空中竞速E:电动空中竞速

那些驾着飞行器的了不起的人曾经是英国银行假期的固定电视节目，似乎与《华尔街日报》轮流播出大逃亡和奇蒂奇蒂砰砰．这是一部以爱德华七世时代为背景的疯狂喜剧，讲述了伦敦和巴黎之间的空中比赛，主题曲非常朗朗上口:它们飞上飞上，飞下飞下。它直接影响了不朽的卡通人物迪克·达斯达德(Dick dastard)，令人难忘的是，他为了阻止一只信鸽，自己飞到空中，进行了一场永无止境、从未解释过的探索。提示另一首主题曲)。

然而，在20世纪初，空中竞赛可不是闹着玩的。他们有着悠久的航空传统，为航天事业的发展做出了重要贡献。施耐德杯是一项著名的水上飞机比赛，是空气动力学和飞机发动机发展的试验场，其获胜者是著名战斗机的先驱，如英国喷火战斗机(其从水上飞机发展而来的另一部银行假日最受欢迎的电影，少数人中的第一个)，美国野马和意大利Folgore。空中赛车现在仍在进行。

今天，最有名的空中比赛可能是红牛空中比赛世界锦标赛，在那里小型单引擎飞机在高速急转弯的回旋赛道上与时间赛跑。然而，一级方程式空中赛车系列实际上早于这项赛事，并于1936年首次提出，并于1947年举办了第一届赛事。世界上最大的空中比赛是在内华达州里诺市举行的美国全国锦标赛空中比赛，每年吸引约15万名观众。

与红牛锦标赛不同的是，一级方程式赛事是全面的多参赛者比赛，八架飞机在海拔约10米的5.13公里的椭圆形赛道上进行翼尖对翼尖的比赛。与所有赛车运动一样，赛车必须遵守详细的参赛标准。

飞机的最小机翼面积必须为66平方英尺(6.1平方米)，最小空重为500磅(227公斤)，最大发动机排量为200立方英寸(3.28升)。它们的速度可以达到200英里/小时(322公里/小时)以上，观众的座位距离赛道150米。

一级方程式赛事包括八圈赛道。

赞助“空中竞速1”世界杯的“空中竞速E”公司的首席执行官杰夫·扎尔特曼告诉记者说，该公司正在推出一项新的全电动系列赛工程师航空电气化比汽车电气化落后20年，因为它的重点是可以搭载大量乘客的大型飞机。“对于航空竞赛来说，情况就大不相同了。你只是在谈论小型飞机在短时间内飞行短距离，所以你不必担心电池尺寸和重量平衡的限制，这对客机来说非常重要。但像这样的小型飞机将对大型飞机的发展产生非常大的影响，特别是在测试和证明发动机和能源管理系统方面。”

f1空中竞速是E级空中竞速的原型，有相同的赛道布局和8圈的比赛，飞机的尺寸和性能也将相似。“空中赛车E”举办être的原因与电动方程式(Formula E)公路赛车运动系列类似:利用体育比赛的激励效应，集中和加速电动飞行的发展。

然而，也会有不同，值得注意的是，电动方程式有意将重点放在高性能电动动力系统的开发上，而不是汽车空气动力学，这与f1不同，在f1中，动力系统和空气动力学对车队冠军同样重要。

对于飞机来说，安装电力推进系统的挑战更多地与飞机的设计有关，而不是与汽车有关。因此，在早期的电动方程式系列赛中，所有的车队基本上都是用同一辆车参赛，车队也逐渐被允许自己开发更多的动力系统，而在空中竞速E中，车队将从一开始就开发自己的机身。当然，参赛者将不受性别的限制，所以应该是那些伟大的男人和女人在他们的飞行器的情况下。最初，Zaltman计划将空中赛车E赛事作为一级方程式比赛的“预选赛”，但他希望随着时间的推移，电动赛事将变得比传统的燃料赛事更重要。

开放的设计制度与空中赛车文化保持一致，“制造商社区”在设计和制造飞机方面投入了大量资金。一些团队由航空工程专业的学生组成，通常代表他们的大学。其他人则是典型的“男人在棚屋”(女人也可以有棚屋):只是喜欢挑战自己制造飞机的业余爱好者(有时，但绝不仅仅是用工具包)。为了继续适应这种文化，参赛者必须符合管理机构制定的规格(可能包括机翼面积、空重、最大电机额定功率、电池容量和/或重量、封闭式驾驶舱、固定起落架和螺旋桨设计)，但除此之外，参赛者可以自由建造和飞行自己的设计。

产业驱动因素也有所不同。虽然汽车行业专注于生产电动汽车，尽管不是单座赛车，但与电动方程式赛车并没有太大的不同，但航空航天业对开发小型单座飞机并不感兴趣，而是对开发大型客机感兴趣，以飞行城市到城市的航线。环境方面的理由也不同。汽车和航空航天业都希望减少化石燃料的燃烧，从而减少碳排放，但航空航天业也非常关注飞机制造的噪音，而转向电力推进背后的愿望是担心失去喷气发动机的尖叫声。对于这两个行业来说，碳排放问题是一个使用过程中的排放问题:如果驱动车辆的电力最终来自化石燃料发电站，那么总体排放根本不会减少(尽管减少发电站等大型点源的排放比减少大量小型源(如化石燃料汽车)的排放更简单)。

陆基和空基赛车系列都非常关注电池技术的发展——将更多的能量储存在尽可能小而轻的包装中——以及电池系统的管理，以确保最经济地使用其储存的能量。对于电动飞机来说，将能量产生与推进分离(即不需要实际燃烧燃料)对飞行器的设计具有重要意义。“这不仅仅是用电动机更换油箱和电池以及发动机的问题;电力电子设备也至关重要，即使在公式规定的范围内，新的机身配置也是可能的，”空客电气化项目总经理兼首席技术官Glenn Llewellyn评论道。

“我们对《空中竞速E》的竞争对手如何解决这个问题，以及他们如何将电池和马达整合到他们的设计中非常感兴趣。我们认为这可能会给我们一些灵感，让我们在更大的飞机上看到这一点。这不仅是一个工程设计问题，也是一个集成问题。”

但Llewellyn强调，由于这个项目是在赛车方程式的背景下进行的，电动飞机的机身创新可能不会出现在Air Race E中;空中客车公司正在考虑为垂直起飞的城市机动车辆配备倾斜旋翼等选项，并可能在巡航飞行中使用带有机载发电机的混合动力技术，但Air Race E将严格采用全电动、固定翼和前置发动机。

尽管如此，Zaltman说:“我们非常希望我们在比赛中允许的设计自由能够为这类问题带来一些有趣的解决方案。如果我们是一个单一的制造商系列赛，就像早期的电动方程式一样，你可能不会看到这么多的解决方案。”

虽然第一场比赛目前定于2020年举行，但该系列在技术上仍处于起步阶段。

在诺丁汉大学混合动力推进系统研究员Richard Glassock的帮助下，一架原型机正在空中客车公司的帮助下开发改装一架现有的f1赛车通过改造电动摩托车发动机为螺旋桨提供动力，用电池替换油箱。这架原型机将用于帮助制定未来飞机的规格(特别是在重量方面)，预计将在未来几个月内进行首次飞行(可能在克兰菲尔德)。

Glassock说:“我研究飞机推进的电力和混合动力系统已经有15年了，我们现在可以看到，电力推进系统在世界上的工业应用正在不断发展，所以这是一个完美的选择。”由于电动机的瞬时扭矩比煤油发动机的加速度更快，因此非常适合用于比赛飞机。

Glassock的团队正在研究的飞机是Cassutt III机身，他解释说，这是一种较老的型号，但在空中比赛中仍然很受欢迎。它有一个焊接管钢机身与木制机翼，织物覆盖一些复合整流罩和机头整流罩。燃料箱就在发动机的后面，所以这种替换是直接的:电池占据了燃料箱原来的位置。

原发动机为0-200型4缸活塞式设计，汽缸呈水平相对排列。由于电动马达是圆柱形的，飞机特有的“侧颊”将消失。

Glassock说，工程方面的主要挑战是重量及其分布。他解释说:“与原来的活塞发动机相比，电动马达具有相对较高的‘功率密度’或功率重量比。”“赛车中使用的发动机可以在某些有限的方式进行修改，并且通常以比认证更高的转速运行，这可以实现比标准功率输出大得多的功率输出。

“一些赛车手声称他们的活塞发动机可以产生150千瓦的功率(最初认证的功率是75千瓦)，重量在110公斤左右。当必要的辅助设备(主要是冷却系统、热交换器、泵流体等)和电力电子设备包括在内时，目前可用的一种好的电机安装技术应该以大约一半的重量提供相同的功率。在这种情况下，旧的内燃机在功率重量比的限制下表现得很好，而电力推进系统仍有很大的发展潜力。”

更大的问题是电池。格拉索克说，就目前可用的电池技术而言，150kW所需的能量可能需要“对目前使用的一级方程式飞机来说意味着超重”的电池。“这将是整体设计中一个有趣的问题。可能有必要增加机翼面积，或引入高升力装置(襟翼、翼片等)，以实现更高的总重量。或者，如果整体速度具有竞争力，使用更低的功率和更少的能量可能会更好。”

“这不仅仅是用电动机替换油箱、电池和发动机;电力电子设备至关重要。”

格伦·卢埃林，空客公司

他补充说，这些都是典型的飞机工程、赛车和战略设计问题。“此外，电池技术将随着时间的推移以及电机和电力电子设备的改进而改进，因此在几年内，150kW的Air Race E平台的总重量可能会与现在的单位相似。”

尽管至少有一个正在考虑的模型是在诺丁汉大学设计和制造的，但电动马达是商业来源。Glassock解释说，这些赛车发动机的额定功率为“连续”和“峰值”。“电动自行车电机的峰值功率为200kW，连续额定功率为120kW，但摩托车比赛的占空比与空中比赛的条件有很大不同。此外，电机功率当然受到电力电子设备和电池的额定值和运行条件的限制。”

在许多类型的飞机中，油箱位于机翼上。竞速飞机倾向于把它们安置在机头，改造项目也将在发动机后面安装电池，以确保重心在正确的位置。Glassock推测，如果未来的设计将它们安置在机翼上，将需要一些机械加固，因为电池和相关设备的重量约为100公斤。

Glassock的项目分为两个阶段。他说:“第一阶段是用大部分商用部件改造飞机，并尽可能地复制原来的性能。”“第二阶段将是设计一个定制的推进系统，包括定制的电力电子、电机和集成系统。我们正在使用的飞机装有一个比较标准的发动机。我们认为它的功率大约是80千瓦，所以我们的目标是在第一阶段复制这一点。我们也希望保持总重量尽可能接近原飞机，因此我们期望同等的性能、操控性和机动性。”

在第二阶段，情况可能会发生变化。这部分项目的目标是优化飞机及其系统。“这将主要涉及电机和电力电子设计，但与所有飞机设计和一般比赛一样，整个系统包括机身、推进系统和环境都必须考虑在内。”

Glassock相信，在未来，随着团队开发自己的飞机，机头可能会变得更长更薄，因为发动机冷却要求的不同会导致不同的空气动力学方法。

Glassock认为，Air Race E项目将对商用电动飞机的发展具有非常重要的意义。他说，主要原因是赛车所需的150kW功率水平与商业所需的发动机额定功率相同。

他说:“电动机适用于相对容易的‘堆叠’，因此多个电动机可以轻松驱动单个负载、螺旋桨或风扇。”“这些特性使得Air Race E推进系统的技术发展与eVTOL、PAV甚至区域和次区域运输等更广泛的商业用途高度相关。

“我可以看到这场比赛变得非常激动人心，无论是在飞行环境方面，还是在技术设计和操作方面。人类的潜力，社会互动和创新环境可以是惊人的。我们也希望鼓励年轻一代在各个层面积极拥抱这一雄心壮志。我认为，这些因素与解决航空航天工业、运输和环境问题以及教育、商业和工业参与中面临的许多复杂问题所必需的未来思维和精神是一致的。”

因此，尽管有些人对电动方程式赛车的技术转移到商用公路汽车上持怀疑态度，但人们似乎一致认为，空中赛车的世界将对下一代电动商用飞机产生一定的影响。

尽管还有一些问题有待解决，比如为飞机电池充电的低碳能源，以及电池本身(尽管即将推出)每公斤电池1kWh也许会改变这一点，正如我们将在接下来的几期《工程师》中看到的那样)，似乎可以肯定的是，我们的飞行方式——至少是短途飞行——正处于重大变化的边缘。

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