電動(dòng)飛行器及其關(guān)鍵技術(shù)的研究探析

摘要：近年來(lái)，隨著人們對(duì)綠色環(huán)保、清潔藍(lán)天美好生活的向往，飛行器減少污染排放、降低噪聲，已成為主要研究任務(wù)，因而電動(dòng)飛行器技術(shù)成為航空科技發(fā)展的熱點(diǎn)。它與傳統(tǒng)飛行器設(shè)計(jì)理念不同，采用能源按需配置的設(shè)計(jì)思想，極大提升飛行器的飛行品質(zhì)。本文介紹了電動(dòng)飛行器的概念和內(nèi)涵、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，分析了電動(dòng)飛行器的高能量密度電池、總體/氣動(dòng)/動(dòng)力綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)、高效電機(jī)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，展望了電動(dòng)飛行器的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)飛行器；高能量密度電池；高效電機(jī)；配電技術(shù)

中圖分類號(hào)：V272文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.06.001

電動(dòng)飛行器的概念是從電動(dòng)汽車演變而來(lái)。電動(dòng)飛行器是指完全采用電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置，產(chǎn)生前進(jìn)動(dòng)力的飛行器，從動(dòng)力形式上顛覆了傳統(tǒng)飛行器。能量來(lái)源主要有化學(xué)電池、燃料電池、太陽(yáng)能電池、超級(jí)電容和其他類型電池。

電動(dòng)飛行器具有高效率、低噪聲、低排放等優(yōu)勢(shì)。此外，還具有安全可靠（燃料泄漏）、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單（無(wú)進(jìn)氣道、供油裝置等）、操作使用簡(jiǎn)便、費(fèi)效比高等特點(diǎn)。在飛行器總體設(shè)計(jì)上，可采用先進(jìn)氣動(dòng)布局，避免燃油飛行器的飛發(fā)匹配帶來(lái)的設(shè)計(jì)難題[1]。

1電動(dòng)飛行器的研究現(xiàn)狀

1.1研究現(xiàn)狀

在飛行器發(fā)展過(guò)程中，人們對(duì)電動(dòng)飛行器研究從未停息。電推進(jìn)在飛行器上的應(yīng)用最早是Kilgore等在20世紀(jì)40年代提出的用發(fā)電機(jī)發(fā)電驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)多個(gè)螺旋槳旋轉(zhuǎn)的飛行器電推進(jìn)系統(tǒng)方案，并申請(qǐng)了美國(guó)專利。由于功率重量（質(zhì)量）比不足，這些技術(shù)只能應(yīng)用于大展弦比的低速無(wú)人機(jī)上。1957年，“無(wú)線電皇后”號(hào)在英國(guó)試飛成功，這是世界上第一架使用銀鋅電池和永磁電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)模型飛機(jī)；1980年，“游絲企鵝”號(hào)（Gossamer Penguin）實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能電動(dòng)飛行器的首次載人飛行；2009年，DLR-H2在德國(guó)試飛成功，這是第一款燃料電池?zé)o人機(jī)；2015年，E-fan技術(shù)驗(yàn)證機(jī)飛越了英吉利海峽[2]。

考慮到電動(dòng)飛行器的廣闊前景，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）、德國(guó)航空航天研究院等國(guó)家級(jí)航空研究機(jī)構(gòu)，波音、空客等傳統(tǒng)航空巨頭，GE、普惠和羅羅等發(fā)動(dòng)機(jī)公司，勞斯萊斯、特斯拉等汽車公司，優(yōu)步、西門子等新興公司均開(kāi)展了關(guān)于電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)的相關(guān)研究。國(guó)內(nèi)開(kāi)展電動(dòng)飛機(jī)的研究工作也較早，“十五”期間，中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)有限公司已開(kāi)展了相關(guān)研究工作。2019年，國(guó)內(nèi)首架四座電動(dòng)飛機(jī)首飛成功，但中大型、遠(yuǎn)程電動(dòng)飛行器有待進(jìn)一步突破[3]。

1.2主要項(xiàng)目

1.2.1 E430雙座電動(dòng)飛機(jī)

E430電動(dòng)飛機(jī)由田瑜先生設(shè)計(jì)，并成功獲得適航證，這是國(guó)內(nèi)第一架獲得歐洲適航證的雙座電動(dòng)飛機(jī)，標(biāo)志著我國(guó)電動(dòng)飛機(jī)在通航市場(chǎng)上取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展（見(jiàn)圖1）。

E430電動(dòng)飛行器采用雙座設(shè)計(jì)，機(jī)體結(jié)構(gòu)為碳纖維復(fù)合材料，推進(jìn)系統(tǒng)完全采用無(wú)刷電機(jī)，能源系統(tǒng)為鋰電池。E430采用常規(guī)布局，V形尾翼，翼展13.8m，電機(jī)功率為45kW，最大起飛重量470kg，最高時(shí)速160km/h，最大續(xù)航時(shí)間為2.5h。E430擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，它的出現(xiàn)，標(biāo)志著我國(guó)在電動(dòng)飛機(jī)領(lǐng)域與世界同步發(fā)展、同場(chǎng)競(jìng)技，也堅(jiān)定了我國(guó)著力發(fā)展電動(dòng)飛行器的信心[4]。

1.2.2 RX4E四座電動(dòng)飛機(jī)

2019年10月，國(guó)內(nèi)具有完全自主產(chǎn)權(quán)的電動(dòng)飛機(jī)——銳翔（RX4E）在沈陽(yáng)財(cái)湖機(jī)場(chǎng)首飛成功。RX4E的成功研制，進(jìn)一步提升了國(guó)內(nèi)電動(dòng)飛機(jī)的聲望和能力，同時(shí)也填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)四座電動(dòng)飛機(jī)的空白[5]（見(jiàn)圖2）。

RX4E是由遼寧通用航空研究院立項(xiàng)研制的，嚴(yán)格按照《中國(guó)民用航空規(guī)章》（CCAR）的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，總體方案采用上單翼、低平尾、前置螺旋槳的常規(guī)布局，座艙為雙排四座，翼展13.5m，機(jī)長(zhǎng)8.4m，起飛重量1200kg，電機(jī)最大功率140kW，巡航速度200km/h，續(xù)航時(shí)間1.5h，航程300km，對(duì)起降場(chǎng)地的平整度和長(zhǎng)度要求低[4]。此外，全機(jī)的復(fù)材結(jié)構(gòu)占比達(dá)到77%。首次采用余度電驅(qū)動(dòng)技術(shù)和能量密度超300W？h/kg的電芯，極大地提高了飛機(jī)的性能，該技術(shù)處于國(guó)際領(lǐng)先水平。

1.2.3 Elektra One單座電動(dòng)飛機(jī)

Elektra One是德國(guó)PC-Aero研制的單座電動(dòng)飛機(jī)，如圖3所示，能源系統(tǒng)采用鋰聚合物電池，推進(jìn)系統(tǒng)為一臺(tái)16kW電機(jī)，最大速度為161km/h，空載重量為100kg、起飛重量為300kg，最大航程為500km，續(xù)航時(shí)間為3h，2011年初實(shí)現(xiàn)首飛[4]。Elektra One配有太陽(yáng)能裝置和太陽(yáng)能供電機(jī)庫(kù)，當(dāng)飛機(jī)停放到機(jī)庫(kù)后，機(jī)庫(kù)屋頂安裝的太陽(yáng)能電池板能給飛機(jī)電池充電[6]。

1.2.4 E-Fan雙座電動(dòng)飛機(jī)

E-Fan是世界首架依靠自身動(dòng)力起飛并成功飛越英吉利海峽的電動(dòng)飛機(jī)，是由歐洲空客公司研制的電動(dòng)雙座飛機(jī)（見(jiàn)圖4），能源系統(tǒng)為鋰電池，由兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)涵道風(fēng)扇產(chǎn)生推力。E-Fan電動(dòng)飛機(jī)第一次公開(kāi)展出是在2013年巴黎航展，現(xiàn)已完成了100余次試飛，累計(jì)飛行時(shí)間超過(guò)50h。在總體設(shè)計(jì)上，E-Fan采用了流線型機(jī)身、下單翼和T形尾翼，機(jī)身長(zhǎng)度為6.67m，翼展9.5m，升阻比達(dá)到16，機(jī)體采用全碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，空機(jī)重量約600kg，機(jī)身長(zhǎng)約6.7m，翼展約9.5m，最大飛行速度為220km/h，升限為1000m，續(xù)航時(shí)間為1h。2015年5月，空客公司宣布將建成第一條E-Fan全電動(dòng)飛機(jī)總裝線，首架E-Fan電動(dòng)飛機(jī)2017年年底投入運(yùn)營(yíng)[2]。

1.2.5 Extra 330LE四座電動(dòng)飛機(jī)

Extra 330LE電動(dòng)飛機(jī)是西門子公司計(jì)劃進(jìn)入電動(dòng)飛機(jī)的第一款試驗(yàn)機(jī)（見(jiàn)圖5），已于2016年7月成功完成首飛。Extra 330LE電動(dòng)飛機(jī)空機(jī)重量約1000kg，其引人注意的是優(yōu)越的爬升能量，曾在4min22s內(nèi)達(dá)到3000m的高度，爬升速度為11.5m/s，該成績(jī)創(chuàng)造了同級(jí)別飛機(jī)爬升速度的世界紀(jì)錄[7]。

Extra 330LE電動(dòng)飛機(jī)配備的電機(jī)是功率重量比最優(yōu)，該電機(jī)重量?jī)H為50kg，能提供大約260kW的連續(xù)輸出功率，該功率是同級(jí)別驅(qū)動(dòng)裝置所能提供功率的5倍左右。當(dāng)前，西門子公司已經(jīng)同意將高性能電機(jī)技術(shù)應(yīng)用推廣和轉(zhuǎn)讓，以便共同推動(dòng)電動(dòng)飛機(jī)的快速發(fā)展。

1.2.6 ACCEL單座電動(dòng)飛機(jī)

ACCEL單座電動(dòng)飛機(jī)由勞斯萊斯公司研制，是公開(kāi)報(bào)道速度最快的電動(dòng)飛機(jī)，最大速度可達(dá)到480km/h。能源系統(tǒng)采用鋰電池組，該電池組具有6000個(gè)電池單元，可產(chǎn)生高達(dá)750kW的功率，一次充電續(xù)航里程320km。此外，其動(dòng)力系統(tǒng)的效率高達(dá)90%，比F1賽車的效率還要高出近一倍。

2電動(dòng)飛行器的關(guān)鍵技術(shù)

電動(dòng)飛行器是一個(gè)全新的領(lǐng)域，系統(tǒng)復(fù)雜度高，關(guān)鍵技術(shù)多，要取得全面突破，在加強(qiáng)基礎(chǔ)研究工作的同時(shí)，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)進(jìn)行專項(xiàng)研究和攻關(guān)，電動(dòng)飛行器的關(guān)鍵技術(shù)主要有：高能量密度的電池技術(shù)、總體/氣動(dòng)/動(dòng)力綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)、高效電機(jī)技術(shù)和電機(jī)控制技術(shù)等。

2.1高能量密度電池技術(shù)

電池是指能產(chǎn)生電能的裝置，其種類有很多，電池的能量密度很大程度上制約了電動(dòng)飛行器的發(fā)展。當(dāng)前，可作為電動(dòng)飛行器推進(jìn)動(dòng)力的電池主要有：鋰電池、空氣電池和石墨烯電池等。

近年來(lái)，隨著電動(dòng)汽車技術(shù)的飛速發(fā)展，電池技術(shù)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，電池的儲(chǔ)能密度每年都有一個(gè)快速的提升[3]。能量?jī)?chǔ)存的形式有許多，最為常見(jiàn)的是燃油儲(chǔ)存、壓縮氣體、燃料電池、超級(jí)電容器等。這些能源儲(chǔ)存方式有些雖然和電池的能量密度相當(dāng)或者超過(guò)電池，但要應(yīng)用于飛行器上還必須考慮其系統(tǒng)的功重比，有些能源儲(chǔ)存方式應(yīng)用于飛行器上時(shí)，需要附加的隔離系統(tǒng)和熱管路系統(tǒng)，額外增加了飛行器的質(zhì)量，使得總體收益甚微，甚至是負(fù)收益。

目前，電動(dòng)系統(tǒng)的儲(chǔ)存能量密度和動(dòng)力系統(tǒng)的功重比與現(xiàn)有基于航空燃油的動(dòng)力系統(tǒng)的水平仍有一定的差距。從動(dòng)力需求和總體設(shè)計(jì)要求來(lái)推斷，采用電力推進(jìn)系統(tǒng)的單通道飛行器上電池的能量密度需要達(dá)到1000W？h/kg以上。鋰電池是可用于電動(dòng)飛行器的成熟產(chǎn)品，其理論能量密度大于300W？h/kg，安全因數(shù)與能量密度負(fù)相關(guān)，壽命范圍為500～2000次充放電，能量密度仍需進(jìn)一步提高。鋰硫電池的能量密度遠(yuǎn)大于鋰離子電池，但成熟度還不高[8]。

空氣電池主要有鋁空氣電池、鋅空氣電池、鎂空氣電池、鋰空氣電池、石墨烯電池等，其能量密度大于300W？h/kg，并且已經(jīng)在汽車上做過(guò)相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證，具備在飛行器應(yīng)用的可能。石墨烯電池有更高的能量密度，但成熟度低，需進(jìn)一步開(kāi)展研究工作。

燃料電池有很多類型，從綠色環(huán)保的角度，在電動(dòng)飛行器上最有應(yīng)用可能的是氫燃料電池，由于氫氣的密度小，儲(chǔ)存時(shí)需要大容積或耐高壓的容器，而飛行器對(duì)體積和重量要求極高，使其上機(jī)應(yīng)用受到限制。雖然氫燃料電池能量密度高，但功率密度較低，通常與功率密度高的鋰離子電池配合使用。

太陽(yáng)能電池是通過(guò)光電效應(yīng)或光化學(xué)反應(yīng)把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置，但光電轉(zhuǎn)化效率最高的不超過(guò)25%，且不足以保證夜間的正常飛行，因而太陽(yáng)能飛機(jī)的實(shí)用性還非常有限[9]。

超級(jí)電容是通過(guò)極化電解質(zhì)來(lái)儲(chǔ)能的一種特殊電源，具有充電速度快、放電能力強(qiáng)、功率密度大等特點(diǎn)。超級(jí)電容器能量密度最大可達(dá)到鋰電池的100倍，能在幾秒鐘內(nèi)充放電，很適合峰值功率瞬時(shí)釋放；100萬(wàn)次充放電能力、穩(wěn)定范圍寬等特點(diǎn)很適合于飛行器，但遠(yuǎn)距離大功率傳輸是關(guān)鍵技術(shù)，有待進(jìn)一步研究和驗(yàn)證。目前較難滿足電動(dòng)飛行器的要求。

盡管當(dāng)前電池的高能量密度存儲(chǔ)、功率高轉(zhuǎn)化率等關(guān)鍵技術(shù)仍有待研究，但從目前電池技術(shù)發(fā)展的速度來(lái)看，應(yīng)該很樂(lè)觀地看待電動(dòng)飛行器的發(fā)展前景。

2.2總體/氣動(dòng)/動(dòng)力綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

電動(dòng)飛機(jī)并不是簡(jiǎn)單地將傳統(tǒng)的動(dòng)力裝置（活塞或渦輪）換為電動(dòng)裝置。實(shí)際上，電動(dòng)飛機(jī)的設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)飛機(jī)設(shè)計(jì)思路完全不同。由于電動(dòng)飛機(jī)可以根據(jù)需要將大功率電機(jī)分解為多個(gè)小功率電機(jī)，這樣做的好處是傳統(tǒng)的集中動(dòng)力形式變成按需配置的分布式動(dòng)力形式，便于實(shí)現(xiàn)總體、氣動(dòng)、動(dòng)力等最佳優(yōu)化組合，從而獲得總體的最佳收益。

分布式電推進(jìn)的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)可將動(dòng)力分散到飛行器的各個(gè)主要結(jié)構(gòu)上，并可改變機(jī)體周圍的流場(chǎng)，提高氣動(dòng)性能，降低噪聲水平。可以說(shuō)，分布式電推進(jìn)技術(shù)的出現(xiàn)，拓展了飛行器設(shè)計(jì)的自由度，可大幅提高飛行器的綜合性能。與此同時(shí)將帶來(lái)多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)和計(jì)算分析的復(fù)雜性等難題。

需要指出的是，現(xiàn)有大部分電動(dòng)飛行器的氣動(dòng)布局基本是對(duì)傳統(tǒng)布局的改型或改進(jìn)，較少依據(jù)電推進(jìn)的特點(diǎn)，并進(jìn)行多學(xué)科綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)得到，因此并沒(méi)有充分發(fā)揮電推進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)。

2.3高功率密度電推進(jìn)技術(shù)

電動(dòng)飛行器的總體性能主要取決于氣動(dòng)性能、重量和推進(jìn)系統(tǒng)效率。如何減少推進(jìn)系統(tǒng)的自重和提高推進(jìn)系統(tǒng)的效率是決定電動(dòng)飛行器是否成功的關(guān)鍵技術(shù)之一。而推進(jìn)電動(dòng)機(jī)是其核心，高效高功重比電動(dòng)機(jī)技術(shù)是電動(dòng)飛行關(guān)鍵。

要使推進(jìn)系統(tǒng)效率更高，就需要功率變換器的功率密度更大。常規(guī)空氣冷卻的功率變換器的功率密度約為20kW/L，但對(duì)電動(dòng)飛行器來(lái)說(shuō)，目標(biāo)功率密度是50kW/L。為了彌補(bǔ)差距，還需要不斷研究開(kāi)發(fā)新材料、新設(shè)計(jì)、新工藝以及新封裝方法。碳化硅高溫電力電子技術(shù)、無(wú)線傳感控制轉(zhuǎn)速技術(shù)等是實(shí)現(xiàn)推進(jìn)系統(tǒng)高功率密度變換器的途徑之一。

3電動(dòng)飛行器的發(fā)展趨勢(shì)

近年來(lái)，航空界對(duì)電動(dòng)飛行器的熱情日益高漲，究其原因，一是人們對(duì)電動(dòng)飛行器高效經(jīng)濟(jì)、環(huán)保低噪的青睞；二是來(lái)自特斯拉等公司開(kāi)啟汽車行業(yè)革命性變化所帶來(lái)的現(xiàn)實(shí)沖擊。

無(wú)可置疑，電動(dòng)飛行器是未來(lái)發(fā)展的方向，在提高環(huán)保性、可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性等方面具有很強(qiáng)的吸引力，且應(yīng)用前景廣闊。根據(jù)國(guó)外咨詢公司的調(diào)查分析，當(dāng)前有不少于100個(gè)電動(dòng)飛行器的項(xiàng)目正在加緊研制，力爭(zhēng)盡快搶占先機(jī)。空客公司也發(fā)布了電動(dòng)飛機(jī)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃，明確提出到2030年左右，推出100座級(jí)、航程不小于1000km的電動(dòng)飛機(jī)。與此同時(shí)，瑞典和挪威也計(jì)劃到2040年前后將所有短程航班更換成全電動(dòng)飛機(jī)[10]。

筆者認(rèn)為，盡管電動(dòng)飛行器具有舒適性更好、總體性能更高、更環(huán)保、全生命周期成本更低等諸多優(yōu)點(diǎn)。但受眾多關(guān)鍵技術(shù)及瓶頸技術(shù)的制約，全電動(dòng)飛機(jī)在未來(lái)20年，較難大規(guī)模投入使用。一是電池技術(shù)在中大型飛行器的應(yīng)用距離商業(yè)運(yùn)營(yíng)仍有較大差距；二是成本控制問(wèn)題，全新的動(dòng)力、全新的材料、全新的設(shè)計(jì)，必將帶來(lái)高昂的運(yùn)營(yíng)成本；三是安全問(wèn)題，高密度的電池帶來(lái)的安全隱患，是載人飛行器首要考量的問(wèn)題，需要充分的試驗(yàn)、足夠的時(shí)間驗(yàn)證。

可期待的是，在強(qiáng)烈的需求牽引和技術(shù)推動(dòng)的雙引擎作用下，電動(dòng)飛行器相關(guān)技術(shù)必將不斷取得突破性進(jìn)展，關(guān)鍵技術(shù)也將逐一突破，盡管還面臨很多難題和挑戰(zhàn)，但是其前景是光明的，航空領(lǐng)域必將迎來(lái)全電動(dòng)飛行器時(shí)代，且應(yīng)用將非常廣泛。具體發(fā)展趨勢(shì)如下。

（1）混合動(dòng)力飛行器將在很長(zhǎng)時(shí)間存在

從第一架載人全電動(dòng)飛機(jī)發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)過(guò)去了40年，電機(jī)推進(jìn)功率從原來(lái)的15kW提高到現(xiàn)在的300kW。但從原來(lái)的鎳鎘電池到如今最先進(jìn)的鋰離子電池，其能量密度提升了不到5倍。以最新型的特斯拉Model S電動(dòng)汽車為例，其電池能量密度為170W？h/kg，而航空煤油的電池能量密度約為1200W？h/kg，差距非常明顯，并且鋰電池的發(fā)展后勁不足，目前其性能的增長(zhǎng)率只有7%左右。有領(lǐng)域?qū)＜以_(kāi)表示，高鎳材料、碳硅負(fù)極的鋰電池單體能量密度最高應(yīng)在300W？h/kg左右。據(jù)美國(guó)權(quán)威雜志分析，要實(shí)現(xiàn)2h左右有效飛行至少需要1000W？h/kg的動(dòng)力電池，是當(dāng)前電池和電機(jī)水平的6倍多，而如此巨大的差距是電動(dòng)飛行器技術(shù)在相當(dāng)時(shí)間內(nèi)無(wú)法達(dá)到的。因此，混合動(dòng)力飛行器將在很長(zhǎng)時(shí)間存在，并是主流。

（2）電動(dòng)飛機(jī)更適合使用在小型無(wú)人飛行器上

隨著電推進(jìn)技術(shù)的飛速發(fā)展和資本市場(chǎng)的追捧，電動(dòng)飛行器進(jìn)入市場(chǎng)的方式越來(lái)越得到關(guān)注。筆者從技術(shù)發(fā)展路線和規(guī)律判斷，電動(dòng)飛機(jī)更適合使用在中小型無(wú)人飛行器上。一是中小型飛行器市場(chǎng)潛力巨大，且對(duì)飛行器品質(zhì)、綠色環(huán)保、小型化、極限飛行等要求更高，而這恰是電推進(jìn)的優(yōu)勢(shì)，能充分發(fā)揮其特點(diǎn)。其次，中小型無(wú)人機(jī)飛行器對(duì)電池、電機(jī)等性能要求相對(duì)較低，現(xiàn)有技術(shù)水平就能很好地支撐，因此能保持較好的經(jīng)濟(jì)性。最后，無(wú)人飛行器的安全等級(jí)相對(duì)偏低，在電推進(jìn)的可靠性沒(méi)得到充分驗(yàn)證前，更適合使用在無(wú)人機(jī)飛行器上。

（3）軍用領(lǐng)域?qū)⒃絹?lái)越得到重視

軍事裝備的無(wú)人化、經(jīng)濟(jì)性、適應(yīng)性將是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。隨著城市化進(jìn)程的加快，未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)將有70%發(fā)生在城市，而城市戰(zhàn)對(duì)隱蔽性、垂直起降、低附帶損傷、噪聲等要求非常高，而電動(dòng)飛機(jī)具有低噪聲的特性，并且能很好地實(shí)現(xiàn)垂直起降，如優(yōu)步開(kāi)發(fā)的eVTOL飛行器，巧妙地兼顧了性能、效率和成本。因此，可以預(yù)判，在軍用領(lǐng)域，電動(dòng)無(wú)人機(jī)、電動(dòng)中近程導(dǎo)彈、電動(dòng)潛航器都將得到發(fā)展和應(yīng)用。我們希望未來(lái)這些更清潔、更安靜、更低廉的下一代軍用裝備變得越來(lái)越受重視。

（4）電動(dòng)飛行器將帶來(lái)的航空產(chǎn)業(yè)鏈的重組

由于電動(dòng)飛行器在飛發(fā)一體化設(shè)計(jì)上具有前所未有的靈活性，航空產(chǎn)業(yè)鏈必將出現(xiàn)像汽車那樣“整機(jī)化”的研發(fā)模式，傳統(tǒng)飛機(jī)制造公司的主導(dǎo)模式仍將長(zhǎng)期存在。波音公司和空客公司已明確把電推進(jìn)技術(shù)作為戰(zhàn)略研究和重點(diǎn)投入方向，同時(shí)積極收購(gòu)有發(fā)展?jié)撃艿某鮿?chuàng)公司進(jìn)行產(chǎn)業(yè)布局，營(yíng)造生態(tài)鏈，力爭(zhēng)在電動(dòng)飛機(jī)的低成本運(yùn)營(yíng)、舒適度體驗(yàn)和政策法規(guī)制定上搶占先機(jī)。

然而，面對(duì)未來(lái)電動(dòng)化飛行器的出現(xiàn)、推廣乃至普及，傳統(tǒng)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造商所面臨的考驗(yàn)和挑戰(zhàn)與飛機(jī)制造商是截然不同的。雖然整機(jī)化的發(fā)展趨勢(shì)提高了發(fā)動(dòng)機(jī)制造商獨(dú)立研發(fā)飛機(jī)產(chǎn)品的門檻，但從根本上說(shuō)電推進(jìn)系統(tǒng)改變的是飛機(jī)的動(dòng)力裝置，其對(duì)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)潛在的“降維競(jìng)爭(zhēng)”存在著劇烈變革未來(lái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的可能性。GE公司、普惠公司和羅羅公司一直是民用航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)進(jìn)步最大的開(kāi)拓者和推動(dòng)者，也是市場(chǎng)的受益者，自然很難輕易放棄其傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域，貿(mào)然全力進(jìn)入電動(dòng)化飛行市場(chǎng)。但迫于電動(dòng)飛行器的廣闊前景帶來(lái)的誘惑，發(fā)動(dòng)機(jī)公司必定提前布局電動(dòng)飛機(jī)的整機(jī)研發(fā)。2019年3月，聯(lián)合技術(shù)公司（UTC）啟動(dòng)了804計(jì)劃，預(yù)期在三年內(nèi)完成一架混合電動(dòng)支線客機(jī)X-Plane的研制和試飛[11]。

優(yōu)步公司也積極成為電動(dòng)飛行器產(chǎn)業(yè)鏈上的跟蹤者，日前，宣布將共享eVTOL飛行器Nexus納入U(xiǎn)ber Elevate城市交通體系。全球飛行控制領(lǐng)域的著名公司霍尼韋爾公司同樣將目光瞄準(zhǔn)了電動(dòng)飛行器領(lǐng)域，公開(kāi)宣布將發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)一體化設(shè)計(jì)，其正在研發(fā)的原型系統(tǒng)預(yù)計(jì)在2025年前后投入商業(yè)應(yīng)用。后續(xù)將重點(diǎn)關(guān)注影響系統(tǒng)功率密度的熱管理問(wèn)題，系統(tǒng)的最終目標(biāo)是轉(zhuǎn)換效率達(dá)到98%。

綜上所述，隨著電動(dòng)飛行器的出現(xiàn)，將打破原有相對(duì)固化的航空產(chǎn)業(yè)布局，各利益相關(guān)者都希望提前布局、預(yù)先研究、延伸產(chǎn)業(yè)鏈、提高集成度，全力迎接電動(dòng)化飛行器的到來(lái)。

4結(jié)束語(yǔ)

電動(dòng)飛行器是未來(lái)航空發(fā)展熱點(diǎn)方向，是一種新型清潔能源的飛行器，可降低飛行器的運(yùn)行成本、飛行噪聲和污染排放，是實(shí)現(xiàn)航空工業(yè)高效、安靜和無(wú)污染排放的綠色航空目標(biāo)的優(yōu)選。筆者認(rèn)為，盡管電動(dòng)飛行器飛機(jī)具有諸多優(yōu)點(diǎn)。但受高能量密度的電池技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)制約，電動(dòng)飛機(jī)在未來(lái)20年，較難大規(guī)模投入使用。

但是我們堅(jiān)信隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提升，以及科技的不斷進(jìn)步發(fā)展，電動(dòng)飛行器一定會(huì)迎來(lái)更廣闊的發(fā)展空間。未來(lái)的電動(dòng)飛行器技術(shù)可以應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的許多領(lǐng)域，具有劃時(shí)代的重要意義。

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（責(zé)任編輯陳東曉）

作者簡(jiǎn)介

梁向東（1968-）男，碩士，研究員級(jí)高級(jí)工程師。主要研究方向：飛機(jī)智能制造及過(guò)程測(cè)試。

Tel：18666932366E-mail：lxdcjok@sina.com

Research on Electric Vehicle and Its Key Technology

Liang Xiangdong*

South China Aircraft Industry Co.，Ltd.，China Aviation Industry General Aircraft Co.，Ltd.，Zhuhai 519040，China

Abstract： In recent years， with peoples yearning for green environment protection and clean blue sky， reducing pollution emissions and noise of aircrafts has become the main research task. Therefore， electric vehicle technology has become a hot spot in the development of aviation science and technology. It is different from the traditional aircraft design concept， using the design idea of energy on demand configuration， greatly improving the flight quality of the aircraft. This paper introduces the concept and connotation of the electric vehicle， the research status at home and abroad， analyzes the key technologies of the electric vehicle， such as the high energy density battery， the aerodynamics/power integrated optimization design technology， and the high-efficiency motor technology， and looks forward to the development trend of the electric vehicle.

Key Words： electric vehicle； high energy density battery； high efficiency motor； power distribution technology