電動(dòng)飛機(jī)來(lái)了

韓舒淋 陳亮 施智梁

6月18日挪威奧斯陸機(jī)場(chǎng)，挪威購(gòu)買的第一架電動(dòng)飛機(jī)進(jìn)行了首次飛行展示，駕駛員是挪威國(guó)有航空公司阿維洛爾（Avinor）CEO達(dá)格·法爾克-彼特森（Dag Falk-Petersen），唯一的乘客則是挪威交通和通訊大臣凱蒂爾·蘇爾維克-奧爾森（KetilSolvik-Olsen）。

Avinor在當(dāng)天發(fā)布的聲明中表示，將與合作伙伴幫助挪威成為電動(dòng)航空領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，在全球成為首個(gè)電動(dòng)航空占據(jù)主要市場(chǎng)的國(guó)家，到2040年所有國(guó)內(nèi)航線實(shí)現(xiàn)電動(dòng)化。

Avinor在其官網(wǎng)發(fā)布的試飛視頻顯示，皮特森駕駛的飛機(jī)載著奧爾森在奧斯陸機(jī)場(chǎng)上空環(huán)繞之后又降落在原機(jī)場(chǎng)，Avinor并未披露此次飛行的持續(xù)時(shí)間。

此次Avinor進(jìn)行飛行展示的飛機(jī)，是斯諾文尼亞公蝙蝠（Pipistrel）公司生產(chǎn)的“阿爾法電動(dòng)G2型”雙座全電動(dòng)飛機(jī)。蝙蝠公司成立于1987年，原為前南斯拉夫一架私人飛機(jī)制造商，主要生產(chǎn)四座以下的私人飛機(jī)。2007年，蝙蝠公司生產(chǎn)出全球第一家兩座電動(dòng)飛機(jī)。

挪威通過(guò)這次展示，宣告了其應(yīng)用電動(dòng)飛機(jī)的決心，也是到目前為止第一個(gè)提出在全國(guó)實(shí)現(xiàn)境內(nèi)航線電動(dòng)化目標(biāo)的國(guó)家。這一新動(dòng)向，是全球電動(dòng)飛機(jī)逐漸升溫的最新表現(xiàn)。

蝙蝠公司生產(chǎn)的飛機(jī)主要為四座以下的私人飛機(jī)，這類飛機(jī)一般用于通用航空，這也是目前電動(dòng)飛機(jī)研發(fā)中應(yīng)用較廣的領(lǐng)域，其一般用作娛樂(lè)、訓(xùn)練等場(chǎng)合。

2017年11月，空客、西門子與羅爾斯·羅伊斯三家歐洲工業(yè)巨頭聯(lián)合宣布將合作開(kāi)發(fā)一款飛行驗(yàn)證機(jī)，計(jì)劃將一架大型民用客機(jī)的其中一個(gè)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)替換為電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，這意味著飛機(jī)電動(dòng)化的趨勢(shì)已經(jīng)從萌芽階段的通航飛機(jī)，開(kāi)始走向大型民航飛機(jī)。

新的公司也開(kāi)始進(jìn)入這一領(lǐng)域，共享出行公司優(yōu)步曾在2016年發(fā)布名為《快速飛入城市空中交通的未來(lái)》白皮書(shū)，在其中提出了一個(gè)在城市建設(shè)一個(gè)空中交通網(wǎng)絡(luò)的想法，在這個(gè)構(gòu)想中，優(yōu)步希望通過(guò)小型垂直起降電動(dòng)飛機(jī)（VTOL飛機(jī)）構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，能夠在郊區(qū)和城市之間，并最終在市內(nèi)實(shí)現(xiàn)迅速可靠的交通。圍繞這一構(gòu)想，優(yōu)步已經(jīng)連續(xù)兩年召開(kāi)Elevate峰會(huì)，為其“空中的士”的落地鋪路。

而在國(guó)內(nèi)，由楊鳳田院士牽頭的團(tuán)隊(duì)在2012年開(kāi)始研發(fā)“銳翔”系列電動(dòng)飛機(jī)，目前，其第二代增程型銳翔電動(dòng)飛機(jī)已經(jīng)在2017年底實(shí)現(xiàn)首飛。這讓中國(guó)的電動(dòng)飛機(jī)研發(fā)與全球站在了同一起跑線上。

在電動(dòng)車的浪潮愈演愈烈之際，飛機(jī)電動(dòng)化的趨勢(shì)逐漸開(kāi)始萌芽，四面開(kāi)花。不過(guò)其市場(chǎng)爆發(fā)還需要時(shí)間，業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，到2025年前后才會(huì)有比較成規(guī)模的市場(chǎng)。從應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)看，電動(dòng)飛機(jī)將首先在通航飛機(jī)上實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用，要真正進(jìn)入干線民航領(lǐng)域，還需要更久的時(shí)間。

大飛機(jī)的電動(dòng)夢(mèng)想

2017年11月，空中客車、羅爾斯·羅伊斯和西門子共同在倫敦皇家航空學(xué)會(huì)發(fā)布消息，稱三方達(dá)成合作伙伴關(guān)系，致力于在近期合作開(kāi)發(fā)一款飛行驗(yàn)證機(jī)，推動(dòng)民用飛機(jī)混合電動(dòng)推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展。

三方的合作項(xiàng)目被稱為E-Fan X，根據(jù)計(jì)劃，三方將使用BAe 146飛機(jī)作為飛行測(cè)試平臺(tái)，將其四臺(tái)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的一臺(tái)用一臺(tái)兩兆瓦功率的電動(dòng)機(jī)取代，如果系統(tǒng)成熟度得到驗(yàn)證，還將有第二臺(tái)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)被電動(dòng)機(jī)取代。使用一臺(tái)電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)計(jì)劃在2020年實(shí)現(xiàn)首飛。

BAe 146型飛機(jī)是由英國(guó)宇航公司生產(chǎn)的早期支線民航客機(jī)，其不同型號(hào)的載客量從70人至100人不等。此次三方以BAe 146飛機(jī)來(lái)測(cè)試電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)，將是首個(gè)在民航飛機(jī)上應(yīng)用的電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)。

在E-Fan X項(xiàng)目之前，西門子與空客已經(jīng)在2016年開(kāi)展了面向電動(dòng)飛機(jī)的E-Aircraft Systems House項(xiàng)目的合作，用以開(kāi)發(fā)完善不同電推進(jìn)系統(tǒng)組件及各種功率等級(jí)的地面測(cè)試。

在E-Fan X項(xiàng)目中，空客將負(fù)責(zé)混合電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)、電池的控制架構(gòu)和整合，以及飛控裝置的集成。西門子將提供2兆瓦電動(dòng)機(jī)、其控制單元以及逆變器、直流-直流轉(zhuǎn)換器和配電系統(tǒng)。羅爾斯·羅伊斯將負(fù)責(zé)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)、2兆瓦發(fā)電機(jī)及電子設(shè)備?？梢钥闯觯缶揞^都在其中貢獻(xiàn)了自己最擅長(zhǎng)的領(lǐng)域。

在這一設(shè)計(jì)中，它將是混合動(dòng)力的電動(dòng)飛機(jī)，并且電動(dòng)機(jī)所需的電能實(shí)際上主要由羅羅負(fù)責(zé)的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)來(lái)提供，因此，在它飛行的大部分時(shí)間里，主要?jiǎng)恿?shí)際上仍然由化石能源來(lái)提供。羅羅在給《財(cái)經(jīng)》記者的回復(fù)中表示，飛機(jī)電動(dòng)機(jī)的主要?jiǎng)恿?lái)源是羅羅發(fā)電機(jī)，電池將在飛行中提供部分或者短時(shí)全部動(dòng)力。三方合作該試驗(yàn)機(jī)項(xiàng)目的主要目的之一，就是了解和證實(shí)這一過(guò)程中的系統(tǒng)效率。

空客在給《財(cái)經(jīng)》記者的答復(fù)中表示，E-Fan X項(xiàng)目的目的在于為2025年左右在民用飛機(jī)、防務(wù)與航天和直升機(jī)領(lǐng)域潛在的項(xiàng)目做技術(shù)準(zhǔn)備。目前，該項(xiàng)目存在兩種挑戰(zhàn)：第一種涉及混合動(dòng)力硬件，要在項(xiàng)目限制（能量管理、散熱限制、冷卻等）的范圍內(nèi)研發(fā)全新的電動(dòng)推進(jìn)單元（EPU）、發(fā)電機(jī)和電池；第二種涉及飛行要求的物理安裝和安全、硬件和系統(tǒng)安裝的整合以及飛行許可。

促進(jìn)三方合作的一個(gè)動(dòng)力，是為了減少對(duì)化石燃料的依賴，向環(huán)保的交通工具轉(zhuǎn)型。歐盟委員會(huì)在針對(duì)航空業(yè)的2050遠(yuǎn)景中提出了歐盟技術(shù)環(huán)境指標(biāo)，要求二氧化碳減排60%、氮氧化物減排90%、噪音減少75%。三方認(rèn)為，依靠現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)航空交通的這一減排目標(biāo)，因此，電動(dòng)與混合電動(dòng)推進(jìn)技術(shù)被視作解決這些挑戰(zhàn)的最有前途的技術(shù)之一。

而對(duì)西門子而言，這一合作對(duì)其業(yè)務(wù)戰(zhàn)略還有特殊的意義。長(zhǎng)久以來(lái)，西門子與其美國(guó)的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手通用電氣相比，在業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)上缺少航空發(fā)動(dòng)機(jī)業(yè)務(wù)，而航空發(fā)動(dòng)機(jī)是通用電氣盈利最好的業(yè)務(wù)之一。

在噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)代，西門子很難再去與通用電氣競(jìng)爭(zhēng)發(fā)動(dòng)機(jī)業(yè)務(wù)，但是隨著電動(dòng)飛機(jī)的逐漸興起，西門子開(kāi)始有機(jī)會(huì)在對(duì)方的核心業(yè)務(wù)領(lǐng)域布局。事實(shí)上，在E-Fan X之外，西門子已經(jīng)開(kāi)發(fā)了針對(duì)電動(dòng)通航飛機(jī)的電動(dòng)機(jī)、逆變器和電池管理系統(tǒng)，并部署在通航電動(dòng)飛機(jī)上。這些產(chǎn)品正是西門子傳統(tǒng)強(qiáng)勢(shì)的電氣產(chǎn)品業(yè)務(wù)，在航空領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)需要更注重體積、重量和安全性。對(duì)西門子而言，航空的電氣化趨勢(shì)，也是其彎道超車的機(jī)會(huì)。

電動(dòng)飛機(jī)的技術(shù)挑戰(zhàn)

用電動(dòng)機(jī)替換傳統(tǒng)的噴氣式燃油發(fā)動(dòng)機(jī)，意味著發(fā)動(dòng)機(jī)部件將面臨不同的技術(shù)要求。北京航空航天大學(xué)飛機(jī)系黃俊教授告訴《財(cái)經(jīng)》記者，傳統(tǒng)噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)主要包括風(fēng)扇、壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪，而電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)就只需要風(fēng)扇，后面的結(jié)構(gòu)都可以省去，不需要高溫部件、耐高溫材料，結(jié)構(gòu)大幅簡(jiǎn)化。

西門子電動(dòng)飛機(jī)部門銷售及業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)Olaf Otto表示，對(duì)噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)而言，氣體溫度越高，發(fā)動(dòng)機(jī)兩端溫差越大，效率越高，所以需要發(fā)動(dòng)機(jī)材料能夠承受高溫，從而提高引擎的效率；而電動(dòng)機(jī)則是不同的技術(shù)要求，它需要是輕型的復(fù)合材料，能夠耐高壓和高旋轉(zhuǎn)力，有的部件需要有良好的導(dǎo)電性能，有的部件需要有良好的導(dǎo)熱性能。相比噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，二者有不同的技術(shù)要求。

將動(dòng)力來(lái)源從噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)替換為電動(dòng)機(jī)，也對(duì)飛機(jī)的設(shè)計(jì)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。Olaf對(duì)《財(cái)經(jīng)》記者表示，將發(fā)電用的燃?xì)廨啓C(jī)部署在飛機(jī)尾部，將影響飛機(jī)整體的外形設(shè)計(jì)；此外，在飛機(jī)高度爬升時(shí)，客艙需要升壓，傳統(tǒng)飛機(jī)的升壓氣體是由噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓引氣提供，而采用電動(dòng)機(jī)之后，需要考慮如何為客艙升壓的問(wèn)題。

如同電動(dòng)汽車一樣，電動(dòng)飛機(jī)要想得到大規(guī)模的應(yīng)用，電池技術(shù)也依然是等待突破的瓶頸。目前E-Fan X設(shè)計(jì)中，電池的功率為2兆瓦，并且容量還不確定。空客在給《財(cái)經(jīng)》記者的答復(fù)中表示，對(duì)于未來(lái)混合動(dòng)力電動(dòng)單通道飛機(jī)，需要20兆瓦到40兆瓦的安裝功率，所以至少還有一個(gè)數(shù)量級(jí)的階躍變化。包括能量存儲(chǔ)、電力電子、效率和動(dòng)力傳輸在內(nèi)的許多其他技術(shù)都需要進(jìn)一步研發(fā)，以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

聯(lián)合技術(shù)公司（UTC）旗下的航空航天業(yè)務(wù)單元聯(lián)合技術(shù)航空系統(tǒng)工程與技術(shù)副總裁Geoff Hunt對(duì)《財(cái)經(jīng)》記者表示，電池能量密度是一個(gè)廣為人知的限制因素，此外，根據(jù)美國(guó)航空航天局（NASA）重新設(shè)計(jì)X-57 Maxwell電推進(jìn)試驗(yàn)飛機(jī)的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，電池散熱問(wèn)題也需要解決。

飛機(jī)的不斷電氣化至電推進(jìn)系統(tǒng)，也對(duì)電氣相關(guān)環(huán)節(jié)帶來(lái)新的技術(shù)要求。Olaf表示，在飛機(jī)內(nèi)部，需要考慮如何獲得電力以及分配到各個(gè)環(huán)節(jié)，這需要對(duì)電氣系統(tǒng)進(jìn)行重構(gòu)。Geoff Hunt還指出另一個(gè)問(wèn)題，為了降低配電系統(tǒng)重量，其配電電壓將超過(guò)1000伏，而這會(huì)導(dǎo)致與電弧和電暈效應(yīng)相關(guān)的問(wèn)題。

通航將率先啟航

不僅西門子希望借助電動(dòng)飛機(jī)進(jìn)入這一產(chǎn)業(yè)鏈彎道超車，中國(guó)也已經(jīng)開(kāi)始在這一領(lǐng)域布局，并且不落下風(fēng)。

在國(guó)內(nèi)，最早從事電動(dòng)飛機(jī)開(kāi)發(fā)的是由工程院院士楊鳳田主導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在遼寧進(jìn)行的銳翔系列電動(dòng)飛機(jī)的研發(fā)，這一項(xiàng)目在2012年立項(xiàng)，由遼寧通航研究院進(jìn)行研發(fā)。

2013年，其首款電動(dòng)飛機(jī)銳翔RX1E實(shí)現(xiàn)首飛，并在2015年拿到了民航局頒發(fā)的型號(hào)設(shè)計(jì)批準(zhǔn)書(shū)和生產(chǎn)許可證，它是一款兩座通航飛機(jī)。參與銳翔研發(fā)的北京航空航天大學(xué)教授黃俊告訴《財(cái)經(jīng)》記者，目前銳翔交付量還比較小，一共不到10架，主要用于領(lǐng)先試飛，總飛行時(shí)間超過(guò)2000飛行小時(shí)。

其應(yīng)用還不夠廣泛的原因之一在于續(xù)航時(shí)間，黃俊介紹，根據(jù)民航局目前的標(biāo)準(zhǔn)，飛機(jī)晝夜目視飛行需要保留30分鐘持續(xù)電量，而首款銳翔電動(dòng)飛機(jī)的續(xù)航時(shí)間約為1小時(shí)，這也就意味著飛機(jī)連起飛到著陸只有半小時(shí)的時(shí)間，因此，其用途無(wú)法得到充分發(fā)揮，交付量也比較小。

面對(duì)這一問(wèn)題，銳翔團(tuán)隊(duì)開(kāi)始啟動(dòng)了增程型銳翔電動(dòng)飛機(jī)的研發(fā)，通過(guò)增加電池容量，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方式來(lái)努力增加其續(xù)航時(shí)間。2017年11月1日，銳翔增程雙座電動(dòng)飛機(jī)在沈陽(yáng)法庫(kù)財(cái)湖機(jī)場(chǎng)成功首飛。據(jù)黃俊介紹，目前銳翔的持續(xù)飛行時(shí)間最長(zhǎng)可以達(dá)到兩小時(shí)，即便考慮到保留30分鐘電量，持續(xù)飛行時(shí)間超過(guò)1小時(shí)，具備實(shí)用價(jià)值，比如1小時(shí)的持續(xù)飛行時(shí)間，在進(jìn)行飛行員培訓(xùn)時(shí)就可以進(jìn)行4個(gè)至5個(gè)起降。

不過(guò)目前，銳翔的兩款飛機(jī)由于續(xù)航時(shí)間和里程限制，還無(wú)法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)場(chǎng)飛行，只能在本場(chǎng)起降，因此，它未來(lái)的目標(biāo)市場(chǎng)將主要是飛行員培訓(xùn)和娛樂(lè)市場(chǎng)。同時(shí)，銳翔團(tuán)隊(duì)也已經(jīng)在進(jìn)行四座電動(dòng)飛機(jī)的立項(xiàng)，其總重將達(dá)到1.5噸，初步設(shè)定續(xù)航里程達(dá)到300公里。

黃俊介紹，根據(jù)美國(guó)通航市場(chǎng)的研究顯示，300公里航程能夠覆蓋70%的四座飛機(jī)的飛行任務(wù)。300公里的航程，意味著四座飛機(jī)既可以完成培訓(xùn)等兩座飛機(jī)的功能，也可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)場(chǎng)飛行。根據(jù)團(tuán)隊(duì)的計(jì)劃，銳翔四座電動(dòng)飛機(jī)計(jì)劃在2020年實(shí)現(xiàn)首飛。

專注于航空領(lǐng)域投資的華凱投資總經(jīng)理陳鵬告訴《財(cái)經(jīng)》記者，電動(dòng)飛機(jī)將首先在通航市場(chǎng)落地，民航的應(yīng)用要更遙遠(yuǎn)。波音民機(jī)集團(tuán)東北亞區(qū)市場(chǎng)執(zhí)行總監(jiān)霍達(dá)仁（Darren Hulst）對(duì)此表示認(rèn)同。他告訴《財(cái)經(jīng)》記者，從具體技術(shù)路線圖上來(lái)說(shuō)，最先發(fā)展的應(yīng)該是電動(dòng)小型貨機(jī)，然后是用于區(qū)域性同行的電動(dòng)飛機(jī)。電動(dòng)寬體客機(jī)在近期或者稍遠(yuǎn)時(shí)期都是比較難實(shí)現(xiàn)的。

陳鵬還表示，根據(jù)其在業(yè)內(nèi)接觸的情況，歐洲在電動(dòng)飛機(jī)的研發(fā)上最為積極，參與的公司最多，并且歐洲的適航部門EASA與各國(guó)適航部門都在積極進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)制定，關(guān)于電動(dòng)飛機(jī)的政策、規(guī)章制度的支持都比美國(guó)FAA更加積極。

陳鵬介紹，有人駕駛通航飛機(jī)主要是兩個(gè)市場(chǎng)：一是培訓(xùn)，二是個(gè)人娛樂(lè)飛行。而電動(dòng)飛機(jī)在這兩個(gè)領(lǐng)域都可以顯著降低每小時(shí)飛行成本，并且可以減少排放和降低噪音。歐洲業(yè)界的預(yù)測(cè)是，到2023年至2025年后，電動(dòng)航空會(huì)進(jìn)入市場(chǎng)應(yīng)用。

研究機(jī)構(gòu)ASDReports發(fā)布的關(guān)于電動(dòng)飛機(jī)市場(chǎng)預(yù)測(cè)的報(bào)告也支持了陳鵬的判斷，其報(bào)告預(yù)測(cè)，世界電動(dòng)飛機(jī)的市場(chǎng)規(guī)模將從2018年的預(yù)計(jì)9930萬(wàn)美元增長(zhǎng)至2023年的1.218億美元；在預(yù)測(cè)期間，航程低于500公里的機(jī)型將引領(lǐng)電動(dòng)飛機(jī)市場(chǎng)，主要用途為娛樂(lè)和飛行員培訓(xùn)。

Geoff Hunt表示，目前以電力作為多電飛機(jī)二次能源的技術(shù)（注：用電能代替集中式的液壓能源和氣壓能源，使各種二次能源統(tǒng)一為點(diǎn)電能）日趨成熟，并且正在越來(lái)越多地取代傳統(tǒng)飛機(jī)系統(tǒng)中的液壓能和氣動(dòng)能。隨著新商業(yè)模式的出現(xiàn)，全電和混合電推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展將加速。

（本刊實(shí)習(xí)生李玉樓對(duì)此文亦有貢獻(xiàn)）