支線客機的混合電推進(jìn)之路

■ 廖忠權(quán) / 中國航發(fā)研究院

毫無疑問，全電飛機是未來的發(fā)展方向。但是，受制于電機和電池技術(shù)，實現(xiàn)飛機及推進(jìn)系統(tǒng)的全電化尚需時日，因此選擇混合電推進(jìn)這一策略，既是在現(xiàn)階段的妥協(xié)，也是對通往未來道路的鋪墊。

隨著世界經(jīng)濟和科技的發(fā)展，人們的航空出行需求在不斷增長。當(dāng)前及未來較長的時間內(nèi)，推動航空運輸業(yè)增長的因素主要有兩個：一個是必須應(yīng)對可持續(xù)發(fā)展的挑戰(zhàn)，通過減少對環(huán)境的影響，讓人們更容易接受空中交通的增長；另一個是整合目前正在不斷涌現(xiàn)的新技術(shù)，順應(yīng)技術(shù)變革，為新的飛行器設(shè)計和新的商業(yè)模式提供創(chuàng)新性解決方案，滿足人們對更大流動性的期望，解決城市中心的擁堵問題，滿足缺乏公路和鐵路網(wǎng)絡(luò)地區(qū)的交通需求。這兩大因素推動了新一代航空飛行器朝著電氣化方向發(fā)展，除了其他機載系統(tǒng)向全電、多電方向發(fā)展，推進(jìn)系統(tǒng)也在向電氣化方向過渡，基于電動和混合動力推進(jìn)系統(tǒng)的電動垂直起降（eVTOL）飛行器、通用飛機和支線客機已經(jīng)出現(xiàn)，技術(shù)和市場需求也日漸增長。

混合電推進(jìn)是支線客機的重要選項

與傳統(tǒng)燃油飛機相比，電推進(jìn)和混合電推進(jìn)飛機具有低噪聲和低排放的優(yōu)點，電推進(jìn)更是可以做到零排放，其節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)勢對民用飛機極具吸引力，特別是在全球民航運輸越來越強調(diào)綠色和環(huán)保的今天。

雖然在較長的時間內(nèi)，傳統(tǒng)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機仍然是主要的航空動力裝置，特別是對大型飛機而言，但飛機推進(jìn)系統(tǒng)的電氣化幾乎是一種必然趨勢。有鑒于技術(shù)發(fā)展的限制，支線客機乃至干線客機都無法在短期內(nèi)實現(xiàn)全電推進(jìn)，主要原因是電機的功率密度和電池的能量密度不足。

如果要為大型飛機飛行至少幾小時提供所需的幾十兆瓦電力，那么必須將當(dāng)前的電池能量密度至少提高10倍。即便能量密度可以達(dá)到目前電動汽車所能提供的5倍，長途飛行（5000km以上）也需要170t電池，而空客A320和波音737這類客機的最大起飛質(zhì)量也只有80t左右。對于支線客機，以ATR42飛機為例，如果該級別飛機采用全電系統(tǒng)，為了實現(xiàn)與傳統(tǒng)渦槳飛機相同的載荷，并實現(xiàn)相同的航程（2000km左右），按目前的技術(shù)，電池質(zhì)量將達(dá)到21t，而飛機的空重才18t。因而，即使是一架2030年前后投入市場的19座飛機，也不能采用全電推進(jìn)，只能是采用混合電推進(jìn)，并且電力提供的功率比例還比較低。

因此，融合了電推進(jìn)和燃油動力系統(tǒng)優(yōu)勢的混合電推進(jìn)系統(tǒng)就成了支線客機，乃至干線飛機的重要動力選項。在起飛、爬升、著陸、滑行階段，傳統(tǒng)航空發(fā)動機的效率較低，而混合電推進(jìn)系統(tǒng)則可以在這些階段利用電推進(jìn)系統(tǒng)，讓航空發(fā)動機始終維持在最佳效率的狀態(tài)運行。尤其對于中短程飛機而言，由于起飛、爬升、著陸、滑行階段的時間占總飛行時間的比例較高，使用混合電推進(jìn)系統(tǒng)能夠明顯節(jié)省燃油、降低噪聲。因此，混合電推進(jìn)技術(shù)十分適合航程較短、使用頻率較高的支線客機。相關(guān)研究表明，采用混合電推進(jìn)系統(tǒng)的支線客機在經(jīng)濟性上可以與鐵路相比擬，而且隨著新一代電力技術(shù)的發(fā)展，未來的混合動力支線客機將比現(xiàn)有的渦槳和噴氣支線客機更安靜、起飛距離更短，混合電推進(jìn)支線客機的優(yōu)勢將愈發(fā)凸顯。

美國Zunum航空是混合電推進(jìn)支線客機的積極推動者，公司在經(jīng)過市場研究后發(fā)現(xiàn)，由于近年美國支線航空市場不斷衰退，致使部分支線機場和通航機場的利用率較低，而這些機場卻可為發(fā)展混合電推進(jìn)支線客機提供便利條件，利用這些機場建立混合電推進(jìn)支線網(wǎng)絡(luò)，將可為旅客提供比高速公路、鐵路和大型客機更便捷靈活和更廉價的交通服務(wù)。

NASA STARC-ABL方案

混合電推進(jìn)系統(tǒng)在支線客機上的應(yīng)用研究

2017年6月，在美國丹佛舉行的美國航空航天學(xué)會（AIAA）年會上，美國國家航空航天局（NASA）展示了一種“飛馬”混合電推進(jìn)支線客機概念。該設(shè)計概念基于ATR42-500，載客48人、概念航程1100km。研究發(fā)現(xiàn)，如果要使全部能源消耗低于常規(guī)的渦槳推進(jìn)，電池能量密度必須大于0.5kW·h/kg，而目前最好的商用電池能源密度約為0.25kW·h/kg，航空燃油則為12kW·h/kg。另外，即使電池能量密度達(dá)到0.5kW·h/kg，飛機的質(zhì)量也更大、能源成本也更高（75%電推進(jìn)的飛機質(zhì)量是渦槳飛機的2.3倍、能源成本高10%），經(jīng)濟性不太令人滿意。隨著能量密度的增加，質(zhì)量和成本的代價逐漸降低，采用1kW·h/kg電池能量密度的電推進(jìn)飛機只比渦槳飛機重39%，而能源成本低23%。

2017年7月，在亞特蘭大舉辦的AIAA推進(jìn)與能源論壇上，NASA展示了一種單通道帶后置邊界層推進(jìn)的渦輪電動推進(jìn)飛機（STARC-ABL）設(shè)計概念，它是在空客A320、波音737同級別客機尾部嵌入后部風(fēng)扇。該風(fēng)扇可采用機械或電驅(qū)動，2.6MW的電動機由翼下懸掛的兩臺渦扇發(fā)動機驅(qū)動的發(fā)電機供電。風(fēng)扇吸入機體上緩慢運動的邊界層氣流、為尾流重新供能，從而降低阻力，因此可允許使用尺寸更小的渦輪發(fā)動機，與常規(guī)構(gòu)型飛機相比，油耗可降低7%～12%。根據(jù)NASA的計劃，STARC-ABL方案將作為噴氣支線機或單通道干線機X驗證機方案進(jìn)行后期的各項試驗驗證。如果進(jìn)展順利，NASA計劃在2025年開始試飛，用于驗證2035年左右服役的單通道客機的關(guān)鍵技術(shù)。2018年2月，NASA宣布將在2019年投入2.31億美元用于超導(dǎo)電機的研發(fā)，目標(biāo)直指5～10MW商用飛機混合電推進(jìn)系統(tǒng)。此計劃還包括在NASA電推進(jìn)飛機試驗臺（NEAT）上測試兆瓦級的動力系統(tǒng)，將其作為STARC-ABL項目2.6MW電力系統(tǒng)的縮比驗證。

2017年12月，空客、羅羅和西門子等公司宣布合作研發(fā)一款混合電推進(jìn)驗證機E-Fan X，該驗證機使用一架BAe146支線客機作為飛行測試平臺，4臺渦扇發(fā)動機中的1臺將被2MW的電動機取代。該飛機計劃2020年開始飛行驗證，一旦系統(tǒng)成熟性得到驗證后，飛機的另外1臺渦扇發(fā)動機也將被電動機取代。E-Fan X飛機項目動力采用串聯(lián)混合電推進(jìn)結(jié)構(gòu)，將研究熱管理、電磁干擾以及與高空大功率電系統(tǒng)有關(guān)的電弧、局部放電和輻射效應(yīng)等。根據(jù)空客公司的長遠(yuǎn)規(guī)劃，E-Fan X項目將為下一代50～100座級的混合電推進(jìn)支線客機作技術(shù)儲備。如果項目進(jìn)展順利，空客公司計劃于2030年將新一代混合電推進(jìn)支線客機投入運營。

除了參與E-Fan X項目，西門子公司還為美國Bye航宇公司的兩座的“太陽鳥2”和4座的“太陽鳥4”飛機提供電動機，這兩款飛機都是電動飛機，主要用于訓(xùn)練和通用航空市場。

2019年7月19日，在英國皇家國際航空展上，空客公司推出了“猛禽”混合電推進(jìn)支線客機概念，主要是針對支線航空運輸需求，采用渦槳混合電推進(jìn)系統(tǒng)，在構(gòu)型設(shè)計上受到鳥類高效的飛行動力學(xué)啟發(fā)，其機翼和尾翼模仿了猛禽的生理結(jié)構(gòu)，特別是其機翼和尾翼均安上了可獨立控制的“羽毛”機構(gòu)，能夠提供主動飛行控制能力。

ATR是空客和萊奧納多的平股合資公司，現(xiàn)有ATR42和ATR72兩個系列的渦槳支線飛機，其未來的產(chǎn)品策略是尋求開發(fā)90座級的采用傳統(tǒng)航空發(fā)動機的支線客機并對現(xiàn)有飛機進(jìn)行改進(jìn)。而公司對現(xiàn)有支線客機產(chǎn)品改進(jìn)的方向則是考慮采用混合電推進(jìn)系統(tǒng)。正如前述，至少在2030年以前，即使是19座級的支線客機采用全電推進(jìn)也是不現(xiàn)實的，更不用說座級更大的支線客機。

巴西航空工業(yè)公司既擁有渦槳支線客機ERJ145系列，也擁有噴氣支線系列ERJ170/175、ERJ190/195。其中，ERJ170/175、ERJ190/195客機已經(jīng)換裝了普惠公司的PW1900G齒輪傳動渦扇發(fā)動機，換發(fā)后的飛機稱為E2系列，公司正在研究的新支線客機為E3系列。在新項目中，該公司也在研究更低成本的動力方案，聲稱正在持續(xù)關(guān)注混合電推進(jìn)技術(shù)，一旦這項技術(shù)成熟，E3系列將是采用混合電推進(jìn)系統(tǒng)的大型支線客機。不過，公司也需要看其合作伙伴波音公司是否愿意進(jìn)入支線市場，因為支線航空市場的需求相對比較薄弱。

混合電推進(jìn)和全電推進(jìn)更受初創(chuàng)公司親睞

初創(chuàng)公司關(guān)注的重點是電推進(jìn)系統(tǒng)和更低的能源成本，這是新型飛機與傳統(tǒng)飛機競爭的關(guān)鍵所在。大多數(shù)初創(chuàng)公司關(guān)注混合電推進(jìn)系統(tǒng)，也有一部分關(guān)注全電推進(jìn)。但限于當(dāng)前電池技術(shù)水平，所有的初創(chuàng)公司都關(guān)注座級較小的飛機，特別是9～12座級的飛機。

波音和捷藍(lán)航空共同投資的Zunum公司，正在開發(fā)一種采用混合電推進(jìn)的12座支線客機ZA10，由一個500kW的渦輪-發(fā)電機和500kW的電池組聯(lián)合為兩個500kW的電驅(qū)動涵道風(fēng)扇提供動力。渦輪-發(fā)電機組合中，渦輪發(fā)動機選用了賽峰集團(tuán)的阿蒂丹3Z渦軸發(fā)動機，由其帶動發(fā)電機，形成一個500kW的渦輪-發(fā)電機組。目前，賽峰集團(tuán)正在開發(fā)阿蒂丹3Z發(fā)動機，而Zunum公司正在自主開發(fā)電動機和涵道風(fēng)扇。

同時，Zunum公司還在開發(fā)一款12座級的混合動力支線客機ZA12，這將是公司第一款投入使用的飛機，公司計劃于2022年完成該型飛機的取證和交付。ZA12支線客機的電池質(zhì)量不到飛機最大起飛質(zhì)量的20%，并攜帶了363kg的燃料供燃?xì)鉁u輪發(fā)動機使用，以增加飛機的航程，飛機攜帶的航空燃油比皮拉圖斯PC-12飛機攜帶的1225kg的燃料少了70%。ZA12的電池模塊安裝在機翼中，將來可更換更先進(jìn)的電池，甚至在飛機C檢時就能完成。而且，Zunum公司還設(shè)想允許運營商在兩次飛行之間為電池充電或更換電池，節(jié)省停留時間。如果ZA12項目進(jìn)展順利，公司將繼續(xù)開發(fā)50座級、航程更遠(yuǎn)的混合電推進(jìn)支線客機ZA50，該機預(yù)計于2030年前問世，運營成本將低于龐巴迪公司的Q400。

法國初創(chuàng)公司VoltAero，正在開發(fā)4～9座的Cassio混合電推進(jìn)飛機，該機將有4座、6座和9座3個版本。美國初創(chuàng)公司W(wǎng)right電氣公司計劃與西班牙Axter航空公司合作研制9座的混合電推進(jìn)驗證機，該驗證機將于2019年試飛，該公司的遠(yuǎn)期目標(biāo)是開發(fā)一款180座的全電推進(jìn)窄體客機。以色列的Eviation公司正在制造一款9座的全電飛機Alice。

一部分初創(chuàng)公司致力于開發(fā)新型飛機，而另外一些初創(chuàng)公司則致力于將現(xiàn)有飛機改裝為電動推進(jìn)。美國Ampaire公司計劃與小型運營商一起將他們現(xiàn)有的燃油飛機改裝為混合電推進(jìn)飛機，目標(biāo)平臺包括“大篷車”飛機和“空中國王”飛機。該公司將賽斯納337“天空大師”飛機作為其混合電推進(jìn)系統(tǒng)的試驗平臺。2019年6月，Ampaire公司完成了6座并聯(lián)混合電推進(jìn)飛機Ampaire337的首飛，該機是目前已經(jīng)完成試飛的最大的商用電動飛機。Ampaire公司還計劃在年底利用一架Ampaire337預(yù)生產(chǎn)型在夏威夷莫庫勒勒（Mokulele）航空公司的航線上飛行。此外，還有另外幾家初創(chuàng)公司也準(zhǔn)備對現(xiàn)有飛機進(jìn)行電推進(jìn)改裝，針對目標(biāo)都是 “大篷車”“空中國王”這類9～12座級的飛機。

Zunum公司ZA10支線客機

結(jié)束語

值得一提的是，雖然支線客機向電推進(jìn)方向發(fā)展的趨勢日益顯著，但仍然面臨許多未知因素的限制。不論是混合電推進(jìn)，還是全電推進(jìn)，即便解決了電池能量密度、電機功率密度這些關(guān)鍵性的問題，但還會面臨其他的問題，比如電壓問題。電推進(jìn)飛機需要通過電纜輸送電壓超過1000V的電流，其電氣系統(tǒng)將處于高壓狀態(tài)。這對在地面運行的火車而言不算什么難事，但對于在萬米高空飛行的飛機來說，加裝任何保護(hù)裝置（絕緣、散熱等）都很困難，因為所有這些都會增加質(zhì)量。另外，由于高電壓的物理特性在對流層與在地面有所不同，空中高壓系統(tǒng)管理也是一門全新的學(xué)科，研究才剛剛起步。除了技術(shù)方面，還有適航管理：電力飛機須采用新的適航管理條例，這需要適航管理部門對適航管理條例進(jìn)行增補、修訂和更新。此外，在社會影響方面，采取新型動力系統(tǒng)的飛機會被社會接受嗎？從地緣政治角度看，這些電氣技術(shù)（尤其是電池）勢必會用到稀土材料，這會引發(fā)社會爭議以及供應(yīng)鏈的可持續(xù)發(fā)展問題。

總之，未來支線航空動力的發(fā)展是機遇與挑戰(zhàn)并存的，仍需在技術(shù)、市場和社會環(huán)境等領(lǐng)域進(jìn)行更多的開拓和發(fā)展。但有一點是肯定的，那就是混合電推進(jìn)應(yīng)用的曙光已經(jīng)出現(xiàn)。