支線客機(jī)的混合電推進(jìn)之路

■ 廖忠權(quán) / 中國(guó)航發(fā)研究院

毫無(wú)疑問，全電飛機(jī)是未來的發(fā)展方向。但是，受制于電機(jī)和電池技術(shù)，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)及推進(jìn)系統(tǒng)的全電化尚需時(shí)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(duì)通往未來道路的鋪墊。

隨著世界經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，人們的航空出行需求在不斷增長(zhǎng)。當(dāng)前及未來較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，推動(dòng)航空運(yùn)輸業(yè)增長(zhǎng)的因素主要有兩個(gè)：一個(gè)是必須應(yīng)對(duì)可持續(xù)發(fā)展的挑戰(zhàn)，通過減少對(duì)環(huán)境的影響，讓人們更容易接受空中交通的增長(zhǎng)；另一個(gè)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(jì)和新的商業(yè)模式提供創(chuàng)新性解決方案，滿足人們對(duì)更大流動(dòng)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(dòng)了新一代航空飛行器朝著電氣化方向發(fā)展，除了其他機(jī)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(dòng)和混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的電動(dòng)垂直起降（eVTOL）飛行器、通用飛機(jī)和支線客機(jī)已經(jīng)出現(xiàn)，技術(shù)和市場(chǎng)需求也日漸增長(zhǎng)。

混合電推進(jìn)是支線客機(jī)的重要選項(xiàng)

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

雖然在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，傳統(tǒng)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)仍然是主要的航空動(dòng)力裝置，特別是對(duì)大型飛機(jī)而言，但飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的電氣化幾乎是一種必然趨勢(shì)。有鑒于技術(shù)發(fā)展的限制，支線客機(jī)乃至干線客機(jī)都無(wú)法在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)全電推進(jìn)，主要原因是電機(jī)的功率密度和電池的能量密度不足。

如果要為大型飛機(jī)飛行至少幾小時(shí)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(dòng)汽車所能提供的5倍，長(zhǎng)途飛行（5000km以上）也需要170t電池，而空客A320和波音737這類客機(jī)的最大起飛質(zhì)量也只有80t左右。對(duì)于支線客機(jī)，以ATR42飛機(jī)為例，如果該級(jí)別飛機(jī)采用全電系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)渦槳飛機(jī)相同的載荷，并實(shí)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(jī)的空重才18t。因而，即使是一架2030年前后投入市場(chǎng)的19座飛機(jī)，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(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)的混合電推進(jìn)系統(tǒng)就成了支線客機(jī)，乃至干線飛機(jī)的重要?jiǎng)恿x項(xiàng)。在起飛、爬升、著陸、滑行階段，傳統(tǒng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)始終維持在最佳效率的狀態(tài)運(yùn)行。尤其對(duì)于中短程飛機(jī)而言，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(jī)。相關(guān)研究表明，采用混合電推進(jìn)系統(tǒng)的支線客機(jī)在經(jīng)濟(jì)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(dòng)力支線客機(jī)將比現(xiàn)有的渦槳和噴氣支線客機(jī)更安靜、起飛距離更短，混合電推進(jìn)支線客機(jī)的優(yōu)勢(shì)將愈發(fā)凸顯。

美國(guó)Zunum航空是混合電推進(jìn)支線客機(jī)的積極推動(dòng)者，公司在經(jīng)過市場(chǎng)研究后發(fā)現(xiàn)，由于近年美國(guó)支線航空市場(chǎng)不斷衰退，致使部分支線機(jī)場(chǎng)和通航機(jī)場(chǎng)的利用率較低，而這些機(jī)場(chǎng)卻可為發(fā)展混合電推進(jìn)支線客機(jī)提供便利條件，利用這些機(jī)場(chǎng)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(jī)更便捷靈活和更廉價(jià)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(jī)上的應(yīng)用研究

2017年6月，在美國(guó)丹佛舉行的美國(guó)航空航天學(xué)會(huì)（AIAA）年會(huì)上，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）展示了一種“飛馬”混合電推進(jìn)支線客機(jī)概念。該設(shè)計(jì)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(jī)的質(zhì)量也更大、能源成本也更高（75%電推進(jìn)的飛機(jī)質(zhì)量是渦槳飛機(jī)的2.3倍、能源成本高10%），經(jīng)濟(jì)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(jià)逐漸降低，采用1kW·h/kg電池能量密度的電推進(jìn)飛機(jī)只比渦槳飛機(jī)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(dòng)推進(jìn)飛機(jī)（STARC-ABL）設(shè)計(jì)概念，它是在空客A320、波音737同級(jí)別客機(jī)尾部嵌入后部風(fēng)扇。該風(fēng)扇可采用機(jī)械或電驅(qū)動(dòng)，2.6MW的電動(dòng)機(jī)由翼下懸掛的兩臺(tái)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)供電。風(fēng)扇吸入機(jī)體上緩慢運(yùn)動(dòng)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(dòng)機(jī)，與常規(guī)構(gòu)型飛機(jī)相比，油耗可降低7%～12%。根據(jù)NASA的計(jì)劃，STARC-ABL方案將作為噴氣支線機(jī)或單通道干線機(jī)X驗(yàn)證機(jī)方案進(jìn)行后期的各項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證。如果進(jìn)展順利，NASA計(jì)劃在2025年開始試飛，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)。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(jī)的研發(fā)，目標(biāo)直指5～10MW商用飛機(jī)混合電推進(jìn)系統(tǒng)。此計(jì)劃還包括在NASA電推進(jìn)飛機(jī)試驗(yàn)臺(tái)（NEAT）上測(cè)試兆瓦級(jí)的動(dòng)力系統(tǒng)，將其作為STARC-ABL項(xiàng)目2.6MW電力系統(tǒng)的縮比驗(yàn)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(yàn)證機(jī)E-Fan X，該驗(yàn)證機(jī)使用一架BAe146支線客機(jī)作為飛行測(cè)試平臺(tái)，4臺(tái)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中的1臺(tái)將被2MW的電動(dòng)機(jī)取代。該飛機(jī)計(jì)劃2020年開始飛行驗(yàn)證，一旦系統(tǒng)成熟性得到驗(yàn)證后，飛機(jī)的另外1臺(tái)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)也將被電動(dòng)機(jī)取代。E-Fan X飛機(jī)項(xiàng)目動(dòng)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(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃，E-Fan X項(xiàng)目將為下一代50～100座級(jí)的混合電推進(jìn)支線客機(jī)作技術(shù)儲(chǔ)備。如果項(xiàng)目進(jìn)展順利，空客公司計(jì)劃于2030年將新一代混合電推進(jìn)支線客機(jī)投入運(yùn)營(yíng)。

除了參與E-Fan X項(xiàng)目，西門子公司還為美國(guó)Bye航宇公司的兩座的“太陽(yáng)鳥2”和4座的“太陽(yáng)鳥4”飛機(jī)提供電動(dòng)機(jī)，這兩款飛機(jī)都是電動(dòng)飛機(jī)，主要用于訓(xùn)練和通用航空市場(chǎng)。

2019年7月19日，在英國(guó)皇家國(guó)際航空展上，空客公司推出了“猛禽”混合電推進(jìn)支線客機(jī)概念，主要是針對(duì)支線航空運(yùn)輸需求，采用渦槳混合電推進(jìn)系統(tǒng)，在構(gòu)型設(shè)計(jì)上受到鳥類高效的飛行動(dòng)力學(xué)啟發(fā)，其機(jī)翼和尾翼模仿了猛禽的生理結(jié)構(gòu)，特別是其機(jī)翼和尾翼均安上了可獨(dú)立控制的“羽毛”機(jī)構(gòu)，能夠提供主動(dòng)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(gè)系列的渦槳支線飛機(jī)，其未來的產(chǎn)品策略是尋求開發(fā)90座級(jí)的采用傳統(tǒng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的支線客機(jī)并對(duì)現(xiàn)有飛機(jī)進(jìn)行改進(jìn)。而公司對(duì)現(xiàn)有支線客機(jī)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(jí)的支線客機(jī)采用全電推進(jìn)也是不現(xiàn)實(shí)的，更不用說座級(jí)更大的支線客機(jī)。

巴西航空工業(yè)公司既擁有渦槳支線客機(jī)ERJ145系列，也擁有噴氣支線系列ERJ170/175、ERJ190/195。其中，ERJ170/175、ERJ190/195客機(jī)已經(jīng)換裝了普惠公司的PW1900G齒輪傳動(dòng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，換發(fā)后的飛機(jī)稱為E2系列，公司正在研究的新支線客機(jī)為E3系列。在新項(xiàng)目中，該公司也在研究更低成本的動(dòng)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(xiàng)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(jī)。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(chǎng)，因?yàn)橹Ь€航空市場(chǎng)的需求相對(duì)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(diǎn)是電推進(jìn)系統(tǒng)和更低的能源成本，這是新型飛機(jī)與傳統(tǒng)飛機(jī)競(jìng)爭(zhēng)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(jí)較小的飛機(jī)，特別是9～12座級(jí)的飛機(jī)。

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(jī)ZA10，由一個(gè)500kW的渦輪-發(fā)電機(jī)和500kW的電池組聯(lián)合為兩個(gè)500kW的電驅(qū)動(dòng)涵道風(fēng)扇提供動(dòng)力。渦輪-發(fā)電機(jī)組合中，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)選用了賽峰集團(tuán)的阿蒂丹3Z渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，由其帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，形成一個(gè)500kW的渦輪-發(fā)電機(jī)組。目前，賽峰集團(tuán)正在開發(fā)阿蒂丹3Z發(fā)動(dòng)機(jī)，而Zunum公司正在自主開發(fā)電動(dòng)機(jī)和涵道風(fēng)扇。

同時(shí)，Zunum公司還在開發(fā)一款12座級(jí)的混合動(dòng)力支線客機(jī)ZA12，這將是公司第一款投入使用的飛機(jī)，公司計(jì)劃于2022年完成該型飛機(jī)的取證和交付。ZA12支線客機(jī)的電池質(zhì)量不到飛機(jī)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(dòng)機(jī)使用，以增加飛機(jī)的航程，飛機(jī)攜帶的航空燃油比皮拉圖斯PC-12飛機(jī)攜帶的1225kg的燃料少了70%。ZA12的電池模塊安裝在機(jī)翼中，將來可更換更先進(jìn)的電池，甚至在飛機(jī)C檢時(shí)就能完成。而且，Zunum公司還設(shè)想允許運(yùn)營(yíng)商在兩次飛行之間為電池充電或更換電池，節(jié)省停留時(shí)間。如果ZA12項(xiàng)目進(jìn)展順利，公司將繼續(xù)開發(fā)50座級(jí)、航程更遠(yuǎn)的混合電推進(jìn)支線客機(jī)ZA50，該機(jī)預(yù)計(jì)于2030年前問世，運(yùn)營(yíng)成本將低于龐巴迪公司的Q400。

法國(guó)初創(chuàng)公司VoltAero，正在開發(fā)4～9座的Cassio混合電推進(jìn)飛機(jī)，該機(jī)將有4座、6座和9座3個(gè)版本。美國(guó)初創(chuàng)公司W(wǎng)right電氣公司計(jì)劃與西班牙Axter航空公司合作研制9座的混合電推進(jìn)驗(yàn)證機(jī)，該驗(yàn)證機(jī)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(jī)。以色列的Eviation公司正在制造一款9座的全電飛機(jī)Alice。

一部分初創(chuàng)公司致力于開發(fā)新型飛機(jī)，而另外一些初創(chuàng)公司則致力于將現(xiàn)有飛機(jī)改裝為電動(dòng)推進(jìn)。美國(guó)Ampaire公司計(jì)劃與小型運(yùn)營(yíng)商一起將他們現(xiàn)有的燃油飛機(jī)改裝為混合電推進(jìn)飛機(jī)，目標(biāo)平臺(tái)包括“大篷車”飛機(jī)和“空中國(guó)王”飛機(jī)。該公司將賽斯納337“天空大師”飛機(jī)作為其混合電推進(jìn)系統(tǒng)的試驗(yàn)平臺(tái)。2019年6月，Ampaire公司完成了6座并聯(lián)混合電推進(jìn)飛機(jī)Ampaire337的首飛，該機(jī)是目前已經(jīng)完成試飛的最大的商用電動(dòng)飛機(jī)。Ampaire公司還計(jì)劃在年底利用一架Ampaire337預(yù)生產(chǎn)型在夏威夷莫庫(kù)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(duì)現(xiàn)有飛機(jī)進(jìn)行電推進(jìn)改裝，針對(duì)目標(biāo)都是 “大篷車”“空中國(guó)王”這類9～12座級(jí)的飛機(jī)。

Zunum公司ZA10支線客機(jī)

結(jié)束語(yǔ)

值得一提的是，雖然支線客機(jī)向電推進(jìn)方向發(fā)展的趨勢(shì)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(jī)功率密度這些關(guān)鍵性的問題，但還會(huì)面臨其他的問題，比如電壓?jiǎn)栴}。電推進(jìn)飛機(jī)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(duì)在地面運(yùn)行的火車而言不算什么難事，但對(duì)于在萬(wàn)米高空飛行的飛機(jī)來說，加裝任何保護(hù)裝置（絕緣、散熱等）都很困難，因?yàn)樗羞@些都會(huì)增加質(zhì)量。另外，由于高電壓的物理特性在對(duì)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(jī)須采用新的適航管理?xiàng)l例，這需要適航管理部門對(duì)適航管理?xiàng)l例進(jìn)行增補(bǔ)、修訂和更新。此外，在社會(huì)影響方面，采取新型動(dòng)力系統(tǒng)的飛機(jī)會(huì)被社會(huì)接受嗎？從地緣政治角度看，這些電氣技術(shù)（尤其是電池）勢(shì)必會(huì)用到稀土材料，這會(huì)引發(fā)社會(huì)爭(zhēng)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(dòng)力的發(fā)展是機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存的，仍需在技術(shù)、市場(chǎng)和社會(huì)環(huán)境等領(lǐng)域進(jìn)行更多的開拓和發(fā)展。但有一點(diǎn)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)。