點燃空中的綠色革命,電動飛機是航空業的未來嗎?
點燃空中的綠色革命,電動飛機是航空業的未來嗎?

2008年因為油價高漲,讓「電力能源」成為大眾的焦點,無論是電動車、油電混合車、電動滑板車,都在環保意識的抬頭下,逐漸成為能源驅動的新選擇,現階段已經可以看到許多實際的應用。

除了路上跑的交通工具,天上飛的飛機同樣相當耗油,以電力驅動的飛機除了有環保上的好處,對乘客來說票價也會降低、噪音也會減小,目前已經有許多業者投入研發,不過目前仍有許多困難需要克服,電動飛機會成為航空業的未來嗎?

當電動客機,從理想變成現實

2010年7月,使用太陽能驅動的陽光動力1號(Solar Impulse 1),完成了長達26小時,不間斷的晝夜循環飛行,其中有將近9小時是夜間飛行,打破了太陽能飛機不能晝夜飛行的歷史紀錄;接著在2015年3月,陽光動力2號(Solar Impulse 2)從阿拉伯聯合大公國的阿布達比起飛,開始環繞地球一圈的航程,過程克服了停機維修、惡劣天氣的挑戰,在2016年7月26日飛抵阿布達比,完成環球一周創舉,從那時候開始,電動客機的構想,從理想變成現實。

Solar Impulse
陽光動力1號(Solar Impulse 1),完成了長達26小時,不間斷的晝夜循環飛行,打破了太陽能飛機不能晝夜飛行的歷史紀錄。

根據歐盟委員會(European Commission)數據,目前飛機排放溫室氣體,約占全球溫室氣體4%,且目前還在持續成長中,歐盟委員會的目標是希望到了 2050 年,飛機每公里二氧化碳排放量減少 60%、氮氧化物污染減少 90%、噪音減少 75%,而電力飛機就是其中的關鍵。

像是挪威國營航空公司 Avinor 最近就喊出了一個相當有野心的目標,希望在2040 年前,讓國內所有短程航線都改用電動飛機執飛,Avinor 執行長 Dag Falk-Petersen談到:「所有飛行時間在 1.5 小時內的航班,都可改由全電動飛機飛行,不再讓航空旅行造成氣候問題。」 Avinor 航空目前正在測試一架19 人座的小型電動飛機,順利的話,希望能在2025年推出載客服務。

Aircraft
電動飛機除了對環境的好處,另外也能使機票票價降低、機艙內的引擎噪音也會明顯地變小。
圖/ shutterstock

從理想性來看,電動飛機可以達成許多對環境的好處,不過回到乘客的現實面來說,其實也有許多實質上的好處,首先電動飛機能使機票票價降低、機艙內的引擎噪音也會明顯地變小,且使用電力引擎跟傳統的內燃機相比,飛機能夠在空氣阻力較小的高海拔地區保持性能穩定,白話來說,飛機引擎不需要傳統引擎強大的動力,就能夠產生同樣的飛行速度。

空巴、西門子、勞斯萊斯攜手,打造混合動力飛機

為了朝降低航空產業污染的目標邁進,不少航太公司、新創都積極投入研發,像是空中巴士(Airbus)與西門子(Siemens)研發電力引擎多年,2017年勞斯萊斯加入合作,三家公司共同開發了一款叫「E-Fan X」的混合動力電動飛機,預計在 2025 年投入商用。

E-Fan X
混合動力飛機「E-Fan X」,預計可以在2020年執行首飛。

機體採由一架BAe 146改裝,空中巴士負責整體整合混合動力電動推進系統,以及電池的控制架構、勞斯萊斯負責研發渦輪引擎、發電機和電力電子設備、西門子則負責配電系統,他們將其中一個噴射引擎改成 2MW 功率輸出的電動風扇,並由機身內的燃氣渦輪發電機和電池供電,可以讓發電機永遠在最有效率的狀態下運轉,不需要隨著飛機油門加減速,來達到減少碳排量的目的,這款混合動力飛機「E-Fan X」,預計可以在2020年執行首飛。

波音投資新創掀航空革命

西雅圖新創 Zunum Aero在2017年10月,拿到了波音(Boeing)與藍捷(Jet Blue)旗下科技創投的投資,目標要開發出專攻區域航線的小型混合動力電動客機,透過短程機隊逐漸電力化,改善區域航空的遊戲規則。

Zunum主要依靠電力驅動、油料輔助的混合動力設計,機體將採用碳複合材料、輕型電動引擎,預計可乘坐12名乘客,最高巡航速度可達每小時340英里,混合動力單次飛行範圍為700英里(未來預計可達1,000英里),最快在2022年開始交機,Zunum Aero執行長Ashish Kuma談到:「我們的營運成本會比傳統客機降低60%~90%。」飛機每小時只需要花費260美元營運成本、每個座位飛行一哩的成本約為8分美元,這個數字是一般商業客機每小時十分之一的營運成本,最重要的是噪音、碳排都比傳統飛機減少80%。

zunum
Zunum主要依靠電力驅動、油料輔助的混合動力設計,機體將採用碳複合材料、輕型電動引擎,預計可乘坐12名乘客,最高巡航速度可達每小時340英里。
圖/ zunum

除了能源方面的革新,機體設計完全符合現有的機場規格,因此不需額外建置特殊充電、加油設備,駕駛艙的配置、設計上都跟一般飛機差不多,方便駕駛快速上手。Zunum可以根據需求改變動力來源,隨著電池科技進步,未來機上油箱尺寸可望再縮小,能源設備可以根據需求隨時改裝,不必將整台飛機除役替換,終極目標是要發展全電力驅動客機。

20年內短程航線電力化

英國廉價航空EasyJet(易捷航空),也跟美國新創公司Wright Electric合作,研發預計可以飛行540公里的電力客機,這個距離將可覆蓋20%的易捷航線,希望十年內能讓電力客機執飛倫敦到巴黎、阿姆斯特丹這類短程航線。

EasyJet
英國廉價航空EasyJet(易捷航空)跟美國新創公司Wright Electric合作,研發預計可以飛行540公里的電力客機。
圖/ shutterstock

Wright Electric 成立於2016年,曾獲得加速器Y Combinator投資,團隊成員有航太工程師、動力專家,還有來自NASA、波音不同背景的員工。目標是要在20年內,讓所有的短程商業客機都能以電力飛行,目前正在打造兩人座的模型機,下一步是擴大到十人座,最後是可以乘坐120人的單走道商用短程客機,易捷航空執行長Carolyn McCall當時談到:「這是第一次,航空產業可以想像不依賴石油燃料,以及擔心及其有害的二氧化碳和氮氧化物排放。」

如何快速充電?電動飛機的挑戰

電力飛機的願景雖好,但現階段仍有許多困難等待突破,以美國航太工程師伯特·魯坦(Burt-Rutan)所設計的混合動力飛機Long-EZ來說,可以以202.6英里/小時的速度飛行,並搭載一名乘客,如果跟一般常見的波音787客機相比,飛行速度可達585英里/小時,且能載客超過242人。

不論在飛行速度、載客數量來看,目前能力都遠遠低於傳統客機,從目前上述正在投入開發的例子來看,都還是以「混合動力」為主,預計到了2030年,混合動力技術才有可能實際運用在商業客機上,也就是說要達到「純電動商業客機」的理想,仍舊還有很長的路要走。

另外電池也是一大關鍵,目前的電池還不能提供電動飛機所需要的功率重量推動比,舉例來說,一般飛機燃料產生的能量,比相同質量的電池所產生的能量多了43倍,航空業者認為,電池能量密度每年可提高5到8%,能源儲存技術將逐漸提升,且隨著飛機性能的精進,未來的飛機也許不需要像現在這麼大的動力,就能順利飛行。

Aircraft
電池也是電動飛機發展的一大關鍵,舉例來說,一般飛機燃料產生的能量,比相同質量的電池所產生的能量多了43倍。
圖/ shutterstock

此外如何快速充電提升飛機的周轉時間也是挑戰,飛機只有飛在空中才是賺錢的,航空公司都會希望盡量減短飛機在地面上停留的時間,飛機一落地後,必須快速補充電力,讓飛機迅速載客起飛,如同像在許多電動機車的解決方案,最快速的方式就是「交換電池」,不過電池比燃氣輪機具維護成本更高,且充了1500次電後,電池就必須更換,這些都是必須克服的問題。

未來幾十年,陸地交通將會充滿電動車,甚至是無人車,大大改變汽車交通的樣貌,商用客機近年雖然隨著機材的創新、引擎的升級,已經可以大大減少燃油消耗,不過空中交通能真正純電力化,恐怕還需要等待一段時間。

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導航不是愈高階愈好!桃園產官資源如何賦能互宇向量,讓複雜技術真正「用得起、用得上」?
導航不是愈高階愈好!桃園產官資源如何賦能互宇向量,讓複雜技術真正「用得起、用得上」?

當無人機、無人船失去衛星定位訊號,還能繼續完成任務嗎?這道問題不只考驗導航設備的精度,更牽涉不同技術如何搭配,才能兼顧成本、可靠性與實際部署需求。

要理解自主載具如何在衛星訊號中斷時持續導航,得先認識「慣性導航」。互宇向量執行長鍾宏彬拿棒球作比喻:投手把球投出去後,球沒有GPS或遙控器,仍會依照出手角度、力量與旋轉向前運動。慣性導航則透過感測加速度與旋轉變化,持續推算載具的姿態、速度與位置。不過,慣性導航的誤差會隨時間累積,衛星定位訊號一旦中斷,位置推算也可能逐漸偏移。因此,自主載具需要不同定位與感測技術相互配合。2022年成立的互宇向量,便從這項需求切入,協助客戶選擇適合的導航技術,並將系統整合到產品中。

先定義任務,再決定導航規格

「以終點當起點。」鍾宏彬如此形容互宇向量的產品開發原則。相較於先提供設備、再由客戶自行整合,互宇向量在開發初期便參與討論,了解客戶要完成什麼任務,再決定性能、材料、演算法與預算。這套方法稱為「前端部署」。

以無人機精準投送為例,客戶希望載具不只抵達指定區域,還能接近建築物完成投送。飛行距離、定位精度、是否有人遙控,以及衛星訊號中斷後需要自主運作多久,都會影響系統設計。互宇向量必須先釐清這些條件,再選擇感測元件、調整導航架構,而不是直接套用既有產品。

互宇向量的技術涵蓋光纖陀螺儀(FOG)、慣性量測單元(IMU)、姿態與航向參考系統(AHRS),以及GNSS/INS融合導航方案。團隊曾與產業夥伴在實際水域驗證無人船導航系統,也透過觀音山隧道測試,觀察衛星訊號中斷時的導航表現。

對客戶而言,驗證的重點在於系統能否在任務要求的時間內維持足夠精度。互宇向量也不一定選用最高規格的零組件,而是依照需求調整演算法、材料與系統配置,必要時整合其他供應商的技術,減少客戶自行開發、測試與整合的時間及成本。

從光纖陀螺到系統整合,互宇向量把技術推向可部署的產品

鍾宏彬2010年投入光纖陀螺核心技術研究,2016年共同創辦極星光電。當時核心元件的客戶多具備自行整合能力,應用市場相對有限。他逐漸意識到,若想讓技術接觸更多使用者,就不能只停留在零件,還得往感測模組與完整系統發展。2022年成立互宇向量後,鍾宏彬延續過去累積的技術,採取合作設計製造(JDM)模式,讓團隊從產品開發初期便參與設計與驗證。

他把這種服務形容為「高階料理包」:客戶不必自行採購所有原料、研究怎麼煮,而是由互宇向量協助整合適合的技術,完成產品部署。公司不走低價、拚量路線,而是選擇與少數具有長期需求的專業客戶深入合作。目前團隊服務約12家核心客戶,透過持續參與產品開發,累積技術與合作經驗。

航太市場考驗的不只是技術,還有供應鏈與驗證能力

航太是互宇向量積極拓展的市場。目前約四成業務聚焦航太應用;2023年,團隊也與國家太空中心(TASA)展開策略性合作,推進MIOC與FOG技術的太空應用。

航太產業尤其重視「飛行履歷」(Flight Heritage)。鍾宏彬打趣地說,普通杯子就是杯子,但如果真的上過太空,「它就變成太空杯」。設備即使通過完整的地面測試,仍不等於經歷過發射與太空環境。對國際航太客戶而言,實際飛行驗證是評估設備可靠性的重要依據。鍾宏彬回憶,團隊過去花了兩、三年尋找海外企業客戶,始終不得其門而入。後來有國際業者得知互宇向量與國家太空中心合作,反而主動找上門。這段經驗讓他體會到,進入航太供應鏈除了技術能力,還需要讓國際客戶看見合作經驗與可信度。

從中央大學到蘆竹,桃園產官資源如何成為互宇的產業支點?

互宇向量與桃園的淵源,早在公司成立前就已開始。鍾宏彬從中央大學求學、攻讀博士到投入研究,一路留在桃園;第一次創業落腳楊梅,互宇向量則從青埔搬到蘆竹,建立廠辦空間。他笑稱,自己就像桃園「生出來的baby」。

桃園及北部地區聚集電路板、電子製造與機械加工等供應商,具備成熟的產業基礎。不過,部分業者長期專注既有市場,未必想過自身技術還能延伸至無人載具與航太應用。鍾宏彬舉例,互宇向量曾與傳統機械加工業者合作,協助對方了解航太供應鏈的品質驗證與製造要求,探索跨入新市場的可能。對這些業者而言,挑戰未必是技術能力不足,而是過去缺乏接觸航太應用的機會,不熟悉相關規格與驗證流程。

創業過程中,互宇向量也持續接觸桃園市政府青年事務局及相關局處、育成體系,參與創業交流與產業展會。鍾宏彬看重的是這些場合能讓團隊認識不同領域企業,拓展未來合作的可能。包括Meet桃園+在內的創業輔導與產業交流平台,也為在地新創提供接觸產業資源的機會。

從光纖陀螺核心元件走向完整導航系統,再延伸至航太合作與海外市場,互宇向量逐步建立從任務規劃、技術整合到系統驗證的能力。接下來,如何運用桃園既有的電子製造與精密加工基礎,找到更多能共同開發產品的夥伴,將是團隊拓展國際市場的重要課題。

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