书接上文,上期我们讨论了核能为什么不是一个好的选择,那么黄翔继续分析一下为什么民航客机不使用电力驱动?
其实对于这个问题的叙述是不准确的,现代民航客机的仪表,导航,飞控基本都告别了模拟时代进入了数字时代,大量的计算机、传感器,电子显示屏等部件的使用使得客机的用电需求剧增。小小的几个电瓶已经无法满足一趟航程所需要的电能,于是整体驱动发电机(integrated drivegenerator,IDG)被安装在每个发动机上,使用齿轮箱将飞机引擎的一部分功率转换为115V,400HZ的三项交流电供机上用电设备使用。
然而为什么飞机不使用电能作为提供推力的主要来源,我们可以从现在电能储存的主要两类方式来进行讨论:锂电池和氢燃料电池。锂电池因为智能设备的普及可能是目前大家最为熟悉的大容量电能存储装置。我们也经常在吐槽为什么手机的电池不能设计成更大的容量来支撑更久的续航(苹果说的就是你)。
这里老黄给大家介绍一个概念:能量密度。什么是能量密度呢?简单来说就是一公斤的物质完全反应能够提供多少的能量,其单位是MJ/kg(兆焦每公斤)
举个栗子:上期我们介绍的核能飞机的核反应堆中使用的3.5%的铀235的能量密度大概是3,456,000MJ/kg,正常点的航空煤油大概是43 MJ/kg。那么锂电池的能量是多少呢?0.72 MJ/kg。这就意味着如果想要锂电池想要获得与航煤相同的能量,锂电池的质量必须是航煤的60倍!
那又有杠精小鹏宇问啦:不就是60倍吗,只差一个数量级,我们把客机的电池仓造大一点问题不就解决了吗,还我子孙后代一个蓝天!
可惜事与愿违,事情远远没有那么简单。我们都知道飞机是飞在天上的,我们抛去一切其他的条件不做考虑:当飞机在巡航高度以匀速平飞时,我们可以将飞机的重力(G)等于飞机的升力(F升),现在我们来计算一下当一瞬间(不引入时间)飞机在天上保持平飞所需要的功率大概是多少:我们先引入一个参数ΔVZ,简单来说就是空气向下的流速,ΔVZ= ,L是飞机的翼展。飞机的瞬时功率大概是 ,如果将ΔVZ带入等式,就可以得到 ,这还没完,考虑到力是相互作用的,如果考虑上飞机的重力,这个等式还要乘以2。如果以上的公式你完全没看,那么结论就是如果飞机重量提升2倍,则飞机所需要的动力输出功率就要提升8倍。(公式在论坛里显示不出来)
更何况在民航客机的巡航高度,空气的密度是海平面的三分之一
我们以空客A320为例:如果要使得飞机完全使用锂电池提供动力,一趟成都飞往北京大约三个小时的航班,飞机将会携带大约10万公斤电池。要知道,A320整机的空重才4万2000公斤。所以这就成为了一个悖论,如果飞机的重量越大,飞机的需要的功率就需要越高,功率越高,需要的能量(电池数量)就越多。所以根据计算,A320飞机在电池重量达到80吨时续航时间是最长的,达到了惊人的0.6小时。
所以那位F1赛道的ETC抬杠专业级选手如果只愿意搭乘电力航班去万州是完全可以实现的。前提是整架飞机只搭他一个人。
氢燃料电池呢?第一个问题:安全性。我们都知道氢元素的沸点是自然界所有元素中第二低的,仅次于氦。然而氢的爆燃会发生在与空气混合比例4.0%~75.6之间,这是一个非常大的范围。
想要氢气在常温下保持液态我们能做的只有两点:第一,降低温度,第二,增加压力。可惜的是,这两点都需要靠额外的设备做到:大功率的制冷设备或是抗压能力更强的储气罐。这又回到我们刚刚才讨论过的额外的飞机重量会带来什么后果。然而氢脆又是一个避不开的话题,氢脆是材料由于吸氢或氢渗而造成机械性能严重退化,发生脆断的现象。使用氢燃料电池的飞机简直像是坐在了一只易燃易爆还脆弱的窜天猴。
第二个问题,经济性。我们目前制备氢气主要有两种手段:一是电解水,一种是水和天然气(也就是甲烷)加热通过催化剂制备。这两种方法都不便宜且低效。第二种方法一样会排放污染和一氧化碳,并且产出的氢气燃烧的热量甚至比不上直接燃烧天然气。
氢气制备的转换效率只有70%左右,再加上卡车或者管道运输的10%到40%的耗散,燃料电池模组的能量损失,直流电转换成驱动电机的交流电的损失,我们即使只考虑最小的损失,这些因素也使得氢燃料电池总的能量转换效率只有不到30%。再加上基础设施的建设等费用,加一公斤氢气的价格可能是氢气出厂价格的八倍!
如果你愿意付出原本能从成都飞到哥本哈根的价格只飞到万州的话,这也是一个值得考虑的选项。
原本这个话题我只想写个1000字就结束,想不到到现在都写了三倍还多。在写作的过程中,查阅国外文献的时间占据了一半的时间,还有一半是去翻沙雕表情包。
在这个过程中我希望能把自己所学到的知识分享给大家,能让大家在轻松愉悦中了解更多关于航空方面的知识。其实民航远远没有你想象的那么遥远,但某些方面来说它也没有你想的那么简单。
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