中國電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)創(chuàng)新與實(shí)踐

楊鳳田,范振偉,項(xiàng)松,劉遠(yuǎn)強(qiáng),*,趙為平

1. 沈陽航空航天大學(xué),沈陽 110136 2. 遼寧通用航空研究院,沈陽 110136

近年來,隨著國家對(duì)生態(tài)文明建設(shè)的愈加重視,綠色能源、電動(dòng)科技領(lǐng)域迎來了嶄新的發(fā)展契機(jī)[1]。目前,世界上已有多個(gè)研究機(jī)構(gòu)在進(jìn)行新型電動(dòng)飛機(jī)的研制,這對(duì)通用航空產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到積極的促進(jìn)作用。電動(dòng)飛機(jī)是以儲(chǔ)能裝置(蓄電池、燃料電池等)給電動(dòng)機(jī)供電,驅(qū)動(dòng)螺旋槳、涵道風(fēng)扇或其他裝置產(chǎn)生飛行動(dòng)力的飛機(jī),其改變了傳統(tǒng)的飛機(jī)設(shè)計(jì)思想,從飛機(jī)安全便捷、綠色環(huán)保、高效節(jié)能的理念出發(fā),優(yōu)化整個(gè)飛機(jī)的設(shè)計(jì),極大地提高了飛機(jī)的環(huán)保性[2-3]、可靠性[4]、舒適性、維修性和經(jīng)濟(jì)性,代表了先進(jìn)飛機(jī)技術(shù)的發(fā)展方向、未來發(fā)展趨勢(shì)[5]。

1 電動(dòng)飛機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

電動(dòng)飛機(jī)已成為世界航空界的研究熱點(diǎn)之一[6]。國際航空界普遍認(rèn)為,電推進(jìn)技術(shù)是航空業(yè)“第三次技術(shù)革命”的重要標(biāo)志。綜合羅蘭貝格咨詢公司以及美國垂直飛行協(xié)會(huì)的研究成果,截至2019年10月,全球共有電動(dòng)飛機(jī)項(xiàng)目約240項(xiàng)。國外電動(dòng)飛機(jī)研究主要集中在北美和歐洲地區(qū),受到政府資助或者由企業(yè)自籌資金研發(fā)。

1.1.1 政府資助項(xiàng)目

1999年,從歐盟第五框架計(jì)劃開始,歐盟就開始資助意大利都靈理工大學(xué)開展“用于交通監(jiān)視和環(huán)保的同溫層新能源電動(dòng)飛機(jī)平臺(tái)研究”“新能源電動(dòng)民用無人機(jī)的應(yīng)用和潛在效率提高研究”。2000年,意大利都靈理工大學(xué)在歐盟第五框架計(jì)劃、歐盟第六框架計(jì)劃資助下開展了HELIPLAT太陽能電動(dòng)飛機(jī)研制,HELIPLAT的翼展為75 m,航時(shí)可達(dá)4～6個(gè)月。2003年,歐盟第六框架計(jì)劃資助意大利都靈理工大學(xué)開展“ENFICA-FC 環(huán)境友好城際燃料電池電動(dòng)飛機(jī)研究”。歐盟第八框架計(jì)劃-“地平線2020”資助了多個(gè)電動(dòng)飛機(jī)項(xiàng)目[7]。

2015年,美國NASA提出了電動(dòng)飛機(jī)發(fā)展路線圖。2019年,NASA開始研制X-57電動(dòng)飛機(jī),該型飛機(jī)采用分布式電推進(jìn)布局,如圖1所示。

法國航空航天研究院、日本宇航航空研究院與德國航空航天研究中心在巴黎航展上簽訂聯(lián)合研發(fā)協(xié)議,共同開展電推進(jìn)技術(shù)研究。法國航空航天研究院研發(fā)了Ampere電動(dòng)飛機(jī),該機(jī)設(shè)計(jì)為六座,航程約500 km,采用分布式并聯(lián)的燃料電池和鋰離子電池?？湛凸驹?015年的巴黎航展上展出了純電動(dòng)飛機(jī)E-Fan2.0[8]。

德國航空航天研究中心研發(fā)了由氫燃料電池驅(qū)動(dòng)的四座客機(jī)-HY4,該飛機(jī)已于2016年首飛。德國斯圖加特大學(xué)和德國慕尼黑科技大學(xué)也開展了電動(dòng)飛機(jī)研發(fā)。日本宇航航空研究院考慮從小型電動(dòng)飛機(jī)研發(fā)入手,在2040年前制造出可搭載100～150名乘客的電動(dòng)客機(jī)。英國設(shè)立3億英鎊的專項(xiàng)扶持資金重點(diǎn)扶持小型電動(dòng)飛機(jī)和電動(dòng)垂直起降機(jī)型的的研制,逐步向大型載客飛機(jī)發(fā)展。瑞典政府的計(jì)劃是到2030年,所有國內(nèi)航班改用生物燃料或電動(dòng)飛機(jī)。瑞典政府資助了ES-19電動(dòng)飛機(jī)項(xiàng)目,ES-19采用4臺(tái)電機(jī),純電動(dòng),十九座,航程為400 km,見圖2。挪威的目標(biāo)是到2040年,所有國內(nèi)航班采用電動(dòng)飛機(jī),電動(dòng)航空成為挪威電動(dòng)大交通戰(zhàn)略的組成部分。

圖1 X-57電動(dòng)飛機(jī)Fig.1 X-57 electric aircraft

圖2 ES-19電動(dòng)飛機(jī)Fig.2 ES-19 electric aircraft

1.1.2 企業(yè)研發(fā)項(xiàng)目

美國和歐洲多家飛機(jī)公司高度關(guān)注電動(dòng)飛機(jī)研究。波音公司針對(duì)大型干線飛機(jī)開展N3-X研究計(jì)劃?？湛椭贫穗妱?dòng)飛機(jī)發(fā)展路線圖。羅羅航發(fā)收購西門子eAircraft電動(dòng)航空部門,正式進(jìn)入電推進(jìn)系統(tǒng)研制領(lǐng)域。法國Aquinea公司和法國國家民用航空學(xué)院共同研發(fā)Volta電動(dòng)直升機(jī)。除了波音、空客、羅羅等航空界巨頭之外,還有幾家公司需要持續(xù)關(guān)注,分別是以色列Eviation電動(dòng)飛機(jī)公司、斯洛文尼亞Pipistrel公司[9]和美國Magnix公司。

以色列Eviation電動(dòng)飛機(jī)公司正在研制9+2座純電動(dòng)飛機(jī)“愛麗絲”,該型飛機(jī)以445 km/h的巡航速度,可以飛行1 046 km,該公司計(jì)劃2022年推出商業(yè)航班, 如圖3所示。斯洛文尼亞Pipistrel公司研制出Taurus Electro、Taurus G2、Taurus G4、Alpha Electro、Velis Electro系列電動(dòng)飛機(jī),其中Velis Electro電動(dòng)飛機(jī),已獲得EASA頒發(fā)的型號(hào)合格證(TC)。美國Magnix公司致力于大功率電推進(jìn)系統(tǒng)研發(fā),其研制的520 kW和560 kW電推進(jìn)系統(tǒng),分別應(yīng)用于“水獺”電動(dòng)水上飛機(jī)和全電動(dòng)塞斯納208B。

圖3 “愛麗絲”飛機(jī)Fig.3 Aircraft "Alice"

1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

中國的電動(dòng)飛機(jī)研發(fā)工作幾乎與歐美等航空強(qiáng)國同步[10]?！笆濉逼陂g,中國制定了一系列電動(dòng)飛機(jī)發(fā)展政策,并且完成了2機(jī)首飛,2機(jī)取證。

1.2.1 政策方面

國家制定的通航“十三五”規(guī)劃提出要“推動(dòng)新能源飛機(jī)發(fā)展”?？萍疾亢徒煌ㄟ\(yùn)輸部聯(lián)合發(fā)布的《“十三五”交通領(lǐng)域科技創(chuàng)新專項(xiàng)規(guī)劃》[11]也指出要發(fā)展新構(gòu)型新能源通用航空飛機(jī)技術(shù)。

2019年以來,中國民航局先后發(fā)布eVTOL相關(guān)的重要文件,包括《基于運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的無人機(jī)適航審定的指導(dǎo)意見》和《無人機(jī)試運(yùn)行管理規(guī)程》,從政策上為eVTOL的適航和運(yùn)行建立了框架,eVTOL機(jī)型已經(jīng)可以依照這兩個(gè)文件在中國開展試運(yùn)行。

1.2.2 型號(hào)研制方面

1) 以輕型電動(dòng)飛機(jī)驗(yàn)證機(jī)為起點(diǎn)

20世紀(jì)90年代,鋰電池能量密度只有100 Wh/kg,能否發(fā)展電動(dòng)飛機(jī)是困惑國內(nèi)外研究人員的課題,因此中國提出電動(dòng)飛機(jī)需要?dú)鈩?dòng)、結(jié)構(gòu)及動(dòng)力的高效率來彌補(bǔ)電池短板,開展了電動(dòng)飛機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究,以打破對(duì)國外關(guān)鍵零部件的技術(shù)依賴[12]。突破了高升阻比整機(jī)氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)、輕質(zhì)高效復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造、高效低排放動(dòng)力系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù),研制出銳翔電動(dòng)飛機(jī)(RX1E)驗(yàn)證機(jī),預(yù)期航時(shí)40 min,實(shí)際飛行達(dá)到了45～60 min。在此基礎(chǔ)上投入自有資金將驗(yàn)證機(jī)轉(zhuǎn)化成型號(hào),與中國民航局一起,依據(jù)中國民航CCAR-21部,并參照ASTM 標(biāo)準(zhǔn),創(chuàng)新性地確定了電動(dòng)輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)的適航審定基礎(chǔ)和編制了符合性驗(yàn)證程序,成為國際上首款完成適航取證的電動(dòng)飛機(jī)。

2) 面向市場(chǎng)應(yīng)用研制增程電動(dòng)飛機(jī)

銳翔原型續(xù)航時(shí)間為45～60 min,只能本場(chǎng)訓(xùn)練,不能滿足飛行員培訓(xùn)及飛機(jī)轉(zhuǎn)場(chǎng)的需求。因此,遼寧通用航空研究院通過增加電池容量、結(jié)構(gòu)減重等方式,開展了增程電動(dòng)雙座飛機(jī)(RX1E-A)的研制工作。通過該型飛機(jī)的研制帶動(dòng)了我國航空鋰電池、電推進(jìn)系統(tǒng)、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域發(fā)展,相關(guān)性能指標(biāo)均達(dá)到世界領(lǐng)先水平。目前,RX1E-A最大起飛重量600 kg,續(xù)航時(shí)間可達(dá)2.5 h,已在國內(nèi)多個(gè)機(jī)場(chǎng)安全飛行超過4 000 h,并獲民航局運(yùn)動(dòng)駕駛員執(zhí)照培訓(xùn)許可。

3) 以電動(dòng)四座飛機(jī)緊隨市場(chǎng)走向

四座飛機(jī)是通航市場(chǎng)的主力產(chǎn)品。2018年開始,遼寧通用航空研究院開展了電動(dòng)四座飛機(jī)(RX4E)驗(yàn)證機(jī)研制。RX4E是按照中國民用航空規(guī)章23部要求進(jìn)行研制的正常類飛機(jī)。為了降低研制風(fēng)險(xiǎn),縮短研制周期,創(chuàng)新性地提出研制概念驗(yàn)證機(jī),在完成整機(jī)限制載荷靜力試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,于2019年10月28日在沈陽法庫財(cái)湖機(jī)場(chǎng)進(jìn)行了驗(yàn)證性測(cè)試首飛。該飛機(jī)起飛重量達(dá)1 200 kg,續(xù)航時(shí)間1.5 h,航程300 km。2019年11月11日,東北民航局正式受理了該機(jī)型的適航取證申請(qǐng)。

4) 以電動(dòng)水上飛機(jī)拓展應(yīng)用場(chǎng)景

中國水域眾多并且水面多為優(yōu)秀的旅游資源,電動(dòng)水上飛機(jī)利用水面即可起降,滿足了水域?qū)Νh(huán)保的嚴(yán)格要求,很大程度上解決了“飛起來”和“落下去”的問題,特別適合與環(huán)保要求高的旅游景點(diǎn)結(jié)合。因此,遼寧通用航空研究院在銳翔雙座電動(dòng)飛機(jī)的基礎(chǔ)上開展了電動(dòng)水上飛機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究,進(jìn)行了低阻高穩(wěn)定性浮筒設(shè)計(jì)、水面起降配套設(shè)施設(shè)計(jì)、水面快速換裝電源等關(guān)鍵技術(shù)研究。2019年8月,RX1E-S電動(dòng)水上飛機(jī)在沈陽法庫完成驗(yàn)證性測(cè)試首飛,為中國電動(dòng)水上飛機(jī)的發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

2 電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)創(chuàng)新

近年來,隨著電子技術(shù)、電池技術(shù)、新材料技術(shù)的的快速發(fā)展,電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)得到了飛速發(fā)展[13]。目前,電動(dòng)飛機(jī)正在向市場(chǎng)化、實(shí)用化方向發(fā)展。預(yù)計(jì)到2050年,電推進(jìn)將成為飛機(jī)的主要推進(jìn)方式。與傳統(tǒng)燃料動(dòng)力飛機(jī)相比,電推進(jìn)系統(tǒng)緊湊性好,可靠性和安全性高[14]。

為了進(jìn)一步提高電動(dòng)飛機(jī)性能指標(biāo),需要在以下4個(gè)方面開展技術(shù)創(chuàng)新。

2.1 高升阻比氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)技術(shù)

電動(dòng)飛機(jī)的升阻比越大,飛行時(shí)消耗的能量越小,在能量儲(chǔ)備一定的情況下,航時(shí)越高。通過設(shè)計(jì)層流翼型大展弦比機(jī)翼,進(jìn)行CFD數(shù)值分析和風(fēng)洞試驗(yàn)[15-16],對(duì)翼型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)層流機(jī)翼的設(shè)計(jì)；以此機(jī)翼為基礎(chǔ),進(jìn)行高升阻比的整機(jī)氣動(dòng)外形與布局設(shè)計(jì),利用CFD數(shù)值分析、優(yōu)化,并用風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,形成一個(gè)高升阻比的氣動(dòng)布局。在傳統(tǒng)氣動(dòng)布局基礎(chǔ)上,還需要重點(diǎn)開展翼身融合布局、桁架支撐翼布局、分布式推進(jìn)布局等新型氣動(dòng)布局技術(shù)研究,優(yōu)化飛機(jī)氣動(dòng)特性,改善飛機(jī)飛行性能。

2.2 電推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與集成技術(shù)

具有高效率、輕重量的電推進(jìn)系統(tǒng)是電動(dòng)飛機(jī)研制成敗的關(guān)鍵。為了保證電動(dòng)飛機(jī)具有足夠的航時(shí),電動(dòng)機(jī)、控制器、螺旋槳要具有最高的效率。通過合理設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)磁路結(jié)構(gòu),使永磁體的利用率達(dá)到最優(yōu),保證永磁體磁場(chǎng)穩(wěn)定工作在設(shè)計(jì)點(diǎn)附近,從而實(shí)現(xiàn)高效率電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)；開展控制器的低壓供電設(shè)計(jì)、冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)、低功耗設(shè)計(jì),以提高控制器效率；基于機(jī)翼理論和渦流理論,開展高效率螺旋槳設(shè)計(jì),獲得最大效率螺旋槳的幾何特性,包括：弦長分布、槳葉角分布。

2.3 輕質(zhì)高效復(fù)材結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

為了降低電動(dòng)飛機(jī)能耗,電動(dòng)飛機(jī)需要使用輕質(zhì)高效的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。通過監(jiān)測(cè)樹脂流動(dòng)、浸潤、固化過程,優(yōu)化復(fù)合材料工藝參數(shù)、鋪層、模具工裝,以減輕結(jié)構(gòu)重量、降低結(jié)構(gòu)成本、抑制內(nèi)殘余應(yīng)力、控制結(jié)構(gòu)變形。研究復(fù)合材料結(jié)構(gòu)表面處理技術(shù),提高飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的表面光潔度,進(jìn)而減小空氣阻力。

2.4 高性能電池設(shè)計(jì)技術(shù)

電池的壽命、能量密度、功率密度是制約電動(dòng)飛機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵因素,直接影響電動(dòng)飛機(jī)航時(shí)、航程。因此,應(yīng)重點(diǎn)開展高能量密度鋰電池、高功率密度燃料電池、高效率太陽能電池、結(jié)構(gòu)功能一體化儲(chǔ)能材料等研究。

3 電動(dòng)飛機(jī)發(fā)展展望

針對(duì)航空業(yè)“第三次技術(shù)革命”,國外的重視和支持力度實(shí)屬空前,如果中國不繼續(xù)保持研發(fā)投入與科技創(chuàng)新,近10年電動(dòng)飛機(jī)發(fā)展的技術(shù)優(yōu)勢(shì)將會(huì)很快被超越。因此,建議電動(dòng)飛機(jī)要按照以下4點(diǎn)構(gòu)建全面的規(guī)劃：

1) 以高功率高效率電推進(jìn)系統(tǒng)為研發(fā)重點(diǎn)

形成中國電推進(jìn)系統(tǒng)系列型譜,在現(xiàn)有電推進(jìn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究及系統(tǒng)集成基礎(chǔ)上,開展140 kW、260 kW、500 kW、1 MW系列電推進(jìn)系統(tǒng)研制,支撐中國電動(dòng)飛機(jī)型號(hào)持續(xù)發(fā)展。

2) 以電電混合電推進(jìn)系列飛機(jī)為研發(fā)核心

在鋰電池與燃料電池混合的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步探討采用太陽能、鋁空氣電池等進(jìn)行組合,開展短途通勤/運(yùn)輸電動(dòng)飛機(jī)研制,突破高效儲(chǔ)氫、高壓力加氫、電解池制氫、高效率輕質(zhì)燃料電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)與集成、電電混合動(dòng)力能量管理技術(shù)、兆瓦級(jí)電動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)、低噪聲高效率可變距螺旋槳設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)。

3) 以現(xiàn)有電動(dòng)飛機(jī)型號(hào)運(yùn)營支持體系研究為關(guān)鍵

國內(nèi)現(xiàn)僅針對(duì)大型民用飛機(jī)開展了運(yùn)營支持體系關(guān)鍵技術(shù)研究,對(duì)電動(dòng)飛機(jī)還未開展。運(yùn)營支持體系的成與敗關(guān)系到飛機(jī)全壽命周期的使用與安全,計(jì)劃到2025年,在運(yùn)行安全工程與技術(shù)、維修工程與技術(shù)、培訓(xùn)工程與技術(shù)、工程數(shù)據(jù)應(yīng)用等方面開展運(yùn)營支持體系建設(shè),構(gòu)建相對(duì)獨(dú)立、適應(yīng)市場(chǎng)的電動(dòng)飛機(jī)運(yùn)營支持體系。

4) 以拓展新型電動(dòng)飛行器研發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建為目標(biāo)

為了繼續(xù)保持新能源電動(dòng)飛機(jī)研制優(yōu)勢(shì),應(yīng)加快拓展各應(yīng)用場(chǎng)景下的全譜系電動(dòng)飛行器研制,研制包括水上四座電動(dòng)飛機(jī)、小型電動(dòng)直升機(jī)、電動(dòng)力飛艇、長航時(shí)太陽能飛機(jī),構(gòu)建可廣泛應(yīng)用于城市空運(yùn)、短途運(yùn)輸、通訊中繼、軍事偵察等領(lǐng)域的新型電動(dòng)飛行器。系統(tǒng)開展電動(dòng)飛機(jī)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范制定,填補(bǔ)電動(dòng)飛機(jī)標(biāo)準(zhǔn)空白。

4 結(jié) 論

1) 電動(dòng)飛機(jī)是實(shí)現(xiàn)中國與世界航空強(qiáng)國并駕齊驅(qū)的重要領(lǐng)域,建議高度重視、提早布局。明確中國電動(dòng)飛機(jī)的發(fā)展戰(zhàn)略與規(guī)劃,制定電動(dòng)飛機(jī)發(fā)展路線,引導(dǎo)電動(dòng)飛機(jī)健康、快速、有序發(fā)展。

2) 電動(dòng)飛機(jī)研發(fā)與應(yīng)用是一項(xiàng)龐大的系統(tǒng)工程,涉及到航空宇航科學(xué)技術(shù)、機(jī)械、電子、材料、管理等學(xué)科,僅靠遼寧通用航空研究院現(xiàn)有力量難以支撐電動(dòng)飛機(jī)后續(xù)高質(zhì)量發(fā)展,因此應(yīng)以遼寧通用航空研究院為基礎(chǔ),整合全國優(yōu)勢(shì)科研力量,形成合力,成立電動(dòng)飛機(jī)國家工程技術(shù)研究中心來推動(dòng)電動(dòng)飛機(jī)發(fā)展。

3) 電動(dòng)飛機(jī)研發(fā)周期長、經(jīng)費(fèi)需求量大,目前研發(fā)經(jīng)費(fèi)嚴(yán)重不足。為了加強(qiáng)中國電動(dòng)飛機(jī)型號(hào)研制工作,占領(lǐng)國際通用航空電動(dòng)化的至高點(diǎn),應(yīng)設(shè)置電動(dòng)飛機(jī)重大專項(xiàng),支持電動(dòng)飛機(jī)研發(fā)。

4) 參照電動(dòng)汽車銷售補(bǔ)貼政策,對(duì)滿足續(xù)航指標(biāo)的電動(dòng)飛機(jī)銷售給予補(bǔ)貼。在推廣初期給予飛行補(bǔ)貼,形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模后可以減少或不補(bǔ)。