制造商的新能源轉(zhuǎn)型

董幗熊

近年來(lái)，為了有效應(yīng)對(duì)航空業(yè)面臨的環(huán)境挑戰(zhàn)，降低碳排放與噪聲，無(wú)論是飛機(jī)制造商還是發(fā)動(dòng)機(jī)制造商都在積極布局未來(lái)。這其中既有ATR、巴航工業(yè)這樣的支線飛機(jī)制造商，也有空客、波音這樣的干線飛機(jī)制造商，除此之外，普惠、羅羅等動(dòng)力系統(tǒng)供應(yīng)商也積極參與其中?？梢哉f(shuō)，飛機(jī)制造商正與動(dòng)力系統(tǒng)供應(yīng)商等一起，加速推進(jìn)一場(chǎng)新能源轉(zhuǎn)型的革命。

通用電動(dòng)飛機(jī)加速投入商運(yùn)

相對(duì)干線飛機(jī)和支線飛機(jī)，通用飛機(jī)有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適航認(rèn)證過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，因此也成為了飛機(jī)制造商和發(fā)動(dòng)機(jī)制造商新能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的前沿陣地。一方面，在通用飛機(jī)平臺(tái)上進(jìn)行驗(yàn)證可以快速投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)、降低成本，另一方面也可以作為關(guān)鍵技術(shù)的驗(yàn)證平臺(tái)，為后續(xù)在更大型飛機(jī)平臺(tái)上使用積累經(jīng)驗(yàn)。

從全球范圍來(lái)看，目前已有一些通用飛機(jī)制造商完成了初步的探索，相應(yīng)產(chǎn)品獲得了適航證，并已計(jì)劃投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。如加拿大海港航空公司與MagniX公司合作完成了全球首架商用飛機(jī)改裝電動(dòng)飛機(jī)。這架飛機(jī)由一個(gè)功率為560千瓦的電機(jī)替換原有活塞發(fā)動(dòng)機(jī)。目前，這款飛機(jī)正在開(kāi)展補(bǔ)充取證（STC）工作，計(jì)劃于2022年投入短途商業(yè)運(yùn)營(yíng)。在完成了新能源轉(zhuǎn)型之后，全新經(jīng)過(guò)改裝的采用電推進(jìn)系統(tǒng)的飛機(jī)能夠有效降低能源消耗與維護(hù)成本。據(jù)估計(jì)，采用全新動(dòng)力裝置的飛機(jī)在5年內(nèi)的運(yùn)營(yíng)成本較傳統(tǒng)飛機(jī)可降低70%～80%。

作為技術(shù)驗(yàn)證平臺(tái)典型代表的還有NASA的X-57驗(yàn)證機(jī)與羅羅公司的“創(chuàng)新精神”驗(yàn)證機(jī)。X-57項(xiàng)目是NASA在2015年提出的，旨在研究分布式電推進(jìn)布局及相關(guān)技術(shù)。目前，該項(xiàng)目已經(jīng)完成了基線飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)電動(dòng)化試飛研究，正在開(kāi)展分布式電推進(jìn)改裝。2019年11月，NASA展示了首款X-57電動(dòng)原型機(jī)，預(yù)計(jì)其巡航狀態(tài)能量效率較基線飛機(jī)提高4倍以上。未來(lái)如果這款飛機(jī)獲得技術(shù)突破并投入市場(chǎng)，或?qū)⒏淖內(nèi)蛎裼蔑w機(jī)市場(chǎng)格局。

“創(chuàng)新精神”驗(yàn)證機(jī)是羅羅在英國(guó)政府資助下開(kāi)展的“加速飛行電氣化”平臺(tái)，采用全電推進(jìn)系統(tǒng)和固定翼構(gòu)型，設(shè)計(jì)功率400千瓦、速度480千米/小時(shí)。2021年，“創(chuàng)新精神”驗(yàn)證機(jī)完成首飛，并打破了全電動(dòng)飛機(jī)最快飛行速度。

渦扇支線飛機(jī)的演示驗(yàn)證

縱觀全球，正在推進(jìn)中的小型支線飛機(jī)的新能源轉(zhuǎn)型項(xiàng)目有很多，有一些是計(jì)劃采用混合電推進(jìn)系統(tǒng)，也有一些則計(jì)劃“一步到位”，采用氫能等清潔能源，但總體來(lái)看，所有項(xiàng)目基本都處于演示驗(yàn)證階段。

聯(lián)合技術(shù)公司正在開(kāi)展的支線飛機(jī)混合電推進(jìn)計(jì)劃是基于龐巴迪沖-8支線飛機(jī)進(jìn)行的，使用了2兆瓦級(jí)混合電推進(jìn)系統(tǒng)替換一側(cè)的PW121渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)，根據(jù)計(jì)劃，這一項(xiàng)目將在2022年首飛。發(fā)動(dòng)機(jī)制造商羅羅公司開(kāi)展了一個(gè)2.5兆瓦級(jí)混合電推進(jìn)系統(tǒng)的研發(fā)工作，是當(dāng)前航空領(lǐng)域容量最大的混合動(dòng)力系統(tǒng)，目前已進(jìn)入地面試驗(yàn)階段。

老牌的渦槳支線飛機(jī)制造商ATR公司計(jì)劃在ATR42和ATR72飛機(jī)上進(jìn)行新能源轉(zhuǎn)型計(jì)劃。在2021年11月的迪拜航展上，ATR公司與加普惠公司簽署了一項(xiàng)針對(duì)ATR42和ATR72-600飛機(jī)的升級(jí)計(jì)劃。該計(jì)劃將在這兩款機(jī)型中采用加普惠公司最新的PW127XT新型發(fā)動(dòng)機(jī)取代之前傳統(tǒng)的渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)。

加普惠公司的PW127XT新型發(fā)動(dòng)機(jī)已實(shí)現(xiàn)了50%的可持續(xù)航空燃料（SAF）的支持，并計(jì)劃在2022年第二季度之前實(shí)現(xiàn)100%采用SAF。加普惠的PW127XT發(fā)動(dòng)機(jī)是公司“下一代支線客機(jī)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)（NGRT）”項(xiàng)目下研發(fā)的一款全新產(chǎn)品。這款產(chǎn)品通過(guò)提高壓氣機(jī)、渦輪機(jī)的功率和效率，挖掘傳統(tǒng)動(dòng)力形式渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的效率極限。相比上一代PW127發(fā)動(dòng)機(jī)，這款新發(fā)動(dòng)機(jī)提高了40%左右的在翼時(shí)間、降低了20%的維護(hù)成本、提高了3%的燃油效率，并將發(fā)動(dòng)機(jī)大修時(shí)間間隔延長(zhǎng)至2萬(wàn)小時(shí)，每10年僅需要安排兩次發(fā)動(dòng)機(jī)例行檢修。根據(jù)計(jì)劃，全新的PW127XT發(fā)動(dòng)機(jī)將在2022年第四季度之后裝配所有ATR公司新生產(chǎn)的ATR42和ATR72-600飛機(jī)。

巴航工業(yè)的提前布局

2021年11月8日，巴航工業(yè)在創(chuàng)新大會(huì)上正式向業(yè)界發(fā)布了一款名為Energia的新能源飛機(jī)，引發(fā)業(yè)界關(guān)注。Energia系列包括4款飛機(jī)，其中兩款9座級(jí)小型商務(wù)機(jī)（E9-HE和E9-FE）、一款19座級(jí)小型客機(jī)（E19-H2FC）和一款35～50座級(jí)小型客機(jī)（E50-H2GT）。4款飛機(jī)采用的動(dòng)力形式雖各不相同，但都以電能或氫能作為主要或輔助動(dòng)力來(lái)源，來(lái)實(shí)現(xiàn)減少碳排放的目標(biāo)。

Energia系列的4款飛機(jī)在總體和氣動(dòng)布局上具有很高的相似性，例如都采用常規(guī)氣動(dòng)布局、T形尾翼和置于機(jī)身后部的螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)，但采用了4種不同的動(dòng)力系統(tǒng)方案。截至當(dāng)前，巴航工業(yè)已公布Energia系列四款飛機(jī)的外形概念圖和主要目標(biāo)性能，但仍未披露具體的外形設(shè)計(jì)尺寸。

根據(jù)巴航工業(yè)公布的計(jì)劃，未來(lái)最先投入運(yùn)營(yíng)的是9座級(jí)小型商務(wù)機(jī)E9-HE，又名“混動(dòng)號(hào)”（Hybrid），該機(jī)設(shè)計(jì)航程為500英里（約926公里），計(jì)劃于2030年前投入運(yùn)營(yíng)。E9-HE采用混合電推進(jìn)系統(tǒng)，一對(duì)置于機(jī)身側(cè)后方的螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)可同時(shí)利用航空燃油和電池產(chǎn)生推力。電池在飛機(jī)起飛和爬升階段供電，使發(fā)動(dòng)機(jī)獲得額外推力，在飛機(jī)巡航狀態(tài)停止供電。電池的輔助功率可保證發(fā)動(dòng)機(jī)在整個(gè)飛行過(guò)程中保持最佳工作狀態(tài)，從而提高燃油利用率、減少碳排放。E9-HE飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)可支持100%的可持續(xù)航空燃料（SAF），以進(jìn)一步減少碳排放。

據(jù)巴航工業(yè)官方公布數(shù)據(jù)，當(dāng)E9-HE飛機(jī)采用100%的SAF或JetA1航空燃料時(shí)，相比于傳統(tǒng)純動(dòng)力方案，能夠分別減少90%或60%的二氧化碳排放;后置螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)將比傳統(tǒng)機(jī)翼下方吊掛方案減少60%外部噪聲。根據(jù)目前的測(cè)試結(jié)果，發(fā)動(dòng)機(jī)的電機(jī)部分僅靠風(fēng)冷就可以保持理想工作狀態(tài)，無(wú)須額外增加電機(jī)熱管理系統(tǒng)?？紤]到在電機(jī)輔助下，燃油發(fā)動(dòng)機(jī)的峰值功率大幅降低，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱管理復(fù)雜度也可有效降低，從而提升飛機(jī)飛行性能和穩(wěn)定性。

9座級(jí)小型商務(wù)機(jī)E9-FE，又名“電動(dòng)號(hào)”（Electric），設(shè)計(jì)航程為200英里（約370公里），計(jì)劃于2035年前投入運(yùn)營(yíng)。E9-FE采用純電推進(jìn)系統(tǒng)，配備單臺(tái)電機(jī)，置于T形垂尾正上方，電機(jī)采用兩組反向旋轉(zhuǎn)的螺旋槳，電池位于機(jī)頭處。巴航工業(yè)計(jì)劃為E9-HE定制可拆卸電池組，以減少電池的更換時(shí)間、降低電池的使用和維護(hù)成本。E9-HE的典型特征是接近滑翔機(jī)的大展弦比，該機(jī)具有“專(zhuān)為滑翔而設(shè)計(jì)（glider-inspired）的機(jī)翼”，從而可盡可能地提升飛機(jī)的氣動(dòng)性能，彌補(bǔ)電推進(jìn)系統(tǒng)在能量密度方面的不足。據(jù)巴航工業(yè)官方公布數(shù)據(jù)， E9-FE飛機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)飛行過(guò)程零排放，后置電機(jī)能夠減少80%的外部噪聲，是Energia系列中減噪效果最好的飛機(jī)，更適合靠近市中心的機(jī)場(chǎng)使用。

19座級(jí)小型客運(yùn)飛機(jī)E19-H2FC，又名“氫燃料電池號(hào)”（H2 Fuel Cell），設(shè)計(jì)航程為200英里（約370公里），與E9-FE同樣計(jì)劃于2035年前投入運(yùn)營(yíng)。E19-H2FC飛機(jī)采用氫燃料電池電推進(jìn)系統(tǒng)，采用一對(duì)置于機(jī)身側(cè)后方的電機(jī)，機(jī)身內(nèi)安裝有儲(chǔ)氫罐和能量轉(zhuǎn)換裝置，為電機(jī)提供電能。該機(jī)航程可以根據(jù)客戶需求進(jìn)行增程，但目前巴航工業(yè)未公開(kāi)披露實(shí)現(xiàn)增程的具體技術(shù)細(xì)節(jié)。據(jù)巴航工業(yè)官方公布數(shù)據(jù)，E19-H2FC飛機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)飛行過(guò)程零排放，后置電機(jī)能夠減少70%的外部噪聲。

計(jì)劃最晚投入運(yùn)營(yíng)的是35～50座級(jí)小型客機(jī)E50-H2GT，又名“氫渦輪號(hào)”（H2 Gas Turbine），該機(jī)設(shè)計(jì)航程為350～500英里（約648～926公里），計(jì)劃于2040年前投入運(yùn)營(yíng)。E50-H2GT采用一對(duì)置于機(jī)身側(cè)后方的渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，該機(jī)最具特色的是，能夠同時(shí)支持以液氫或航空燃油作為燃料。當(dāng)執(zhí)行短距離任務(wù)時(shí)，E50-H2GT飛機(jī)將采用100%液氫作為燃料，設(shè)計(jì)航程為350英里（約648公里）;當(dāng)執(zhí)行遠(yuǎn)距離任務(wù)時(shí)，則可換為100%SAF作為燃料，設(shè)計(jì)航程為500英里（約926公里）。

中國(guó)企業(yè)的探索

在國(guó)內(nèi)，一些通航企業(yè)和科研院所對(duì)電動(dòng)飛機(jī)的研發(fā)并不晚，并且以億航為代表的企業(yè)已經(jīng)取得了一些階段性成果。除此之外，高校和科研院所在電動(dòng)飛行領(lǐng)域的積極性也頗高。

以億航為例，其生產(chǎn)的垂直起降產(chǎn)品（eVTOL）不僅在2020年獲得了中國(guó)民航局型號(hào)適航審定的受理，同時(shí)還獲得了美國(guó)、挪威、加拿大等多個(gè)國(guó)家適航當(dāng)局的特許飛行許可。

2021年，億航發(fā)布了一款名為VT-30的eVTOL，這款雙座飛機(jī)為混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)，并采用了復(fù)合材料的機(jī)翼，設(shè)計(jì)航程達(dá)到300公里，設(shè)計(jì)續(xù)航時(shí)間100分鐘。VT-30尾部設(shè)有組合升降方向舵面，兩側(cè)分布有8個(gè)螺旋槳和一對(duì)固定的機(jī)翼，尾部設(shè)有推進(jìn)螺旋槳，采用三余度電傳操縱系統(tǒng)。根據(jù)億航公司的規(guī)劃，這款產(chǎn)品將與公司現(xiàn)有的EH216產(chǎn)品相互補(bǔ)充，并進(jìn)一步針對(duì)城際間空中交通運(yùn)輸使用，從而進(jìn)一步打造城市空中交通生態(tài)系統(tǒng)。

此外，在電動(dòng)飛機(jī)的研發(fā)方面，作為國(guó)內(nèi)唯一一所系統(tǒng)開(kāi)展新能源電動(dòng)飛機(jī)研制的科研機(jī)構(gòu)——遼寧通航研究院充分發(fā)揮沈陽(yáng)航空航天大學(xué)航空特色教育科研資源優(yōu)勢(shì)，積極探索推動(dòng)新能源航空設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)、適航、運(yùn)營(yíng)和人才培養(yǎng)的全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，使我國(guó)小型、輕型新能源飛機(jī)產(chǎn)業(yè)化水平處于全球領(lǐng)跑地位。該研究院研發(fā)的銳翔RX1E是國(guó)內(nèi)首個(gè)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)并率先完成適航取證并進(jìn)入市場(chǎng)的電動(dòng)輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)。目前已廣泛用于飛行員培訓(xùn)、觀光旅游飛行、高精度航拍航測(cè)等用途，相關(guān)產(chǎn)品已率先完成適航取證并進(jìn)入市場(chǎng)，獲得148架訂單，已經(jīng)交付14架，累計(jì)運(yùn)行3430小時(shí)。在此基礎(chǔ)上，遼寧通航研究院正在全力推進(jìn)電動(dòng)飛機(jī)譜系化發(fā)展，加快形成從雙座到四座、陸上到水上、固定翼到旋轉(zhuǎn)翼的新能源通用航空飛機(jī)發(fā)展格局。

此外，國(guó)家層面也高度重視新能源飛機(jī)的發(fā)展，工信部正著手制定“綠色能源航空器發(fā)展路線圖”，針對(duì)電動(dòng)、混合動(dòng)力、氫能源和生物燃料等不同能源模式開(kāi)展研究，形成綠色能源航空器發(fā)展路線圖。與此同時(shí)，我國(guó)電動(dòng)飛機(jī)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和適航規(guī)章也在制定中。作為我國(guó)商用飛機(jī)項(xiàng)目研制主體的中國(guó)商飛公司近年來(lái)也十分關(guān)注綠色飛行技術(shù)。2021年，中國(guó)商飛公司下屬的北京民用飛機(jī)研發(fā)中心公布了一款采用復(fù)合材料機(jī)翼的i-eVTOL垂直起降飛機(jī)。但客觀來(lái)說(shuō)，在這一領(lǐng)域我國(guó)無(wú)論是在原始技術(shù)積累、產(chǎn)業(yè)鏈提前布局和專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)方面都還存在短板，面對(duì)轉(zhuǎn)型升級(jí)，還需要產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)認(rèn)真思考和提前謀篇布局。