電動(dòng)支線飛機(jī)的研發(fā)熱潮

方沐

在燃?xì)鉁u輪動(dòng)力依然占據(jù)主流、電推進(jìn)技術(shù)尚未成熟的今天，集電推進(jìn)與燃?xì)鉁u輪之所長的分布式混合電推進(jìn)系統(tǒng)開始初顯鋒芒。如果說，五年前提出混合電推進(jìn)驅(qū)動(dòng)支線飛機(jī)的想法還只是一種幻想，那么如今看來，預(yù)計(jì)到2019年，至少將有3個(gè)型號(hào)的試驗(yàn)機(jī)和原型機(jī)完成首飛。與傳統(tǒng)干線、支線客機(jī)市場(chǎng)的壟斷格局不同，許多小型、創(chuàng)新型企業(yè)和傳統(tǒng)的一級(jí)供應(yīng)商是這一輪航空動(dòng)力革命的重要參與者。截至2017年年底，全球共有300多家公司正在進(jìn)行“飛行汽車”這類小型電動(dòng)飛機(jī)的研發(fā)。當(dāng)然，由于受到技術(shù)儲(chǔ)備和資金的限制，波音、空客和美國航空航天局（NASA）等行業(yè)大佬依舊走在研發(fā)的最前沿。

順應(yīng)綠色航空潮流

與傳統(tǒng)飛機(jī)相比，電推進(jìn)飛機(jī)在飛行過程中具有零排放和低噪音的優(yōu)點(diǎn)，在節(jié)能、環(huán)保大行其道的今天，這一優(yōu)勢(shì)無論對(duì)于航空公司還是制造商來說都極具吸引力。但受到各種條件的限制，商用飛機(jī)至今還無法實(shí)現(xiàn)完全由純電提供動(dòng)力。鋰離子電池是目前在研電動(dòng)飛機(jī)主要的能源，盡管近年來鋰離子電池技術(shù)已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，但是其能量密度依舊無法滿足商用航空飛行器的要求。于是，將純電推進(jìn)與燃油動(dòng)力系統(tǒng)相結(jié)合的混合電推進(jìn)飛機(jī)就成為了制造商們的研究方向。

所謂分布式混合電推進(jìn)系統(tǒng)，是指通過傳統(tǒng)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，為分布在機(jī)翼或機(jī)身上的多個(gè)電動(dòng)機(jī)/風(fēng)扇提供電力，并由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇/螺旋槳提供全部或絕大部分推力的一種新概念推進(jìn)系統(tǒng)，能大幅提高發(fā)動(dòng)機(jī)等效涵道比，在減輕結(jié)構(gòu)重量，降低油耗、噪聲和污染排放方面具有優(yōu)勢(shì)。

傳統(tǒng)燃油飛機(jī)在起飛、爬升、著陸、滑行階段發(fā)動(dòng)機(jī)的效率較低，而混合電推進(jìn)系統(tǒng)恰恰是在這些階段將電推進(jìn)分系統(tǒng)投入使用，從而讓燃油發(fā)動(dòng)機(jī)維持在最優(yōu)效率的狀態(tài)下運(yùn)行。這一點(diǎn)對(duì)于中短程飛機(jī)來說，由于起飛、爬升、著陸、滑行階段的時(shí)間占總飛行時(shí)間的比例較高，使用混合電推進(jìn)系統(tǒng)能夠顯著節(jié)省燃油、降低噪音。因此從這個(gè)角度來看，混合電推進(jìn)技術(shù)十分適合應(yīng)用于航程較短、使用頻率較高的支線飛機(jī)上。在目前眾多的在研新機(jī)型中，空客的E-Fan X、波音投資研發(fā)的Zunum和NASA的“STARCABL”是最具代表性的三款機(jī)型。

NASA的大手筆

盡管波音、空客和NASA這三個(gè)行業(yè)巨頭涉足混合電推進(jìn)飛機(jī)研制的時(shí)間有先后，各自主攻的技術(shù)研發(fā)路線也各不相同，但他們目前所研發(fā)的產(chǎn)品已經(jīng)有了鮮明的特色。

作為波音背后的強(qiáng)大技術(shù)源頭之一，NASA提出的“STARC-ABL”項(xiàng)目是一個(gè)帶后置附面層推進(jìn)的單通道渦輪電推進(jìn)飛機(jī)。與業(yè)內(nèi)各種五花八門的設(shè)計(jì)方案不同，“STARC-ABL”項(xiàng)目的機(jī)身依舊采用了傳統(tǒng)的管狀機(jī)身加機(jī)翼的總體構(gòu)型，但由于采用混合電推進(jìn)技術(shù)，這款飛機(jī)的油耗將比傳統(tǒng)飛機(jī)降低7%～12%。

在NASA的設(shè)計(jì)規(guī)劃中，“STARC-ABL”項(xiàng)目采用部分渦輪電推進(jìn)架構(gòu)，飛機(jī)機(jī)翼下方安裝有兩臺(tái)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)提供推力，同時(shí)這兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)還可以對(duì)安裝于機(jī)身尾部的風(fēng)扇提供電力，從而為飛機(jī)提供部分推力。尾部風(fēng)扇對(duì)機(jī)身附面層的抽吸作用可為低能氣流注入能量，還可獲得減阻的收益。更小的阻力意味著可以減小動(dòng)力需求，縮小翼下發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸，抵消因電力系統(tǒng)、后置風(fēng)扇和短艙帶來的額外重量增加。

目前，NASA的技術(shù)分析是基于采用環(huán)形進(jìn)氣口的3500馬力全電后置風(fēng)扇，該風(fēng)扇能夠?qū)Ω矫鎸?6%的氣體進(jìn)行抽吸，可以恢復(fù)機(jī)身尾跡72%的動(dòng)量損失，分析過程中還假設(shè)了電力系統(tǒng)效率約為90%。根據(jù)計(jì)劃，“STARC-ABL”方案將作為噴氣支線或者單通道干線客機(jī)X驗(yàn)證機(jī)方案進(jìn)行后期的各項(xiàng)驗(yàn)證試驗(yàn)。如果進(jìn)展順利，NASA計(jì)劃在2025年左右試飛該驗(yàn)證機(jī)，用于驗(yàn)證2035年左右服役的單通道客機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。

為了保證項(xiàng)目的順利進(jìn)行，NASA已經(jīng)在制定相應(yīng)的研發(fā)投入計(jì)劃。今年2月NASA宣布，2019年將投入2.31億美元用于超導(dǎo)電機(jī)的研發(fā)，目標(biāo)直指5～10兆瓦商用飛機(jī)混合電推進(jìn)系統(tǒng)的研發(fā)。在這份研發(fā)計(jì)劃中還包括在NEAT（NASA電推進(jìn)飛機(jī)試驗(yàn)臺(tái)）上測(cè)試兆瓦級(jí)的動(dòng)力系統(tǒng)，將其作為STARC-ABL項(xiàng)目的2.6兆瓦電力系統(tǒng)的簡(jiǎn)化縮比驗(yàn)證。

供應(yīng)商踴躍參與

盡管相比波音，空客是民用飛機(jī)領(lǐng)域的后來者，但是憑借著勇于創(chuàng)新的精神，讓空客用40多年的時(shí)間實(shí)現(xiàn)了與百年波音平起平坐的局面。如今在下一代飛機(jī)的研發(fā)上，空客積極與歐洲各國合作，合力研發(fā)新技術(shù)與新產(chǎn)品。

對(duì)于電動(dòng)飛機(jī)的研發(fā)，空客可以說起步很早。2012年公司正式發(fā)布了E-Fan系列電動(dòng)飛機(jī)項(xiàng)目，并先后推出了E-Fan 1.0和E-Fan 2.0兩款飛機(jī)。2015年，E-Fan 1.0還曾成功飛越英吉利海峽，成為世界上首架依靠自身動(dòng)力起飛并成功飛越英吉利海峽的全電動(dòng)飛機(jī)。之后，空客曾想趁熱打鐵，在已有的技術(shù)基礎(chǔ)上，研制4座的混合電推進(jìn)飛機(jī)E-Fan 4.0。

但隨著越來越多供應(yīng)商參與到電推進(jìn)技術(shù)的研發(fā)，高功率密度的電機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速，空客意識(shí)到是時(shí)候進(jìn)行混合電推進(jìn)支線飛機(jī)或單通道飛機(jī)的研發(fā)了。于是，空客決定終止E-Fan 4.0的研發(fā)，轉(zhuǎn)而與西門子、羅羅聯(lián)合進(jìn)行更大尺寸的混合電推進(jìn)支線飛機(jī)驗(yàn)證機(jī)E-Fan X的研發(fā)。

E-Fan X項(xiàng)目選用了英國宇航公司四發(fā)短程噴氣式支線飛機(jī)BAe146為飛行試驗(yàn)平臺(tái)。根據(jù)計(jì)劃，空客將首先用一套功率為2MW的混合電推進(jìn)系統(tǒng)取代一臺(tái)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，2020年左右開始飛行驗(yàn)證，如果飛行驗(yàn)證結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求，將再用一套電推進(jìn)系統(tǒng)取代一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)。在空客的長遠(yuǎn)規(guī)劃中，E-Fan項(xiàng)目將為下一代50～100座級(jí)的混合電推進(jìn)支線飛機(jī)提供足夠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和新技術(shù)的積累。如果研發(fā)進(jìn)程順利，空客計(jì)劃在2030年將全新一代混合電推進(jìn)支線飛機(jī)投入市場(chǎng)運(yùn)營。

此外，還有一個(gè)有趣的現(xiàn)象是，在新一代混合電推進(jìn)飛機(jī)的研發(fā)方面，傳統(tǒng)一級(jí)供應(yīng)商的參與度十分高，并且他們已經(jīng)有了一定的技術(shù)積累。E-Fan X項(xiàng)目參與方之一的西門子公司便是其中一家。

除了E-Fan X項(xiàng)目之外，西門子還在為位于美國科羅拉多州的Bye航宇公司研制的兩座“太陽鳥2”和四座“太陽鳥4”飛機(jī)提供電動(dòng)機(jī)。未來這兩款飛機(jī)將致力于成為獲得FAA認(rèn)證的全電推進(jìn)飛機(jī)，主要用于飛行訓(xùn)練和通用航空市場(chǎng)。此外，西門子還參與了由歐盟“地平線2020計(jì)劃”贊助的“高功率高可擴(kuò)展性飛機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)（H3PS）”研究項(xiàng)目。該項(xiàng)目研制周期為36個(gè)月，目標(biāo)是為一個(gè)四座的通用飛機(jī)開發(fā)并聯(lián)的混合電推進(jìn)系統(tǒng)并進(jìn)行飛行測(cè)試。而從供應(yīng)商的積極參與中，我們不妨大膽假設(shè)，一旦未來混合電推進(jìn)飛機(jī)成為主流，一些過去在民用航空市場(chǎng)默默無聞的供應(yīng)商將很有可能一舉進(jìn)入主流供應(yīng)商之列。

波音奮起直追

在電推進(jìn)技術(shù)的研發(fā)上，波音雖然比空客慢了一步，但是近年來通過并購、投資具有潛力的公司，波音已經(jīng)追上了空客的腳步。

2017年波音與捷藍(lán)航空共同宣布，收購之前名不見經(jīng)傳的年輕創(chuàng)業(yè)公司Zunum Aero，支持其進(jìn)行Zunum混合電推進(jìn)支線飛機(jī)的研制。

由于近年來，美國支線航空市場(chǎng)的發(fā)展明顯衰退，導(dǎo)致大量的支線機(jī)場(chǎng)和通航機(jī)場(chǎng)的利用率較低，Zunum Aero在大量的市場(chǎng)調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，恰恰這些利用率較低的機(jī)場(chǎng)為發(fā)展混合電推進(jìn)支線飛機(jī)提供了基礎(chǔ)條件。利用這些機(jī)場(chǎng)建立混合電推進(jìn)支線飛機(jī)運(yùn)營網(wǎng)絡(luò)，將為乘客提供比高速公路、鐵路和大型商用飛機(jī)更快速、靈活和廉價(jià)的交通方式。

根據(jù)計(jì)劃，Zunum混合電推進(jìn)支線飛機(jī)的尺寸將與皮拉圖斯公司的PC-12飛機(jī)類似，座級(jí)為6～12座，飛機(jī)最大起飛重量低于12500磅（5670千克），可以按照最新修訂的FAA23部進(jìn)行適航取證。設(shè)計(jì)最大航程超過700英里（1126公里），巡航速度為340英里/小時(shí)（547公里/小時(shí)），飛機(jī)擁有1兆瓦的混合電推進(jìn)系統(tǒng)，使用燃油的500千瓦發(fā)電機(jī)、充電電池以及電驅(qū)動(dòng)雙涵道風(fēng)扇。運(yùn)營成本每座英里8美分，比現(xiàn)今美國航空公司的平均成本低3美分。如果這個(gè)設(shè)計(jì)運(yùn)營成本能夠?qū)崿F(xiàn)的話將是一個(gè)十分偉大的成就。如今，如果使用737飛行300～500英里是無法實(shí)現(xiàn)這個(gè)成本的，即便與尺寸相當(dāng)?shù)腜C-12相比，運(yùn)營成本也降低了3～5倍。

而Zunum混合電推進(jìn)支線飛機(jī)之所以能夠有如此低的運(yùn)營成本是因?yàn)殡娏r(jià)格相對(duì)燃油價(jià)格要低廉得多，并且混合電推進(jìn)系統(tǒng)擁有更高的驅(qū)動(dòng)效率。Zunum混合電推進(jìn)支線飛機(jī)的電池占全機(jī)最大起飛重量不到20%，但是電池的能量密度相比燃油要低得多，因此采用渦輪發(fā)電機(jī)作為航程擴(kuò)充器。全機(jī)僅攜帶800磅（363千克）燃油，而PC-12攜帶的燃油為2700磅（1225千克）。未來，隨著電池技術(shù)的進(jìn)步，動(dòng)力系統(tǒng)將會(huì)逐漸用電池完全代替。同時(shí)，Zunum Aero還與特斯拉合作，后者將在其“超級(jí)電池工廠”中為Zunum飛機(jī)研發(fā)鋰離子電池。

但是與其他混合電推進(jìn)飛機(jī)對(duì)電池技術(shù)發(fā)展的依賴度較大不同，Zunum所采用的混合電推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)電池技術(shù)的發(fā)展并不是百分之百依賴的。在Zunum混合電推進(jìn)飛機(jī)中，電池是以模塊形式安裝在機(jī)翼內(nèi)的，在飛機(jī)進(jìn)行C檢的過程中可以更換電池。Zunum Aero公司的設(shè)想是允許運(yùn)營商在兩次飛行之間給電池充電或者更換電池，節(jié)省停機(jī)時(shí)間。當(dāng)然這個(gè)大膽的設(shè)想在技術(shù)上要面對(duì)極大的挑戰(zhàn)，同時(shí)也是Zunum公司的核心技術(shù)之一，目前公司還未透露其他具體細(xì)節(jié)。

根據(jù)計(jì)劃，Zunum Aero公司將在今年開始12座Zunum飛機(jī)的初步設(shè)計(jì)評(píng)審，并完成一個(gè)高功率銅鳥試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行電力系統(tǒng)試驗(yàn)。2019年開始飛行測(cè)試，2022年左右取得FAA適航證并交付使用。如果項(xiàng)目進(jìn)展順利，公司還將繼續(xù)開發(fā)50 座級(jí)、航程更大的混合電推進(jìn)支線飛機(jī)。