超過半個世紀以來，飛機制造商一直都在探索能夠替代化石燃料驅動飛機的新能源。
1956年，康維爾公司（Convair）成功飛行了經過特別改裝裝有核能驅動通用電氣J47噴氣發動機的B-36H“和平製造者（Peacemaker）”飛機。而在此10年前，哈維蘭德加拿大公司（De Havilland Canada）開發了一種相對較小的DHC-2“海狸（Beaver）”多用途飛機。該飛機由普惠公司的R-985“小胡蜂（Wasp Junior）”星型活塞發動機提供動力。這種發動機於1929年首次運行。
改裝成核動力試驗機的B-36H“和平製造者”
然而，正是這一種名不見經傳的小型飛機的一個最新例子，在62年後，讓航空工業在尋求替代內燃機方面取得突破，進入了一個全新的發展階段。
加拿大港灣航空公司（Harbour Air）黃白相間的水上飛機在溫哥華地區每天飛行多達300架次。然而，在2019年12月10日，該航空公司的一架編號為C-FJOS（建造編號c/n 1030）的DHC-2“海狸”從里士滿的弗雷澤河（Fraser River at Richmond）出發，進行了一次可以載入飛行史冊的飛行。這架經過改裝的飛機被暱稱為“ePlane飛機”，被港灣航空描述為“世界上第一架全電動商用飛機”。此次飛行是該航空公司獲得ePlane認證併成為世界首個全電動飛機航空公司的一個重要里程碑。
哈維蘭德加拿大公司的DHC-2“海狸”水上飛機
從水上飛機到ePlane
雖然港灣航空和magniX公司在認證其“電海狸”方面有許多重大障礙要克服，但乘客可能會在本世紀中葉之前乘坐上全電動商用飛機。
ePlane是一架使用magniX公司750馬力（560千瓦）的電動引擎取代之前的普惠公司R-985“小胡蜂”星型活塞發動機的DHC-2“海狸”。港灣航空和magniX公司現在正在遵循發動機的審批程序對其進行測試。
港灣航空預計其在2019年12月首飛後，“還將需要一到兩年時間來獲得認證”。這表明該航空公司將於2020年或2021年末在其航線上推出全電動客運服務。在獲得認證並獲批初始服務後，該航空公司的所有40架DHC-2都將用新發動機進行改裝。
去年，港灣航空和magniX公司宣佈了ePlane合作伙伴關係。升級“海狸”飛機所需的修改包括安裝電動機及其電池（以及該設備的安裝座）、逆變器、冷卻系統和電纜。同時還需要重新調整駕駛艙配置，以及安裝連接地面充電站的充電裝置並設置支持軟件。
ePlane在弗雷澤河上的首飛
ePlane上安裝的驅動飛機螺旋槳的電動馬達
magniX公司生產的750型發動機是ePlane的心臟
影響深遠
儘管港灣航空的轉型計劃只是過去十年間航空技術和行業發生的更多變化中的一個例子，但它反映了發達國家期望通過實現交通電氣化以減少對化石燃料依賴的一些實用性進展。這種趨勢的其他例子包括電動汽車和混合動力汽車。隨著歐美各國公共交通電氣化的舉措以及將更多的電動技術引入工業生產和國家基礎設施（例如國家電網）的舉措，電動汽車正迅速從一種環保人士的時尚產品轉變為廣為大眾接受的主流汽車
。現在，越來越多的人開始意識到和關注氣候變化。例如，在過去一年的時間裡，西方一些經濟體所謂的“飛行恥辱”不斷增加。這些都在促使航空航天業採取更快的行動以減輕其對環境影響的壓力。
根據國際航空運輸協會（International Air Transportation Association，IATA）的數據，航空運輸業的二氧化碳排放量佔全球化石燃料二氧化碳排放總量中的2.4%。這一點看似微不足道，但獨立的非營利組織國際清潔運輸理事會在2019年9月的一份報告中指出，在2013年至2018年間，商用航空的二氧化碳排放量增長了32%。
國際可持續航空聯盟警告說，如果不採取嚴厲行動，到2050年航空運輸業將佔全球碳排放量的五分之一以上。聯合國預測，到2030年，全球“人為”二氧化碳排放量必須比2010年減少約45％。 並在2050年左右達到淨的零排放。
到目前為止，航空業的工作集中在研究替代的燃料來源。在過去的幾十年中，飛機生產商諸如波音和灣流使用它們的飛機和商業航空公司如荷蘭航空（KLM） 、英國航空（British Airways）、漢莎航空（Lufthansa）、美國航空（American Airlines）、美聯航（United Airlines）和維珍大西洋航空（Virgin Atlantic）一起進行了使用生物燃料的示範飛行。同時，製造商和研究組織致力於開發和試用先進的材料和系統，以提高燃油效率。
但是，美國零排放電動動力總成公司的創始人兼首席執行官瓦萊裡∙米夫塔霍夫（Valery Miftakhov）認為，上述變革的速度遠遠不夠。在美國《福布斯（Forbes）》雜誌2019年末發表的一篇文章中，米夫塔霍夫表示：“我們應該在航空動力方面做出一些根本性的改變。如果航空業對此不加理會，它將面臨監管壓力或文化和社會變化帶來的日益增長的風險 。”
波音和荷蘭航空一起進行生物燃料的試驗，並尋求獲得監管的批准
第一架使用生物燃料的灣流公務機
電動飛機的努力
電子技術在航空界的應用並不是新事物。早在1883年，法國化學家、氣象學家和飛行員加斯頓·蒂桑迪埃（Gaston Tissandier）就將西門子電動機安裝到了飛艇上，進行了首次電動飛行。從上世紀60年代開始，連續幾代飛機引入了更多的電氣系統。
蒂桑迪埃的電動飛艇
迄今為止，電子技術對航空業的最大影響是線控飛行控制系統。線控飛行控制系統是在上世紀80年代隨空中客車A320系列飛機投入商業應用的。最近，787“夢想飛機（Dreamliner）”是首架大部分關鍵機械系統（包括起落架、制動器、機翼防冰設備和環境控制系統）由液壓或氣動轉成電力驅動的客機。
另外，從上世紀80年代的“太陽能挑戰者（Solar Challenger）”到上世紀90年代後期美國宇航局（NASA）的“全球觀察員（Global Observer）”無人駕駛飛機，再到2015/16年環球飛行的“太陽能動力2（Solar Impulse 2）”，有很多有人駕駛和無人駕駛的試驗性電動飛機已經飛上天空。
今天，航空業已經進入電氣時代。除了那些已經在飛機上使用的系統外，電氣技術已經成為包括NASA和德國航空航天中心（Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt，DLR）在內的行業研究組織正在進行的未來飛機研究的關鍵方面。這些工作產生了一系列使用全電、渦輪-電動或混合電動技術的未來概念。全電動設計包括飛機的螺旋槳由電動機驅動，並用機載電池存儲能源；渦輪-電動架構使用常規渦軸發動機為機載發電機提供動力，該發電機驅動多個分佈式螺旋槳發動機；混合動力則是依靠儲能系統來產生額外的動力以補充常規的燃油動力系統。
這些技術的研究涉及遙遠的未來和前瞻性概念，因此可能會讓人覺得遙不可及。但電動航空領域也包括涉及開發真實飛機的項目。
電池、儲能和電源管理對於超長壽命太陽能無人駕駛平臺和電動垂直起降飛機的發展都是必不可少的。
以色列的Eviation公司開發的“艾麗絲”9座通勤飛機
有幾家初創公司正在研究混合電動客機配置。以色列的Eviation公司正在開發一款“艾麗絲（Alice）”9座通勤飛機。該飛機由magniX公司的輸出功率為375軸馬力（280千瓦）的magni250混合電動發動機或西門子輸出功率為349軸馬力（260千瓦）SP260D動力裝置提供動力。Eviation公司在去年的巴黎航展上推出了該飛機的原型機，目標是在2022年獲得認證並投入使用。該機目前已經獲得了美國支線航空公司
開普航空（Cape Air）的購買訂單，但具體數量未知。同時，大量開發企業正在為短途航班開發小型客機。瑞典初創公司哈特航空航天公司（Heart Aerospace）正在就其ES-19飛機與包括北歐航空（SAS）在內的幾家北歐航空公司合作；西班牙的丹特航空動力公司（Dante AeroNautical）正在開發DAX-19飛機；而位於洛杉磯的萊特電氣公司（Wright Electric）正在與易捷航空（easyJet）合作開發一種支線客機。
瑞典初創公司哈特航空航天公司開發的ES-19飛機
並非所有的電動飛機開發都涉及全新的設計。去年飛行的三個例子都是在已有飛機上安裝混合電動發動機。除了我們在本文開頭提到的港灣航空ePlane外，另兩架是一架配備ZeroAvia公司混合電動發動機的派普爾（Piper）M250飛機和由加利福尼亞的Ampaire公司開發的裝有混合電動裝置的塞斯納337飛機。
諸如此類的通用航空類型，或者較小的支線和通勤飛機，是目前所有電動化發展的重點，因為它們的較小的機身/發動機尺寸和較低的有效載荷/性能要求更具實用性的研究和引進新技術的方式。 當然，飛機對重量的控制很敏感，這限制了電池和連線系統的大小，不可避免地意味著必須使用更小的飛機。
配備ZeroAvia公司混合電動發動機的派普爾M250飛機
事實上，稀星天外不認為電力驅動的飛機會在2030年前在航空業中佔有相當大的比重。使用化石燃料發電機來擴大電動飛機的航程是可能的，但是它應用在更大型飛機的提升空間有限。
空中客車公司和羅爾斯∙羅伊斯公司
即便如此，大型和傳統制造商對該領域的大量投資表明，業界對電動航空的興趣濃厚。
許多大公司的工作都集中在將已有常規動力飛機轉變成電動技術演示機。今年，巴西航空工業公司（Embraer）將測試一架採用混合電動發動機改裝的EMB-203“伊帕內瑪（Ipanema）”飛機。聯合技術公司（UTC）航空航天分部計劃在DHC-8-100飛機上測試混合動力系統。同時，ATR公司正在與新西蘭航空合作為其渦輪螺旋槳飛機研究這些技術。
空中客車公司在過去近十年裡在電動航空領域異常活躍。
首先是為一架微型哥倫比亞（Colomban）Cri-Cri飛機上改裝電動引擎，之後又進行了後續的“e-天才（e-Genius）”和“E-星（E-Star）”飛機的研發。這些早期工作促成了E-Fan計劃，該計劃在測試了三架較小的演示機之後，將進入更雄心勃勃的E-Fan X階段。
空中客車e-Genius
空中客車e-Star
空中客車E-FAN
E-Fan X將基於BAE系統的一架阿夫羅（Avro）RJ100飛機，其右邊內側額定推力為3178千克（31千牛） 的萊康明（Lycoming）AF502渦輪風扇發動機將被替換為單臺混合動力發動機。該發動機使用電動機和逆變器代替渦扇發動機的核心，以及AE2100渦軸發電機和AE3007機艙。
編號為G-WEFX（製造編號c/n E3379）的測試平臺於2000年開始在英國柴郡的伍德福德（Woodford，Cheshire）接受改造。之前，這架飛機曾以G-CFAC身份服務於英國航空公司的子公司城市飛行快線（CityFlyer Express），城市快線（CitiExpress）和連接（Connect）以及以HB-IYU身份服務於瑞士航空。E-Fan X將於今年晚些時候在貝德福德郡的克蘭菲爾德（Cranfield in Bedfordshire）進行首次試飛。
空中客車E-FAN X
羅爾斯·羅伊斯公司（Rolls-Royce）在與空中客車公司合作開發E-Fan X項目的同時，還在2019年12月推出了基於“鋒利復仇者NXT（Sharp Nemesis NXT）”的外觀怪誕的電動技術演示機，取名為“加速飛行的未來（Accelerating the Future of Flight，ACCEL）”。羅羅公司和電動機與控制器製造商YASA公司以及初創公司“電氣飛行（Electroflight）”一起打造了ACCEL。ACCEL的設計目的是期望通過達到480公里/小時的目標最高時速來打破電動飛機的速度和性能記錄。該飛機的機身是由賽峰SMA SR305-230發動機驅動的“大青蛙（Big Frog）”飛機。2011年，它成為首臺裝備柴油發動機贏得在內華達州里諾舉行的全國航空冠軍賽的飛機。
鋒利復仇者NXT競速飛機
羅爾斯·羅伊斯公司電動部門的負責人表示：“製造世界上最快的全電動飛機無疑是航空工業的一個革命性變革。ACCEL項目飛機不僅是邁向世界紀錄的重要嘗試，它也將有助於發展羅爾斯·羅伊斯公司的能力，並確保我們處於技術開發的最前沿。這些技術可以在實現向低碳全球經濟過渡中發揮決定性作用。”
如果成功通過了全功率測試和適航性檢查，基於“鋒利復仇者”競速飛機的ACCEL計劃將於今年春季進行首飛。羅羅公司表示，這架飛機將裝配有史以來能量密度最大的電池組，通過將6000個電池單元打包安裝，以最大程度地減輕重量並獲得最大的熱保護。
ACCEL的設計藍圖
先進的冷卻系統將在大功率高速運行時直接冷卻電池。該飛機將配備三臺高功率密度星型電動機，其螺旋槳槳葉的旋轉速度將比傳統飛機低得多。製造商希望該飛機能夠提供更穩定，更安靜的乘坐體驗，同時仍能產生超過500馬力（372千瓦）的推力。
ACCEL使羅爾斯·羅伊斯公司能夠測試其電動推進技術並展現出其對與開發低碳動力裝置的環保承諾。也許正是基於同樣的原因，空中客車公司支持了“空中競賽E（Air Race E）”的原因。“空中競賽E”是一項新的全電動飛機競賽系列。賽事組織者聲稱，和空中客車公司的合作伙伴關係將“幫助我們推動航空業向著更清潔、更高效的方向發展。該系列賽事為試驗先進的電動推進技術提供了試驗平臺。”
ACCEL電動競速飛機
電動垂直起降飛機的出現
有人和無人駕駛的電動垂直起降（Electrical Veritical Take-Off and Landing，EVTOL）飛機在飛行電氣化過程中將佔據重要的一席之地。這是一種新興的，通常看起來充滿未來感的飛機，由全電動或混合電動發動機提供動力。這些系統旨在提供城市空中交通服務，特別是空中出租車和貨運服務，在城市地區超短途運送乘客和貨物。
eVTOL市場既有雄心勃勃的初創公司又有傳統飛機制造商。目前這是一個熱點，經常會聽到或看到涉及該領域研究項目，技術試驗以及演示飛機的試飛的各種新聞。最近的頭條新聞包括：
- 空中客車公司對其“城市空中客車（CityAirBus）”演示機進行首次無束縛的試飛
- 貝爾（Bell）推出了一款引人注目的使用4個涵道風扇做動力的概念飛機——Nexus 4EX
- 巴西航空工業公司的子公司EmbraerX通過與總部位於舊金山的一家開發混合電動貨運無人機的初創公司—— 埃羅伊航空公司（Elroy Air）——簽訂合作協議進入商業航空貨運領域
- 波音公司正在與一家名為Kitty Hawk的初創公司合作成立了一家名為Wisk的合資企業一起開發名為Cora的eVTOL
- 共享出租車公司優步（Uber）宣佈與現代汽車建立合作伙伴關係，以生產一款名為S-A1的電動空中出租車；
- 去年下半年，德國公司Volocopter在新加坡海港展示了空中出租車
- 而以同步飛行無人駕駛eVTOL而引人注目的中國E航公司（EHang）也準備在北美啟動空中出租車業務，並進行了首次演示飛行。
空中客車的“城市空中客車”
貝爾公司的Nexus 4X
波音合資公司Wisk的Cora
中國E航的Ehang 216
eVTOL領域至關重要的工作除了涉及內部系統的研發工作外，還被拓展到將這些飛機融入現有的空中交通管理網絡的技術。
舉幾個最近的例子，BAE系統公司宣佈與一家美國公司短程遊覽空中機動公司（Jaunt Air Mobility）建立了合作伙伴關係，以研究如何提高eVTOLS上使用的電池效率
。而霍尼韋爾公司開發了專門針對城市空中交通管理市場的Intuvue RDR 84K雷達的新版本。同時，美國宇航局和優步在研究上進行了合作，以模擬市中心的大規模eVTOL運營，以發現如何通過無人機實現安全高效的低空運行。NASA還專門啟動了一個名為“城市空中機動（Urban Air Mobility）”項目和17個公司合作從技術、管理、法規等各個角度來探索未來城市大規模eVTOL的應用。有哪些挑戰？
儘管有這麼多電動飛行方面的探索，電動飛行的前進道路仍然存在嚴峻的挑戰。
稀星天外認為一個主要障礙是需要證明市場需求已經讓電動飛機的售價可以獲得可接受的投資回報，來支付開發和運營成本。新的電動飛機還必須“證明其實用程度已經達到或超出了零排放需求”。最初的電動支線飛機似乎是針對支線飛機市場中日益萎縮的小機型市場，製造商必須說服航空公司這些新產品將為其提供新的價值。
另外，和電動汽車一樣，為旅客提供服務的電動飛機還需要能夠在飛機處於登機口的轉換時間內完成快速充電或更換用完的電池
。這些技術成熟了嗎？ 根據稀星天外的瞭解，按照目前鋰離子電池的發展速度，到2020年代中期，將使功率密度提高到400-450瓦時/千克左右。要想使該功率密度提高到500瓦時/千克，需要新的化學方法。然而，稀星天外請大家注意：即使電池確實達到了這一水平，該能量密度仍將只是噴氣式飛機當前使用的化學燃料（約12千瓦時/千克）的1/25。
毫無疑問，要使電動航空真正成為主流，還有有許多技術挑戰必需要克服。但是，自80年前噴氣式發動機問世以來，這是又一次出現一種全新的推進技術。
隨著企業家和先驅者不斷突破我們的視野，稀星天外認為我們可以在今後的50年內看到更多的電動飛機飛上藍天，許多記錄會被打破。製造商，運營商和監管機構對於零排放飛機的追求，將最終幫助我們實現二氧化碳減排目標，換地球一個水清天藍。
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