電動(dòng)航空器發(fā)展?fàn)顩r分析

王騰飛 寇淑然 任柏春 劉佩佩

（中國(guó)民航大學(xué)，天津 300000）

1 綜述

1.1 研究背景

隨著我國(guó)民航業(yè)的迅速發(fā)展，民航業(yè)在我國(guó)交通運(yùn)輸領(lǐng)域起到越來越重要的作用。運(yùn)輸需求的增加使得我國(guó)的航班量越來越多，對(duì)環(huán)境造成的污染也越來越嚴(yán)重。其中，交通工具不僅在化石燃料消耗及排放中所占的比例較大，而且影響人們的生活。在航空領(lǐng)域，其二氧化碳排放量占全球二氧化碳總排放量的2%以上且逐年上升[1]。

因此，為響應(yīng)“綠水青山就是金山銀山”的號(hào)召，新能源零排放飛機(jī)的發(fā)展已然越來越被人們所重視。我國(guó)目前在新能源零排放飛機(jī)的研究上與國(guó)際先進(jìn)水平并駕齊驅(qū)。

1.2 研究的重要性

目前新能源零排放飛機(jī)的動(dòng)力形式有生物燃料燃燒提供的熱能、氫能源、電能、太陽能等。電動(dòng)飛機(jī)作為新能源飛機(jī)又分為純電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)和油電混合動(dòng)力系統(tǒng)。純電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)的飛機(jī)一般由蓄電池和燃料電池這兩種燃料電池進(jìn)行供電；而油電混合動(dòng)力系統(tǒng)就好像現(xiàn)在的新能源汽車系統(tǒng)，飛機(jī)在不同的飛行狀態(tài)下所使用的動(dòng)力來源可能不同，對(duì)于飛行員和乘客來說都更接近于現(xiàn)在的燃料飛機(jī)。

1.3 研究熱點(diǎn)態(tài)勢(shì)分析

首先，新能源零排放燃料如何提高航空工業(yè)動(dòng)力系統(tǒng)的能量利用效率并降低污染物排放是每一個(gè)能源、動(dòng)力裝置研究人員所關(guān)心的問題。在這種情形下，能量來源是第一個(gè)問題。航空電池的研發(fā)是當(dāng)下重點(diǎn)科研態(tài)勢(shì)之一，從鉛蓄電池到鋰電池再到空氣電池，航空電池多種多樣的產(chǎn)品也用在了不同的實(shí)驗(yàn)飛機(jī)上。航空電池可以帶動(dòng)小型飛機(jī)飛行[2]。

此外，電動(dòng)飛機(jī)的氣動(dòng)性也是一個(gè)研究熱點(diǎn)。在傳統(tǒng)航空汽油供能的飛機(jī)上，飛機(jī)的機(jī)翼由于安裝著油箱和發(fā)動(dòng)機(jī)，需要承受較大的負(fù)向載荷，但是就電池供電飛機(jī)或太陽能電池飛機(jī)來說，電池的質(zhì)量理論上比燃油的質(zhì)量小得多。與此同時(shí)，由于電池的能量密度比航空汽油小，單位時(shí)間內(nèi)提供的能量小，使得飛機(jī)的性能較傳統(tǒng)飛機(jī)有巨大變化。

第三，電動(dòng)飛機(jī)與傳統(tǒng)飛機(jī)相比，部分機(jī)型的高空性能指標(biāo)較差。由于功率較小，飛機(jī)在爬升時(shí)會(huì)顯得相當(dāng)吃力甚至出現(xiàn)失速情況，非常危險(xiǎn)。由于電動(dòng)飛機(jī)受高密度高度影響，那么在高空性能就會(huì)更差。但是在太陽能飛機(jī)方面，飛機(jī)在高空會(huì)接收到更多太陽光線，理論上可以產(chǎn)生更大的功率，因此在此方面有發(fā)展的空間。

本文從全電動(dòng)航空器以及油電混合動(dòng)力系統(tǒng)航空器兩方面來展開論述，系統(tǒng)介紹了各類型電推進(jìn)技術(shù)的驅(qū)動(dòng)原理以及各國(guó)在電動(dòng)航空器領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r。

2 電動(dòng)飛機(jī)研究現(xiàn)狀

2.1 全電動(dòng)飛機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

由于全球?qū)η鍧嵦炜?、航空脫碳方面的關(guān)注，電動(dòng)航空器行業(yè)迎來了空前的繁榮。據(jù)英國(guó)《飛行國(guó)際》網(wǎng)站報(bào)道，截至2019年10月，全球共有電動(dòng)飛機(jī)項(xiàng)目約240項(xiàng)。歐洲作為電動(dòng)飛機(jī)項(xiàng)目研發(fā)最活躍的區(qū)域，共有72個(gè)電動(dòng)飛機(jī)項(xiàng)目正在開發(fā)過程中。美國(guó)則是繼歐洲以后電動(dòng)飛機(jī)項(xiàng)目第二大區(qū)域，有67個(gè)項(xiàng)目正在進(jìn)行中。同時(shí)，Air Race E也于2020年推出其首屆國(guó)際系列競(jìng)賽，旨在激烈的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境中，逐步滿足國(guó)際上對(duì)全電動(dòng)航空器的速度、性能和動(dòng)力管理的需求，也為更清潔、更快速、技術(shù)更先進(jìn)的電動(dòng)機(jī)的開發(fā)和推廣提供了完美的平臺(tái)。

2.1.1 美國(guó)企業(yè)研發(fā)項(xiàng)目

為了在各重大樞紐之間建立客運(yùn)航線，Regent項(xiàng)目組開啟了Seaglider的研究。Seaglider的一大特點(diǎn)是其水翼，便于滑翔機(jī)以水為跑道，低速行駛，隨后并以每小時(shí)180英里的高速度飛越海浪，其飛行原理與氣墊船相似，很好地利用了空氣動(dòng)力學(xué)，增大了航程。新型Seaglider全電動(dòng)飛行器將飛機(jī)與船只各自的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合，并利用現(xiàn)有碼頭基礎(chǔ)設(shè)施，執(zhí)行客運(yùn)和關(guān)鍵貨物運(yùn)輸工作，其航程可達(dá)290 km[3]。

2.1.2 法國(guó)企業(yè)研發(fā)項(xiàng)目

由空客集團(tuán)所開發(fā)的第一代E-Fan全電動(dòng)飛行器，成為全球第一架依靠自身動(dòng)能飛行，同時(shí)實(shí)現(xiàn)飛越英吉利海峽的飛機(jī)。E-Fan全電動(dòng)飛行器使用了全碳纖維行業(yè)復(fù)合材料，重約600 kg，配有兩個(gè)鋰電池發(fā)動(dòng)機(jī)，在蓄電池供應(yīng)滿格的情況下可飛行45 min至1 h。該飛行器飛行經(jīng)驗(yàn)豐富，現(xiàn)已進(jìn)行了100次以上的試飛試驗(yàn)[4]。

2.1.3 英國(guó)企業(yè)研發(fā)項(xiàng)目

英國(guó)勞斯萊斯公司希望建造世界上最快的電動(dòng)飛機(jī)，并為此整合其電推進(jìn)平臺(tái)。2019年，該公司研制了ACCEL全電動(dòng)飛機(jī)，這款電動(dòng)飛機(jī)被設(shè)計(jì)成為有螺旋槳的單座式電動(dòng)飛機(jī)，它的電池包含6 000塊密集電池，為三個(gè)輕型電機(jī)供電，總功率超過500馬力，續(xù)航里程200英里，最高時(shí)速超過300英里，已于2020年春季進(jìn)行了首飛試驗(yàn)[5]。

2.1.4 中國(guó)企業(yè)研發(fā)項(xiàng)目

沈陽航空航天大學(xué)遼寧通用航空研究院所研發(fā)、制造的RX1E銳翔增程型雙座電動(dòng)飛行器是一款雙座電動(dòng)輕型運(yùn)動(dòng)類航空器，同時(shí)也是中國(guó)國(guó)內(nèi)第一架擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的雙座電動(dòng)輕型運(yùn)動(dòng)航空器。機(jī)體的建造全部使用復(fù)合材料，螺旋槳的制造材料也是選用碳纖維，選用上單翼設(shè)計(jì)的機(jī)翼布局。該架飛機(jī)不僅環(huán)保、靜音，而且可以有效提高航時(shí)、航程。同時(shí)，該機(jī)配備了整機(jī)降落傘系統(tǒng)，大大提高了飛機(jī)的安全性能[6]。

2.2 油電混合推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

2.2.1 串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)

串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)包括動(dòng)力電池、增程系統(tǒng)和電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，增程系統(tǒng)包括二者相互連接的發(fā)電機(jī)與帶動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電的發(fā)動(dòng)機(jī)，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括螺旋槳和為螺旋槳提供驅(qū)動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，動(dòng)力電池則為驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供電能[7]。

在2017年11月，空客公司、西門子公司與羅羅公司為響應(yīng)歐盟削減航空業(yè)碳排放污染的號(hào)召，推出了E-Fan X驗(yàn)證機(jī)。驗(yàn)證機(jī)中的四個(gè)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中的一個(gè)將會(huì)被一個(gè)2 MW的電動(dòng)機(jī)取代。雖然在2020年4月該項(xiàng)目被叫停，但在過去不到三年的時(shí)間里，E-Fan X驗(yàn)證機(jī)成功地完成了世界上第一次在一架驗(yàn)證機(jī)上啟動(dòng)并測(cè)試一系列混合動(dòng)力電推系統(tǒng)的可能性與局限性。同時(shí)，E-Fan X驗(yàn)證機(jī)項(xiàng)目在推進(jìn)脫碳進(jìn)程方面，也為后續(xù)研究提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。該項(xiàng)目更為未來全行業(yè)采用和監(jiān)管新動(dòng)力系統(tǒng)的商業(yè)飛機(jī)奠定基礎(chǔ)。

但由于串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)中主要由電能帶動(dòng)推進(jìn)器，因此在串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)中常常需要一個(gè)大容量的發(fā)電機(jī)，而這方面又存在配備的蓄電池能量密度低、高功率密度的電機(jī)研制困難等問題。同時(shí)，該動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中有兩次能量的轉(zhuǎn)化，期間的能量損耗也造成能量利用率低的問題。

2.2.2 并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)

在并聯(lián)混合系統(tǒng)中，電動(dòng)力系統(tǒng)中的電機(jī)與渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)共同安裝在一個(gè)軸上，在任意時(shí)間，兩者可以單獨(dú)或者同時(shí)提供推力。由于并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)不需要對(duì)整個(gè)飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)做出較大調(diào)整，僅針對(duì)傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改型，所以更適用應(yīng)用于傳統(tǒng)大型飛機(jī)[8]。并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)因此也被認(rèn)為是傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)的巨大顛覆，其優(yōu)異的性能也隨之開始被研究。

2019年6月，世界上最大的油電混合動(dòng)力飛機(jī)EEL試飛成功。該架飛機(jī)由安飛公司基于Cessna 337空中大師改裝，采用并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)，搭載安飛公司所自主研發(fā)的電推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)，在保留原有內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了節(jié)省燃料的目的[9]。

由于并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)具有兩套獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，因此相較于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)，并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)于能量的利用率較高，具有明顯省油、降低成本、增強(qiáng)減排效果以及一定的降噪效果。并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)是通過電氣化為通用航空帶來更低排放、更低運(yùn)營(yíng)成本和更安靜運(yùn)營(yíng)的第一步。但同時(shí)要想實(shí)現(xiàn)大推力并聯(lián)航空混合動(dòng)力系統(tǒng)概念的應(yīng)用，高功率密度電機(jī)、高能量密度電力系統(tǒng)及其他高性能電動(dòng)力系統(tǒng)附件是電動(dòng)力領(lǐng)域待解決的關(guān)鍵技術(shù)。

2.2.3 混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)

混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)中包含一個(gè)大風(fēng)扇和其他多個(gè)小風(fēng)扇，大風(fēng)扇直接通過燃?xì)鉁u輪驅(qū)動(dòng)，其他小風(fēng)扇則通過電動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，這些電動(dòng)電機(jī)通過電池或者渦輪驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)來獲得能量。

相比于并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)，混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)能夠更加靈活地根據(jù)飛行狀況來調(diào)節(jié)內(nèi)燃機(jī)功率輸出與電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。但此混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，目前研究較少。

3 結(jié)語

當(dāng)下，空客公司與其他全電動(dòng)航空器領(lǐng)域的研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)和Air Race E達(dá)成合作伙伴關(guān)系，致力于成為電推進(jìn)領(lǐng)域的領(lǐng)頭人以及新型生態(tài)系統(tǒng)的開拓人。受限于電池的能量密度和重量，全電動(dòng)飛機(jī)無法實(shí)現(xiàn)搭載百人且長(zhǎng)航時(shí)飛行的目標(biāo)。相比于全電動(dòng)飛行器，發(fā)展混合動(dòng)力飛行器顯然更為現(xiàn)實(shí)一些，特別是在現(xiàn)在鋰電池技術(shù)還需要進(jìn)一步提高的背景下，因此當(dāng)下電動(dòng)航空器的研制工程應(yīng)以高功率、高效電力推動(dòng)系統(tǒng)為研制重點(diǎn)，以油電混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的航空器研究為研制核心，以現(xiàn)有的新能源發(fā)電型號(hào)全壽命保障體系的研究為關(guān)鍵，以開展新型電動(dòng)航空器研制與標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)工作為主要目標(biāo)，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)。

到目前為止，各國(guó)對(duì)于不同類型電推進(jìn)技術(shù)的研究已不再止步于理論階段。電動(dòng)航空器未來的發(fā)展道路雖依舊坎坷，面臨著很多技術(shù)上的挑戰(zhàn)，但研制電動(dòng)航空器已是大勢(shì)所趨。近些年，越來越多的科研成果問世，越來越多的人開始重視電動(dòng)飛機(jī)或其他清潔能源供能的飛機(jī)。相信在各國(guó)航空工業(yè)的迅速研究發(fā)展下，電動(dòng)航空器將取代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)航空器，實(shí)現(xiàn)脫碳飛行。

電動(dòng)航空器具有環(huán)保性、舒適性、維修性和經(jīng)濟(jì)性等多種優(yōu)勢(shì)。我國(guó)應(yīng)當(dāng)高度重視該領(lǐng)域，明確未來發(fā)展規(guī)劃，借鑒他國(guó)發(fā)展歷程，制定相應(yīng)發(fā)展路線，引導(dǎo)國(guó)內(nèi)電動(dòng)航空器領(lǐng)域健康、快速、有序發(fā)展。