是它们的电池能量密度过小，只是汽油动力内燃机的1/10，甚至更低。对于汽车而言，设计师可通过增加或增大电池在一定程度上弥补这一不足。但飞机对重量的变化非常敏感：每增加1千克，飞机每个组件的尺寸都要增大。组件体积增大反过来又会增加飞机重量，而飞机变重需要更多能量，因此就需要更大的电池。这种恶性循环意味着，对于电动飞机设计，通过增加电池来提高续航里程并不可行。
然而，NASA一直鼓励创新者设计出能在续航里程和机型大小方面与汽油动力飞机媲美的电动飞机。在2011年举办的NASA绿色飞行挑战赛上，获得前两名的飞机完全由电池供电，并以超过每小时100英里（161公里）的平均速度飞行了近2个小时。其中值得一提的是，第二名得主e-Genius的设计师——斯图加特大学的研究人员们——将电动机安装在了机尾顶部。在改变电动机与机身中央的距离后，飞机制造者就可以为飞机安装较大的高效螺旋桨，并同时保证起落架又短又轻。
2014年，NASA与两个业界合作伙伴推出LEAPTech项目（LEAPTech是前沿异步推进器技术的简称），构建了一种配备18个电动机和螺旋桨的特殊碳纤维机翼，用于地面测试。它们计划在意大利制造的TecnamP2006T轻型飞机上安装类似的机翼。螺旋桨数量很多，并且每个螺旋桨都可独立调节，从而可采用比标准型号更小的机翼，减少飞行中消耗的能量。
同年9月，NASA宣布面向大学生举办一场设计比赛，希望推动电动飞机技术突破现有的局限。我一直在寻找机会参加设计挑战，所以就毫不犹豫地报了名，成为参赛队中唯一的个人团队。
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ASA所定的目标似乎遥不可及，却要求提交的设计可以在5年内（到2020年）实现飞行。NASA为比赛所设的目标为一架四人座飞机，航程范围为800海里（相当于921英里，1482公里），巡航速度达到175海里/小时（相当于201英里/小时，323公里/小时）。虽然大部分设计师可能会对这一挑战嗤之以鼻，认为这些参数很常规，但相比于全新款PipistrelAlpha Electro电动飞机，这一目标所要求的航程是其7倍以上，而速度要求是其2倍。Quick math的计算表明，要达到NASA所要求的性能目标所需的能量大约是Pipistrel所能提供的30倍。要实现这些目标，5年内有哪些方面要进行重大改进呢？
一些电动飞行支持者认为，真的没必要在航程上与汽油动力飞机一争高下。他们指出，飞行员跟汽车司机一样，很少会用尽航程，因此设计短程飞机并不会损失多少效用。例如日产聆风的续航里程仅为普通汽车的1/3。
这是事实。但与汽车相比，飞机的里程焦虑是一个更加令人恐惧的问题。我认为，如果没有里程限制，全电动飞机的认证和销售就足以与汽油动力机型抗衡了。所以，我决定尽可能满足NASA的性能要求。这样，如果一些制造商决定生产电动飞机，那么该类型的电动飞机完全可与现有的汽油动力机型进行正面的角逐，包括美国售价50万美元的四人座西锐SR22，这是过去10年中最畅销的单引擎飞机。我知道它才是真正的对手。
我开始设计，首先要确定是否可将现有的汽油燃料飞机的动力装置换成使用蓄电池或燃料电池的电动装置。我知道，蓄电池能量不足，而燃料电池动力不足，但是我不知道哪个问题更难解决。
于是我先从蓄电池入手。蓄电池是我们熟悉的产品，灵活性强，如果需要，电池可以从1个单元加到6831个单元，就像特斯拉Roadster电动跑车那样。我发现，如果用一个锂离子电池和一个电动发动机来替换西锐SR22重达1020磅（463千克）的发动机及燃油质量，飞机能飞大约半小时，飞行里程大约只有100英里（约160公里）。如果想把飞行里程提高到SR22的水平，光靠增加电池是没有用的，原因就是我前面介绍过的重量恶性循环。
这也说明了蝙蝠飞机公司和空客公司选择制造电动训练机而非实用电动飞机的原因，即能量供应不足。尽管如此，我还是决定再给蓄电池一个机会，因为在未来几年电池技术应该会有所发展。空客电池可以提供200瓦时/千克的能量。预测表明，随着技术投资的加大，到2020年，先进的锂电池的能量可达到400瓦时/千克。能量加倍意味着里程也会加倍，达到200英里，但这仍远未达到NASA 921英里的要求。
认识到这个现实，我开始认真考虑储能问题。我知道，燃料电池单位质量可提供的能量是高于蓄电池的，但权衡点是如何得到能量。燃料电池的功率系数（每千克可以获得的瓦特数）很低。尽管如此，考虑使用燃料电池还是比较合理的，例如，2008年，波音将一架双人座动力滑翔机——钻石HK36超级迪莫纳（Diamond HK36 Super Dimona）——改装为以质子交换膜燃料电池和蓄电池同时作为动力源的电动飞机。
所以，我考虑了用燃料电池改造西锐SR22的可能性。SR22的常规动力装置是大陆IO-550-N，这是一种水平对置的六缸气冷发动机，重187千克，310马力（231千瓦）。拆掉发动机和燃料，用相同重量的燃料电池代替，可能产生近似的功率。但要做到这一点，燃料电池的功率系数必须达到500瓦/千克。在这一功率系数水平上，燃料电池的能量系数可达到约400瓦时/千克，差不多已经达到现有最好蓄电池的水平，而我已经知道用蓄电池不可能飞得太远。要实现800瓦时/千克的能量系数，燃料电池的功率系数会降到200瓦/千克，大大低于200英里/小时的速度所需的功率。
随着对电能储备局限性的不断研究，我的选择范围不断缩小。最后剩下的唯一解决办法就是降低飞机的能量和功率需求。但我知道，SR22由轻型复合材料建造，已经是近乎完美的飞机了。设计上的调整也不可行。
当飞机设计师陷入两难境地时，摆在面前的有两个出路，但都不可能让老板高兴：牺牲性能，或投资技术发展。在冒险尝试未经证实的或成本较高的技术之前，我决定仔细研究一下性能问题。但应该牺牲哪项性能要求呢，速度还是续航里程？
我早期进行的一些分析表明，里程和速度同样重要，因此二者的取舍要取决于四人座民用航空市场的竞争需要什么。我研究了6种在售飞机，发现其里程都接近NASA所要求的921英里，而巡航速度差别很大。因此我决定将重点放在尽可能提高续航里程上，先不考虑速度的问题。经过一系列的计算，我决定争取实现150海里/小时（相当于173英里/小时，278公里/小时），而不是比赛要求的175海里/小时。
将巡航速度降到这个水平，能耗可减少30%，也降低了所需的推进功率。但即使这样，我的设计仍无法达到NASA的要求。我犹豫要不要也降低续航里程，并不断寻找其他能够降低能耗同时并不昂贵的技术方法。
幸运的是，电力推进有一定的灵活性，但西锐的工程师们并没有察觉到。与内燃机不同，电动机结构紧凑、高效。与内燃机相比，这些体积小、重量轻的发动机可被安装在很多其他位置。如果这种布局应用得当，产生的功率可支持数量更多或尺寸更大的螺旋桨。螺旋桨扫过的面积越大，效率也就越高，噪音越小。
另一项分析表明，将两个很大的螺旋桨连接到一对电动机上可实现最佳效率。我在设计中将这两个螺旋桨安装在气流更畅通的V形尾翼上，而没有按照传统的方式安装在机翼或机身上。
这个简单的策略不仅提高了推进效率（由85%提高到92%），在航空动力学角度也有好处。空气能够更畅通地穿过机身和机翼。虽然螺旋桨很大，单将其安装在尾翼上意味着没有必要增加起落架的高度（因此重量亦不会增加）。起落架较短，也就更容易选择收缩轮，这进一步降低了阻力。
我在进行下一步分析时发现，这种变化再加上其他一些优化，飞机能耗又降低了27%。这种设计调整大大降低了功率需求，使飞机能够以氢动力燃料电池作为动力源。这时我将我的V型尾翼、氢动力设计命名为“Vapor”。
设计的总体参数明确后，就可以在细节上下功夫了。其中一点是选择燃料电池的最佳类型和布局。我研究了汽车和航空航天应用中所使用的各种燃料电池系统，发现2015年款丰田Mirai使用的由燃料电池组和氢气罐所组成的系统比8年前波音燃料电池驱动的HK36首飞时所设想出的系统更轻、更紧凑。而且，所有这些组件装在Vaper机身上都很合适。
我利用现有技术所设计出的燃料电池系统能量密度为800瓦时/千克，效率可达到55%。这大大超越了现代汽油发动机25%的效率，也优于我所预期的最好锂电池的能量密度——400瓦时/千克。燃料电池与新颖的螺旋桨位置的组合设计可以达到我的设计目标，即批量生产后，可与西锐SR22相媲美。两类飞机在重量和造价方面大致相同，而续航里程亦非常接近——约为920英里。飞机的巡航速度会略低，为173英里/小时，达不到212英里/小时。但考虑到电动飞机每次飞行仅消耗1/4的能量，这看起来还是很合算的。
我希望Vapor能引起飞行员的兴趣，毕竟他们才是购买、驾驶和养护小型飞机的主要人群。我认为我的设计满足这些要求。能耗降低，淘汰了汽油发动机（及其所需的所有日常维护），有望降低运营成本。此外，噪音声级从92分贝降至76分贝，亦能显著提高客舱舒适性。电动机可靠性很高，能够使飞行员和乘客更加安心。
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鉴
于最近燃料电池和电动机的发展，如今完全可以制造并驾驶Vapor或类似飞机。这项技术已经成熟。但监管部门对这种全电动设计的出现会作何反应，目前还不清楚。这个问题很重要，因为如果认证过程中存在不确定性，开发商用飞机的努力就不会成功。
另一个障碍是，氢作为汽车燃料还没有流行起来，飞机使用氢作为燃料的情况就更少了。两种应用都遇到了先有鸡还是先有蛋的问题：在氢成为普遍使用的燃料之前，氢燃料的配套基础设施很少，而在配套基础设施到位之前，氢燃料也不会得到广泛的使用。
尽管存在这些障碍，全电动飞机的续航里程和飞行速度分别是当前设计的7倍和2倍这一点确实令人兴奋。在夺得NASA比赛第一名的殊荣后，我可以毫不夸张地说，亦如NASA比赛组织者所预期的那样，Vapor或基于其设计的飞机将在2020年飞上蓝天。
作者： Tom Neuman
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