電推進飛機促進航空業(yè)變革

■ 李洪亮 康元麗 回彥年 / 中國商飛北京民用飛機技術(shù)研究中心

與傳統(tǒng)燃油飛機相比，電推進飛機高效節(jié)能、排放低、噪聲低、系統(tǒng)簡單，正開啟航空領域新一輪變革，引領航空技術(shù)創(chuàng)新，推動航空綠色發(fā)展。

在能源革命的背景下，中國提出“二氧化碳排放力爭2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”的“雙碳”目標。在航空運輸領域，目前性能最優(yōu)的渦扇發(fā)動機的燃油效率在40%左右[1]，且已經(jīng)很難再進一步提升，以傳統(tǒng)的航空煤油為燃料的飛機在減排降噪上可挖掘的潛力已經(jīng)非常有限，為實現(xiàn)航空領域節(jié)能減排目標，必須尋求新的解決方案。與此同時，新能源技術(shù)作為我國七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，目前已經(jīng)初具規(guī)模：電機、電控、電池等技術(shù)得到了迅速發(fā)展，在工業(yè)領域鋰電池能量密度上升到300W?h/kg，電機的功率密度達到4kW/kg以上，支撐電推進飛機研制的技術(shù)基礎已經(jīng)具備。除了新能源技術(shù)本身的發(fā)展，電推進飛機的成熟還需要結(jié)合多電/全電技術(shù)，開展系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、氣動布局和飛行控制等方面的研究，以提高推進系統(tǒng)的效率，減少能源消耗，更需要為未來電推進飛機制定全新設計標準，建立適航體系方法，推動航空領域電氣化進程。

電推進飛機的發(fā)展現(xiàn)狀

目前，全球有200多項在研電推進飛機項目，包含傳統(tǒng)固定翼飛機改造、新構(gòu)型設計、全電推進系統(tǒng)和混合電推進等。近年來，電推進飛機的發(fā)展方向可分為純電動固定翼(eCTOL)、電動垂直起降（eVTOL)和混合電推進(HEA)3類。盡管各個機型的技術(shù)路線不同，但一般側(cè)重兩個方面的研究：一是電推進核心技術(shù)研究，包括高功率密度電驅(qū)動技術(shù)、電力電子技術(shù)，以及能源架構(gòu)設計、綜合能量管理、新型推進系統(tǒng)設計等；二是與氣動、結(jié)構(gòu)、飛控等融合設計，進行推進系統(tǒng)的整體創(chuàng)新，如美國國家航空航天局（NASA）的X-57高升力螺旋槳飛機和極光飛行科學公司的“雷擊”飛機的分布式涵道風扇，利用分布式動力降低阻力、提高升力，獲得較高的氣動效率，使飛機性能得以較大提升，最大程度地減小了電池的限制。

NASA 的X-57高升力螺旋槳飛機

總的來看，目前電推進飛機的發(fā)展主要是以電氣化技術(shù)為核心，促進能源行業(yè)持續(xù)進步，并不斷促進與能源、氣動、結(jié)構(gòu)、動力和飛控等相關技術(shù)的深度融合，在當前電推進技術(shù)水平最大程度地實現(xiàn)氣動、噪聲、推進效率的全面提升[2]。此外，當前的新能源、自動駕駛、智能網(wǎng)聯(lián)、增材制造和新型材料等技術(shù)的積累及市場化應用也為開展電推進飛機研制提供了條件保證，其設計與最新技術(shù)的結(jié)合也能促進航空業(yè)發(fā)展并形成新的生態(tài)圈，為航空業(yè)持續(xù)健康發(fā)展提供了難得的產(chǎn)業(yè)機遇。

鋰電池技術(shù)發(fā)展預測

電推進飛機的技術(shù)變革

電推進飛機的技術(shù)變革（或關鍵技術(shù)）主要體現(xiàn)在能源系統(tǒng)、飛機推進系統(tǒng)、飛機總體設計/氣動布局和飛行控制等幾個方面。

能源動力系統(tǒng)持續(xù)發(fā)展

電推進飛機最顯著特點是能源架構(gòu)簡潔、動力系統(tǒng)效率高，這主要得益于省去了復雜傳動機構(gòu)，從電池到電驅(qū)動、電機端的傳輸效率可達90%以上。而電池和電機是電推進飛機的核心技術(shù)，其性能的優(yōu)劣將直接影響飛機的整體性能。

NASA的研究表明，400W?h/kg的電池能量密度足以支持有意義的電動和混合電動飛機[3]?；诠虘B(tài)電池，鋰硫電池高能量密度電池也不斷取得技術(shù)突破，當前的電池技術(shù)已具備開展電推進系統(tǒng)試驗驗證的基礎。如NASA正在研究的“納米電燃料液流電池”，其目標是可像燃油一樣供能，從而為飛機提供安全、清潔、安靜的儲能系統(tǒng)，該液流電池比一般的鋰電池的能量密度高，且熱性能穩(wěn)定[4]。其他的綠色能源還包括超級電容、可持續(xù)航空燃料（SAF）和氫能等。特別是以SAF和氫能為代表的綠色能源形式，將有助于降低航空碳排放——SAF有望將二氧化碳凈排放降低75%以上，氫燃料有望實現(xiàn)航空業(yè)凈零排放。

在電機方面，目前的功率密度已經(jīng)普遍接近4kW/kg。西門子公司在Extra 330L飛機中使用的電機總功率260kW，功率密度為5.2kW/kg；伊利諾伊大學已經(jīng)完成13kW/kg的電機設計，效率大于96%；諾丁漢大學設計的另一種Halbach結(jié)構(gòu)外轉(zhuǎn)子超高功率密度永磁電動機，功率密度為15.8kW/kg，效率能達到96.8%；俄羅斯中央航空發(fā)動機研究院(CIAM)正在開發(fā)一種基于高溫超導體的新型電機的功率為500kW，已于2021年2月5日開始進行測試，并利用雅克-40飛機完成搭載試飛。此外，功率密度大于10kW/kg的寬禁帶（禁帶寬度在2.3eV以上）半導體器件可大幅提高工作電壓和開關頻率，從而提高功率密度，實現(xiàn)兆瓦級電驅(qū)動，GE公司和NASA已經(jīng)基于SiC等器件制造了出兆瓦級的電推進飛機驅(qū)動系統(tǒng)，探索其未來應用于大型支線客機的可能性。

納米電燃料液流電池(NEF)

氫能飛機

電機和電力電子系統(tǒng)發(fā)展預測

雅克-40飛機和其超導電機

由此可見，電推進飛機和能源動力行業(yè)正在相互促進，不斷進步和發(fā)展。電推進飛機的研制在促進能源動力行業(yè)發(fā)展的同時，也必須匹配當前以及未來電氣化工業(yè)的水平，并合理制訂電推進方案，提高電推進飛機的續(xù)航時間及性價比，最終實現(xiàn)滿足市場化需求和應用的產(chǎn)品。

S4飛機

飛機推進系統(tǒng)的創(chuàng)新

電推進技術(shù)給飛機推進系統(tǒng)帶來的創(chuàng)新主要有兩點：一是簡化推進系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使飛機更加簡潔可控，有效提高推進系統(tǒng)效率，增大能量控制的靈活性和容錯性，提高系統(tǒng)安全性；二是由于電推進的尺寸無關特性，推進系統(tǒng)可根據(jù)飛機的用途靈活安置，設計空間變得更為自由。

電推進技術(shù)對飛機推進系統(tǒng)的最佳創(chuàng)新實踐體現(xiàn)在分布式推進上。相比傳統(tǒng)集中式推進，采用分布式推進可優(yōu)化飛行空氣流場，降低阻力和噪聲，提高了系統(tǒng)安全性，也可以實現(xiàn)垂直起降等特殊功能。例如，喬比（Joby）航空公司推出的2座S2飛機和5座S4飛機采用16組分布式推進，其中12組用于垂直起降、4組用于巡航。S4飛機最高速度可達322km/h，而電能消耗只有汽車的1/5，飛行里程可達240km，巡航時分布式螺旋槳可折疊，減少了氣動阻力，而降落后甚至可利用風能充電。

飛機推進系統(tǒng)的創(chuàng)新還體現(xiàn)在混合電推進上。2019年6月，基于6座賽斯納337改型的混合動力飛機進行了首次飛行，該飛機采用了并行混合動力設計，它的前部有1臺汽油發(fā)動機，后部有1個由輕型電池系統(tǒng)供電的電推進系統(tǒng)，兩個動力裝置完全獨立，但能協(xié)同工作以優(yōu)化能量輸出。2020年，法國沃特（Volt）航空公司的Cassio 1混合動力飛機首飛，兩側(cè)機翼上各加裝了1臺賽峰集團研制的ENGINeUS型電機，總功率近440kW，還在尾部采用了同軸并聯(lián)式混合電推進裝置，由1臺270kW的內(nèi)燃發(fā)動機和3臺60kW電機通過1個動力輸出軸帶動1個螺旋槳。NASA近期通過借鑒潛艇等裝備，推出一種無軸輪緣電機[4]，將螺旋槳和電機一體設計，減少了電機運行的扭矩并消除了中心輪轂帶來的阻力，該方案需要進一步試驗驗證。

Cassio 1飛機和同軸并聯(lián)式混動

NASA無軸輪緣電機

飛機總體設計和氣動布局

電推進對飛機總體和氣動性能的改進主要是通過動力系統(tǒng)合理分配，改變飛機飛行時氣動流場，主要體現(xiàn)在與機翼的集成設計，采用涵道風扇、前緣異步推進技術(shù)（LEAPTech）、邊界層吞吸技術(shù)(BLI)等設計減少阻力和噪聲，提高效率。

例如，X-57飛機前緣異步推進技術(shù)[5]，在起降階段由多個分布在機翼前緣的小螺旋槳利用滑流效應提高空氣動力效率，而在巡航階段則采用兩端大螺旋槳提供動力，這種方式優(yōu)化了機翼設計，使機翼面積減少一半，升阻比超過20。NASA為減少混合動力飛機發(fā)電機、發(fā)動機和動力分配系統(tǒng)的總體質(zhì)量，開展前緣嵌入式分布(STARC-LEED)概念的混合動力飛機的研究[6]，對機翼和推進器進行有效結(jié)構(gòu)整合，將電動推進器嵌在機翼內(nèi)部或雙翼之間。STARC-ABL飛機采用渦輪電推進形式，尾部風扇采用2.6MW電機驅(qū)動，基于邊界層抽吸技術(shù)對機身低速邊界層進行抽吸和加速，提高飛機升阻比，預計能夠減少10%的燃油消耗。

飛行控制的改變

電推進飛機的飛行控制的改變主要體現(xiàn)在兩個方面：一是由于電氣系統(tǒng)具有線性化的特點，將復雜執(zhí)行機構(gòu)進行了解耦，而且動態(tài)響應較快，提升了飛行控制性能；二是基于電推進帶來的構(gòu)型設計革新，使得傳統(tǒng)控制方式發(fā)生改變，例如，可能會取消或減少傳統(tǒng)的水平或垂直尾翼，從而減少飛機質(zhì)量和阻力。

X-57機翼設計

STARC-LEED飛機機翼分布式電機一體設計

德國的百合（Lilium）飛機公司于2019年5月完成了5座“百合”飛機的試飛測試。“百合”飛機采用了36個電動風扇，取消了傳統(tǒng)飛機的裝置運動控制，包括垂尾、副翼和升降舵等，在飛行控制上進行了大膽的技術(shù)創(chuàng)新。該飛機依靠飛控系統(tǒng)對電機進行控制，以改變飛行狀態(tài)，前向電機控制飛機的俯仰運動，機翼上的電機控制滾轉(zhuǎn)運動，而通過兩側(cè)電機差動速度實現(xiàn)偏航運動，并可以通過改變旋翼的速度來繞軸盤旋。

“百合”飛機

發(fā)展前景與挑戰(zhàn)

電推進技術(shù)目前已成為推動航空業(yè)綠色發(fā)展，應對全球環(huán)境挑戰(zhàn)的重要舉措。當前的新能源飛機發(fā)展面臨的主要挑戰(zhàn)包括：一是續(xù)航時間短，目前純電動飛機極限航程小于300km，還很難走向市場化；二是飛行安全性存疑，由于眾多新構(gòu)型產(chǎn)生，技術(shù)應用不明朗，缺少相關設計標準規(guī)范，飛機的動力系統(tǒng)安全不能得到有效保證；三是眾多電推進飛機很難通過美國聯(lián)邦航空局（FAA）、歐洲航空安全局（EASA）和中國民航局（CAAC）的適航認證，由于電推進飛機技術(shù)尚不成熟，缺少有針對性的適航條款；四是核心技術(shù)難題亟待突破，受限于電池、電機和電力電子系統(tǒng)的技術(shù)瓶頸，電推進飛機的功重比亟待提高。

安全性的解決方案

電推進飛機相比燃油飛機簡化了能源動力系統(tǒng)架構(gòu)，為預測和排除故障帶來了便利。目前，電推進飛機能源和動力架構(gòu)多采用分布式，理論上更具有安全性，但新技術(shù)成熟度還不高，為飛行安全帶來挑戰(zhàn)。西門子公司的eFusion飛機、波音公司的PAV飛機和小鷹（Kitty Hawk）公司的HeavisideL飛機都發(fā)生過墜毀，讓人們對電推進飛機的安全性提出了質(zhì)疑。

在電推進飛機的設計中，鋰電池和氫能最具應用前景。但鋰電池熱失控的問題一直是困擾整個工業(yè)領域的難題。例如，NASA的X-57飛機的鋰離子電池在2016年12月的熱失控測試中失敗，為此NASA不得不將重新設計電池模塊。而“百合”飛機也在地面維護時發(fā)生過燃燒。同樣，氫能在存儲和運輸?shù)确矫嬉泊嬖谝幌盗邪踩珕栴}，目前距離完全成熟應用還有一定距離。如何提高電推進飛機的系統(tǒng)安全性，提高技術(shù)成熟度，解決能源難題，防止故障產(chǎn)生和蔓延，是電推進飛機不得不面臨的挑戰(zhàn)。

標準規(guī)范和適航認證

目前的電動飛機在技術(shù)路線具有很大的差異，客觀上造成了缺乏適航文件和指導設計、生產(chǎn)、制造的相關標準等困難，以致于很多機型難以通過適航認證。

具體來說，電推進飛機多為19座以下，該類飛機主要按CCAR-23部或FAR-23部適航標準設計和取證。中國民航局發(fā)布修訂的CCAR-23部《正常類飛機適航規(guī)定》，專門增加了H章“電動飛機補充要求”，對電推進系統(tǒng)、電池和配電系統(tǒng)，以及電池和電動力系統(tǒng)的防火增加了補充要求。EASA在2019年7月發(fā)布了新型垂直起降機型（VTOL）的適航審定框架，并于2020年1月發(fā)布了純電和混合電推進系統(tǒng)（EHPS）適航審定征求意見稿SC-E19，開啟電動飛機適航審定之路。盡管如此，電動飛機的標準規(guī)范仍是缺乏的。當前，電推進裝置的設計與制造一般是執(zhí)行美國試驗和材料標準協(xié)會(ASTM)制定的ASTM F2840標準，不能夠完全適應和促進電推進飛機的發(fā)展。

針對以上情況，需要進一步利用行業(yè)資源，針對電推進飛機的構(gòu)型設計、電池測試、系統(tǒng)集成和相關設計制定標準，推進飛機電動化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

商業(yè)化進程

根據(jù)電推進技術(shù)攻關和成熟度提升的情況分析，大型電推進飛機目前尚不具備商業(yè)化應用的可能，而19座以下電推進飛機的應用條件已初具雛形，其商用場景主要可分為3類。

電推進飛機發(fā)展趨勢

第一類是城市空中交通（UAM），也是目前熱度最高的應用場景，NASA將其描述為可載人和載物的安全高效的城市空中交通系統(tǒng)。例如，Voopopter公司目前已經(jīng)在歐洲城市開展空中出租車計劃；中國億航公司與作為空中交通試點城市的廣州開展了相關合作；空客公司基于Skyways飛機正與新加坡合作開展無人機貨運服務?；诂F(xiàn)有技術(shù)的UAM飛機初步具備1.5h航時、200km航程的能力，可滿足城市服務要求，有望于2025年投入商業(yè)運營。UAM需要解決的難題是飛機的安全性、城市基礎設施建設和單次運行的成本等。

第二類是6～19座的通勤類飛機，航程為400km以上，可實現(xiàn)低污染的短途運輸。目前全電動飛機還很難做到，一般只能采用混合動力方式實現(xiàn)兆瓦級驅(qū)動。大型電推進飛機有望于2035年左右推出，但真正的商業(yè)化運營也面臨適航認證等諸多難題。

第三類為特殊場景應用，如災害救援、緊急醫(yī)療服務、電力巡檢和農(nóng)林植保等，這也是電推進飛機市場化容易取得突破的地方。由于技術(shù)和成本要求不高，電推進飛機可在該領域?qū)崿F(xiàn)應用，最終推廣到載人飛行領域。

總之，盡管還處于起步階段，但作為綠色航空發(fā)展的主要方向，電動飛機代表飛機發(fā)展的未來。當前，1～4座的電推進飛機技術(shù)方案已基本成熟。今后4～6座電推進飛機隨著技術(shù)升級會得到快速發(fā)展并不斷推出新的飛機構(gòu)型。19座電推進支線客機的市場化運營預計會在2030年以后，大型飛機的電推進上機應用預計會在2035年以后。

結(jié)束語

電推進作為一種新的技術(shù)變革呈現(xiàn)多樣性和交叉性的特點，為航空業(yè)帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)，也為開展多學科融合嘗試、推動航空業(yè)綠色持續(xù)發(fā)展提供了契機。電推進飛機的商業(yè)化應用絕不是一朝一夕的事，既面臨技術(shù)難題，也面臨適航法規(guī)的限制，電推進飛機作為航空業(yè)的新發(fā)展方向，需要各界的共同努力。