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随着电动汽车和卡车越来越多地出现在美国高速公路上，它提出了一个问题：商业上可行的电动汽车什么时候可以登上天空？制造电动飞机有许多雄心勃勃的努力，包括可以覆盖更长距离的支线喷气式飞机和飞机。电气化开始实现许多人一直希望的航空旅行，但还没有看到 - 一辆飞行汽车。
建造电动飞机的关键挑战涉及在机载能源的给定重量范围内能够存储多少能量。虽然最好的电池每单位重量的能量比喷气燃料少40倍，但它们的能量比例更大，可用于驱动运动。最终，对于给定的重量，喷气燃料比最先进的锂离子电池含有大约14倍的可用能量。
另见：符合2025年电动，氢气，零排放飞机的要求
这使得电池对于航空来说相对较重。航空公司已经担心重量 - 对行李征收费用部分是为了限制飞机必须携带的数量。道路车辆可以处理更重的电池，但也有类似的担忧。我们的研究小组分析了电动皮卡和牵引车 - 拖车或半卡车的重量 - 能量权衡。
从电动卡车到飞行器
我们的研究基于对车辆移动所需能量的非常准确的描述以及锂离子电池中涉及的基础化学过程的细节。我们发现，类似于今天柴油动力的电动半卡车可以设计为一次充电可行驶500英里，同时能够承载约93％的货物运输货物。
在开始将美国货运车队转换为电力的过程具有经济意义之前，电池需要变得更便宜。这似乎可能发生在20世纪20年代早期。
飞行器距离更远，因为它们具有不同的动力需求，特别是在起飞和降落期间。
什么是e-VTOL？
与客机不同，小型电池供电的无人机在短距离内携带个人包裹，而飞行距离低于400英尺，已经投入使用。但携带人和行李需要10倍的能量 - 或更多。
我们研究了能够垂直起飞和降落的小型电池动力飞机需要多少能量。这些通常设计为像直升机一样直接发射，通过在飞行期间旋转其螺旋桨或整个机翼转换到更有效的飞机模式，然后转换回直升机模式以着陆。它们可以是一种有效且经济的方式来驾驭繁忙的城市区域，避免堵塞道路。
e-VTOL飞机的能量需求
我们的研究小组已经建立了一个计算机模型，可以根据已经开发的设计线计算单乘客e-VTOL所需的功率。一个这样的例子是重达1,000公斤的e-VTOL，包括乘客。
在飞机模式下巡航的最长航程，每英里需要的能量最少。我们的样品e-VTOL每英里需要大约400到500瓦时，大约相当于电动皮卡需要的能量 - 大约是电动轿车能耗的两倍。
然而，起飞和着陆需要更多的动力。无论电子垂直起降的行进距离多远，我们的分析预测起飞和降落的总和将需要每次行程8,000至10,000瓦时。这大约是大多数紧凑型电动车可用的能量的一半，如日产Leaf。
对于整个航班，使用目前最好的电池，我们计算出一个单人乘客电子垂直起降设计，可以承载20英里或更短的人，每英里需要大约800到900瓦时。这大概是半卡车的一半，这不是很有效：如果你需要快速访问附近城镇的商店，你就不会跳进满载拖拉机拖车的驾驶室。到达那里。
随着电池在未来几年内不断改进，它们可以为相同的电池重量提供大约50％的能量。这将有助于使e-VTOLS更适合短程和中程旅行。但是，在人们真正开始定期使用e-VTOLS之前，还需要做一些事情。
这不仅仅是能源
对于地面车辆，确定有用的行程范围就足够了 - 但不适用于飞机和直升机。飞机设计师还需要仔细检查功率 - 或者储存能量的可用速度。这一点很重要，因为在直升机上起飞或者在重力作用下向下推动比在转动汽车或卡车的车轮时需要更多的动力。
因此，e-VTOL电池必须能够以比电动道路车辆中的电池快约10倍的速率放电。当电池放电更快时，它们会变得更热。就像你的笔记本电脑风扇在玩游戏和下载大文件时试图播放电视节目一样全速播放时，每当要求产生更多电量时，车辆电池组需要更快地冷却。
道路车辆的电池在行驶时几乎不会升温，因此它们可以通过经过的空气或用简单的冷却剂冷却。然而，e-VTOL出租车在起飞时会产生大量的热量，需要很长时间才能冷却 - 在短途旅行中甚至可能无法完全降温，然后在着陆时再次升温。相对于电池组尺寸，对于相同的行驶距离，e-VTOL电池在起飞和着陆期间产生的热量远远超过电动汽车和半卡车。
另请参阅：特斯拉首席执行官埃隆马斯克详细介绍Joe Rogan Podcast的电动飞机创意
额外的热量将缩短e-VTOL电池的使用寿命，并可能使它们更容易着火。为了保持可靠性和安全性，电动飞机将需要专门的冷却系统 - 这将需要更多的能量和重量。
这是电动公路车辆和电动飞机之间的关键区别：卡车和汽车的设计者无需从根本上改善其功率输出或冷却系统，因为这会增加成本而不会提高性能。只有专门的研究才能找到电动飞机的这些重要进展。
我们的下一个研究课题将继续探索改进e-VTOL电池和冷却系统要求的方法，以便为有用范围提供足够的能量，并为起飞和着陆提供足够的能量 - 所有这些都不会过热。
本文最初发表于Venkat Viswanathan，Shashank Sripad和William Leif Fredericks的The Conversation。阅读原文。