E-Fan X下馬引發(fā)的思考

董幗雄

一場突如其來的新冠肺炎疫情不僅讓十多年來高速發(fā)展的全球民航運輸業(yè)一度陷入停擺，更打亂了飛機制造商和供應(yīng)商們的生產(chǎn)計劃。進(jìn)入4月后，這種影響非但沒有衰減的跡象，相反由于受到資金、人力等多重因素的影響，一些原本進(jìn)展頗為順利的預(yù)研項目被驟然叫停。

4月24日，作為混合電推進(jìn)飛機項目中最受關(guān)注的，同時也是歐盟“凈潔天空”計劃重要組成部分的E-Fan X項目被叫停。而就在一個多月之前，該項目剛剛在英國完成了最后一次驗證機試驗飛行，按計劃下一步將安裝由羅羅公司研發(fā)的混合電推進(jìn)系統(tǒng)，并在新構(gòu)型下開展新一輪試飛。

如今，E-Fan X項目毫無征兆地戛然止步，一方面令人感到惋惜，另一方面也讓業(yè)界對空客內(nèi)部創(chuàng)新動向和混合電推進(jìn)飛機的未來浮想聯(lián)翩。

E-Fan X的由來

早在十多年前，空客就已經(jīng)意識到電動飛行將是未來飛機的重要發(fā)展方向。于是在2012年，空客率先推出了第一架完全由電力驅(qū)動的飛機——E-Fan驗證機。這架驗證機由法國飛機制造商ACS公司制造，得到了賽峰集團(tuán)、卓達(dá)宇航集團(tuán)和西門子公司的技術(shù)支持。

2014年3月，E-Fan驗證機在法國波爾多成功完成第一次試飛。一年后，在巴黎航展上，一架純電動的雙座E-Fan2.0首次進(jìn)行公開展示?？湛捅硎?，計劃在2050年前后推出100座的混合電推進(jìn)飛機并力爭投入商業(yè)運營。隨后，空客又在波城建立了第一條E-Fan2.0全電動飛機總裝線。與此同時，空客還啟動了更大尺寸的4座電力飛機E-Fan4.0的研發(fā)工作。雖然，E-Fan4.0最終被空客叫停，但是公司并沒有放棄對電推進(jìn)技術(shù)的研發(fā)。相反，通過上述幾個項目的研制，空客調(diào)整了技術(shù)發(fā)展路徑。

2016年，空客宣布與西門子合作，并計劃在2020年前研制采用電推進(jìn)或混合電推進(jìn)技術(shù)的飛機并開展飛行試驗，在2030年前生產(chǎn)100座級以下的混合電推進(jìn)飛機。在此之后，空客將研發(fā)重點從純電動飛機轉(zhuǎn)向了混合電推進(jìn)飛機。

在2016年的飛來者大會上，空客展示了采用混合電推進(jìn)系統(tǒng)的E-Fan1.2。與之前的純電動飛機相比，E-Fan1.2在飛機駕駛艙后部加裝了一個活塞發(fā)動機，如此，一方面可以提供更大巡航速度下平飛所需要的動力，另一方面可以為鋰電池充電。

之后，空客宣布與西門子、羅羅合作，聯(lián)合研發(fā)基于分布式混合電推進(jìn)系統(tǒng)的“E-Airbus”100座級支線客機，并在歐盟“航跡2050”的框架下開展深入研究。

E-Airbus采用6臺電動風(fēng)扇，每個機翼上沿展向分布3臺，通過一個燃?xì)鈩恿卧礈u扇發(fā)動機連接到發(fā)電機以產(chǎn)生電力）為6 臺風(fēng)扇提供電力和為電能存儲裝置充電，推進(jìn)系統(tǒng)的等效涵道比超過20。

2017年，空客召開技術(shù)委員會執(zhí)行會議，決定精簡電動飛機項目，集中精力把純電動雙座教練機E-Fan項目轉(zhuǎn)化為一個更大膽的項目——E-Fan X。

E-Fan X驗證機采用混合電推進(jìn)系統(tǒng)，旨在探索大功率推進(jìn)系統(tǒng)相關(guān)的技術(shù)難題，如熱效應(yīng)、電推力管理、電力系統(tǒng)的高度響應(yīng)、電磁兼容性等。同時該項目設(shè)定的目標(biāo)還包括確定電動飛機未來取證的要求，使混合電推進(jìn)飛機的商業(yè)化應(yīng)用更進(jìn)一步。空客表示：“E-Fan X是在可預(yù)見的未來實現(xiàn)電動飛行的重要一步。空客將從過去電動飛行驗證機的研發(fā)中吸取經(jīng)驗，這將為安全、高效、經(jīng)濟(jì)的混合動力單通道民用飛機發(fā)展鋪平道路?！?/p>

為此，空客與羅羅、西門子進(jìn)行了相應(yīng)的分工。其中，空客負(fù)責(zé)混合動力電推進(jìn)系統(tǒng)的控制架構(gòu)和電池整合，以及推進(jìn)系統(tǒng)與飛行控制系統(tǒng)的整合。羅羅負(fù)責(zé)渦軸發(fā)動機、兩兆瓦發(fā)電機、相關(guān)電子設(shè)備，以及與空客一起對現(xiàn)有發(fā)動機短艙和西門子電動機進(jìn)行風(fēng)扇適配工作。西門子提供兩兆瓦的電動機及其電子控制單元，以及變頻器、直流轉(zhuǎn)換器和能量分配系統(tǒng)。

這將基于2016年啟動的空客與西門子在E-Aircraft System House項目的合作成果，其目標(biāo)是研發(fā)并完善不同電力推進(jìn)系統(tǒng)組件以及各種功率級別的地面驗證。

2019年，羅羅收購了西門子的電動和混合電航空推進(jìn)業(yè)務(wù)，以加速公司實現(xiàn)電氣化戰(zhàn)略。收購?fù)瓿珊?，E-Fan X項目的主體也變成了空客和羅羅，后者承接了原來由西門子負(fù)責(zé)的相關(guān)研發(fā)工作，同時雙方將共同負(fù)責(zé)熱管理和控制架構(gòu)等技術(shù)。

試驗成果頗豐

E-Fan X項目中，空客選擇了由英國宇航公司（BAE）研制的一款曾暢銷一時的支線飛機BAE146/RJ100為飛行測試平臺，飛機上4臺霍尼韋爾公司生產(chǎn)的LF507渦扇發(fā)動機中的一臺將由一臺功率為2兆瓦的電動機所取代。

E-Fan X項目獲得了英國政府5800萬英鎊的投資，飛行測試平臺的主要改裝工作也在英國進(jìn)行，并由BAE公司所主導(dǎo)。主要改裝工作包括將一臺發(fā)動機換成羅羅公司研發(fā)的電推進(jìn)風(fēng)扇和電機，其中后者將被安裝在現(xiàn)有的發(fā)動機整流罩內(nèi)。應(yīng)急動力裝置（EPU）將由位于飛機后部的羅羅AE2100燃?xì)鉁u輪驅(qū)動的2.5MW發(fā)電機以及飛機前部的電池系統(tǒng)供電。當(dāng)時，羅羅公司曾表示，未來這一電推進(jìn)系統(tǒng)將成為最大功率的飛機發(fā)電機。

在BAE公司著手進(jìn)行前期改裝和測試飛行的同時，羅羅則在加快包括燃?xì)廨啓C、發(fā)電機、配電系統(tǒng)、電機和EPU混合電系統(tǒng)的試驗測試，待全部試驗完成后將被集成到BAE146/RJ100飛行平臺上進(jìn)行第二輪飛行測試。

此外，BAE還在加緊與空客合作對BAE146/RJ100飛機進(jìn)行進(jìn)一步改裝。其中包括增加熱交換器、增加進(jìn)氣口和飛機機身排氣口等，以解決混合電推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量過高的問題。

空客方面則在加快進(jìn)行縮比模型的風(fēng)洞試驗。就在E-Fan X項目被叫停的兩個月前，空客在英國完成了E-Fan X的1：8縮比模型風(fēng)洞試驗。該風(fēng)洞可測量3.65米×3米的試驗段，并可產(chǎn)生速度達(dá)到347.5千米/小時的氣流。按1：8比例試驗時，E-Fan X模型翼展超過3米?？湛捅硎?，完成了風(fēng)洞試驗之后，將有助于他們更好地了解E-Fan X的整體氣動性能和飛行品質(zhì)。

如果項目未被取消的話，在完成風(fēng)洞試驗和改裝之后，E-Fan X將由空客試驗運行部負(fù)責(zé)開展第二階段的試飛試驗。主要的飛行試驗計劃2021年底在法國圖盧茲進(jìn)行，預(yù)計整個試驗將持續(xù)6個月。在此期間，空客除了將測試飛機在不同環(huán)境下的操縱和氣動特性之外，更重要的是要與羅羅一起密切關(guān)注氣動系統(tǒng)性能，并記錄電流和電壓的情況，從而為未來混合電推進(jìn)技術(shù)在窄體客機上的應(yīng)用打下技術(shù)基礎(chǔ)。

目前，雖然E-Fan X項目已正式叫停，但羅羅已明確表示，公司將繼續(xù)獨立完成發(fā)電系統(tǒng)的地面測試工作。這也意味著羅羅將對正在挪威特隆赫姆工廠進(jìn)行測試的發(fā)電機與在德比和印第安納波利斯研發(fā)的功率控制和熱管理系統(tǒng)進(jìn)行集成。羅羅公司表示，繼續(xù)完成這項工作將有助于他們更全面地掌握相關(guān)技術(shù)及相應(yīng)的知識產(chǎn)權(quán)，未來公司為E-Fan X所研發(fā)的混合電推進(jìn)系統(tǒng)或?qū)⑦m用于其他混合電推進(jìn)飛機。

超前投資不會停

盡管在諸多因素的共同作用下，空客和羅羅共同決定終止E-Fan X項目，但是作為主制造商和主要供應(yīng)商，對于產(chǎn)業(yè)鏈的超前投資的步伐或許并不會就此止步。

從過去波音的“小跟班”到如今超越波音，坐上商用飛機市場的頭把交椅，空客的成功與其勇于創(chuàng)新、超前布局不無關(guān)系。近年來，空客與諸多企業(yè)一起合作，大膽引入顛覆性技術(shù)，大力加強對電動飛機的研發(fā)，為2025或2030年該技術(shù)在商用飛機市場的應(yīng)用策馬揚鞭。

在小型通用飛機方面，空客已經(jīng)研制了Cri-Cri單座電動飛機（2010年9月7日首飛）、與西門子聯(lián)合研制的E-FAN1.1（30千瓦級別電動機）在2015年實現(xiàn)跨英吉利海峽飛行、與鉆石飛機公司合作開發(fā)了基于DA40的混和電動飛機。

支線飛機方面，空客與羅羅合作進(jìn)行了E-Fan X的研制。在干線飛機方面，空客與西門子還在開發(fā)A320級別的飛機用混合電推進(jìn)技術(shù)。這需要巡航階段產(chǎn)生20兆瓦電，最大功率為40兆瓦。此外，空客與羅羅合作提出的E-Thrust混合電單通道概念飛機也有望在未來20年內(nèi)成為現(xiàn)實。

與此同時，近幾年來，隨著全球城市空運概念的興起，空客也開始重點研發(fā)eVTOL，試圖以其為切入點率先進(jìn)入城市空運（UAM）市場?？湛湍壳罢谕七M(jìn)2個城市空運飛行器計劃，分別是位于美國硅谷A3分部（2015年成立）負(fù)責(zé)的單座伐訶那（Vahana）以及位于德國多瑙沃爾特的空客直升機負(fù)責(zé)的4座城市空客（City Airbus），均為全電推進(jìn)形式。

為了協(xié)調(diào)城市空運計劃的研發(fā)，空客于2018年創(chuàng)建了城市空運部門，該部門位于德國奧托布倫市，靠近空客公司技術(shù)辦公室和無人駕駛航空系統(tǒng)部，空客直升機位于多瑙沃爾特的工廠也在附近?？湛湍壳罢趯⑺谐鞘锌者\的研發(fā)工作集中到該部門。

在此特別說一下City Airbus項目。該垂直起降飛機于2019年5月在德國空客直升機飛行測試中心進(jìn)行了首次無人系統(tǒng)飛行。公開數(shù)據(jù)顯示，City Airbus的巡航速度為120公里/小時，其動力由四組同軸反轉(zhuǎn)涵道風(fēng)扇提供，風(fēng)扇由8個100千瓦的電動機驅(qū)動。City Airbus選用了純電動設(shè)計，以滿足低噪音、零排放的環(huán)保要求，其儲能系統(tǒng)為4枚總能量為140千瓦時的動力電池，可各自提供140千瓦峰值功率，設(shè)計最大航程為50公里，具備全自動駕駛功能。

但同時空客也表示，City Airbus目前面臨著3個設(shè)計方面的困難，一是能量存儲技術(shù)，需要開發(fā)高能量密度的電池，以支持超過15分鐘的飛行;二是自動飛行控制系統(tǒng)的成熟度;三是噪音水平，空客正在開展相關(guān)工作，旨在控制飛行器的噪音水平，噪音上限為65分貝，與過往的地鐵噪音水平接近。空客估計最早到2025年在慕尼黑等大城市進(jìn)行商業(yè)運營。

事實上，City Airbus的研發(fā)過程中所遇到的這些問題也是目前幾乎所有參與混合電推進(jìn)技術(shù)研發(fā)的企業(yè)所共同面臨的問題，這其中也包括波音、賽峰、聯(lián)合技術(shù)等諸多知名企業(yè)。

畢竟從客觀上來講，傳統(tǒng)發(fā)動機產(chǎn)業(yè)仍在蓬勃發(fā)展，市場價值屢創(chuàng)新高，未來在相當(dāng)一段時期仍將支配著航空動力市場，也是傳統(tǒng)航空發(fā)動機制造商不可動搖的立身之本。從外在說，電池技術(shù)已經(jīng)成為制約未來電動飛機發(fā)展的最大障礙，混合電推進(jìn)系統(tǒng)幾乎是實現(xiàn)當(dāng)下商業(yè)電氣化飛行唯一的動力選擇，但混合電動飛機的市場前景更多地取決于2030年前動力電池技術(shù)能否取得前所未有的突破。如今，在全球航空企業(yè)都要過“緊日子”的大背景下，企業(yè)在進(jìn)行新技術(shù)的研發(fā)時持更加謹(jǐn)慎的態(tài)度也無可厚非。因此在航空動力市場電氣化變革暗流涌動的大勢下，傳統(tǒng)航空發(fā)動機制造商的戰(zhàn)略抉擇或許將迎來空前的挑戰(zhàn)與考驗。