2023年航空電推進系統(tǒng)進展

■ 羅彧 / 中國航空發(fā)動機研究院

2023年，航空電推進領(lǐng)域一如既往地保持高速發(fā)展，各國對航空電推進系統(tǒng)的投入持續(xù)增加，各種技術(shù)和產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，呈現(xiàn)出群雄逐鹿的態(tài)勢，未來充滿機遇和挑戰(zhàn)。

電推進是未來航空業(yè)實現(xiàn)凈零排放目標的主要動力解決方案之一，是未來航空發(fā)動機行業(yè)的“藍?！?，近年來持續(xù)受到關(guān)注。美國、歐洲、俄羅斯、日本等國家和地區(qū)的研究機構(gòu)和企業(yè)對電推進系統(tǒng)的技術(shù)和產(chǎn)品開發(fā)力度在持續(xù)加強，技術(shù)領(lǐng)先的航空發(fā)動機制造商和行業(yè)新進入者無不想在該領(lǐng)域方興未艾之時搶占制高點；同時，電推進配套基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)也在不斷完善，以全面促進電推進技術(shù)、產(chǎn)品和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。電推進領(lǐng)域呈現(xiàn)出百花齊放的態(tài)勢。

新概念異彩紛呈

航空電推進系統(tǒng)本身就是一種新概念，在近年來的快速發(fā)展中，航空發(fā)動機制造商以電推進系統(tǒng)為核心又不斷研發(fā)出更新概念的技術(shù)和產(chǎn)品。

UAVHE公司測試RW1-300混合電推進系統(tǒng)

RW1-300混合電推進系統(tǒng)

2023年1月，西班牙無人機發(fā)動機制造商UAVHE公司發(fā)布其最新的混合電推進系統(tǒng)RW1-300C，該系統(tǒng)的特別之處在于其原動機是一臺汪克爾轉(zhuǎn)子發(fā)動機，系統(tǒng)的總輸出功率為48kW，恒速運行條件下非常高效，專為具有高電氣負載的固定翼無人機和電動垂直起降（eVTOL）飛機制造。RW1系列混合電推進系統(tǒng)可適配減速器和可變槳距螺旋槳，以及配裝有12∶1減速器的直升機,改進型RW1-300的系統(tǒng)性能得到優(yōu)化提升。7月，UAVHE公司使用可持續(xù)航空燃料（SAF）對系統(tǒng)進行了測試。

Kite公司開發(fā)高效質(zhì)輕的航空電動機

2023 年3 月，澳大利亞初創(chuàng)企業(yè)Kite 公司推出其首型產(chǎn)品KM-120 航空電動機，功率為120kW，旨在取代2 ～4 座輕型飛機的活塞式發(fā)動機。該電動機采用了Kite 公司的低損耗納米晶體磁性材料制造技術(shù)，電動機鐵芯采用了類似碳纖維的物質(zhì)，由20μm 厚的納米晶體材料制成，與傳統(tǒng)電動機相比，功率損耗降低到原來的1/10，結(jié)構(gòu)質(zhì)量也更輕。

KM-120航空電動機

格林噴氣公司開發(fā)新型分布式電推進系統(tǒng)

2023年5月，英國格林噴氣公司推出其首型用于商用無人機的分布式電推進發(fā)動機IPM5，總質(zhì)量為750g，最大推力為49N。IPM5發(fā)動機采用涵道風(fēng)扇架構(gòu)設(shè)計，與開放式螺旋槳葉片相比，既降低了噪聲，又提高了安全性。格林噴氣公司還克服了傳統(tǒng)涵道風(fēng)扇面臨的質(zhì)量和效率挑戰(zhàn)并獲得了相關(guān)專利，目前正在使用IPM5發(fā)動機的技術(shù)開發(fā)eVTOL和支線飛機電推進裝置。

GE公司開發(fā)創(chuàng)新的混合電推進系統(tǒng)

2023年10月，GE公司在成功完成美國能源部預(yù)先研究計劃局（ARPA-E）授予的燃料電池嵌入式發(fā)動機（FLyCLEEN）項目的設(shè)計階段后，再次獲得ARPA-E授予的450萬美元的資金，以進一步開發(fā)和驗證一個25kW的發(fā)電子系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成了固體氧化物燃料電池（SOFC）和燃氣渦輪發(fā)動機，在燃料電池和燃氣渦輪發(fā)動機中都使用了SAF，一部分SAF轉(zhuǎn)化為合成燃氣供給燃料電池，其余的SAF則用于燃氣渦輪發(fā)動機。這種將兩者結(jié)合起來的新概念動力系統(tǒng)，可提高燃料效率和發(fā)動機推力。

萊特電氣公司開發(fā)大型全電推進飛機用航空電池

目前，航空用鋰離子電池的能量密度約為250W·h/kg，可適用于小型飛機，但不足以用于大型客機。2023年10月，美國萊特電氣公司宣布正在開發(fā)一種能量密度為1000W·h/kg的高能量密度電池，是傳統(tǒng)鋰電池能量密度的4倍，足以應(yīng)用于100座級、航程1130 ～1290km的全電推進飛機。

新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)

目前，世界航空電推進領(lǐng)域還處在發(fā)展的初期階段，尚未形成像傳統(tǒng)發(fā)動機領(lǐng)域那種居于壟斷地位的航空發(fā)動機制造商，無論傳統(tǒng)的發(fā)動機領(lǐng)先企業(yè)還是初創(chuàng)企業(yè)，都在奮勇爭先開發(fā)電推進新產(chǎn)品和新技術(shù)，以期在未來的競爭中獲得相對優(yōu)勢。

西科斯基公司和GE公司合作研制混合電推進驗證機

2023年3月，西科斯基公司和GE公司宣布合作開發(fā)一型全自主混合電推進驗證機（HEX），為一系列大型多功能軍民用先進空中交通（AAM）飛機儲備技術(shù)。HEX的目標航程超過926km、起飛質(zhì)量為3175 ～3628kg，采用由CT7渦軸發(fā)動機驅(qū)動的混合電推進系統(tǒng)，該系統(tǒng)將大量借鑒GE公司目前在美國國家航空航天局（NASA）電氣化動力系統(tǒng)飛行驗證（EPFD）項目和美國陸軍應(yīng)用研究合作渦軸電氣化應(yīng)用項目（ARC-STEP）下開發(fā)的技術(shù)。

Maeve公司將開發(fā)全電推進支線客機

2023年4月，荷蘭Maeve公司宣布計劃開發(fā)一型全電推進支線客機Maeve 01，正從可行性階段進入概念設(shè)計階段。動力裝置采用翼吊布局，將配備8個翼吊螺旋槳，采用美國安普瑞斯公司提供的500W·h/kg電池。到2029年，Maeve 01客機的航程將達到460km，載客44人，由于其在設(shè)計尺寸上的可擴展性很強，隨著電池技術(shù)的進步，2032年的載客量預(yù)計將增加到52人，到2040年航程可延長到710km。

Maeve 01全電推進支線客機

羅羅公司研制電推進用小型燃氣渦輪發(fā)動機

2023年6月，羅羅公司研制了一型專門用于混合電推進系統(tǒng)的小型燃氣渦輪發(fā)動機，是其新型渦輪發(fā)電系統(tǒng)的一部分。羅羅公司的渦輪發(fā)電系統(tǒng)專為AAM市場而研制，包括應(yīng)用于城市空中交通的eVTOL飛機和19座通勤飛機。該系統(tǒng)既適用于串聯(lián)混合電推進，也適用于并聯(lián)混合電推進。不僅能為電池充電，還能直接為電推進裝置提供能源，系統(tǒng)功率范圍可拓展到500 ～1200kW，可延長當(dāng)前電推進飛機的航程，未來還可使用氫燃料進一步降低污染物的排放。

麻省理工學(xué)院開發(fā)1MW緊湊輕型電動機

2023年6月，麻省理工學(xué)院的研究人員開發(fā)出一款1MW的緊湊輕型電動機，由帶恒定磁鐵的圓柱形鼓筒轉(zhuǎn)子與帶螺旋銅導(dǎo)線的靜子組成，將新型鋁合金空氣冷卻換熱器置于靜子內(nèi)部，圓柱形內(nèi)部是由不大的空氣通道構(gòu)成的蜂窩結(jié)構(gòu)，復(fù)雜的幾何形狀需要采用3D打印。電動機質(zhì)量為57.4kg，功率密度為17kW/kg，已超過了NASA為大型飛機電動機設(shè)定的閾值，這一突破將有助于開發(fā)非傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的大型電推進飛機。

UEC研究基于VK-650V發(fā)動機

1MW緊湊輕型電動機

的混合電推進裝置

2023年8月，聯(lián)合發(fā)動機制造集團（UEC）在2023年俄羅斯工業(yè)展覽會上首次展示了一型功率為500kW的混合電推進裝置驗證機，其原動機采用VK-650V渦軸發(fā)動機?；旌想娡七M裝置是UEC科技戰(zhàn)略關(guān)鍵發(fā)展方向之一，2020年以來UEC一直在從事該領(lǐng)域的研究。

Heart 公司和BAE 系統(tǒng)公司合作開發(fā)電池系統(tǒng)

瑞典Heart公司和英國BAE系統(tǒng)公司將合作開發(fā)ES-30混合電推進飛機所需的電池系統(tǒng)，開發(fā)工作將在BAE系統(tǒng)公司位于紐約恩迪科特的工廠進行。ES-30飛機計劃于2026年首飛，2028年投入使用，質(zhì)量為5t的電池放置在機身下方的一個特殊隔間中。當(dāng)載客30人時，全電推進的航程為200km，混合電推進的航程為400km；若只載客25人，則航程可達800km。

既有產(chǎn)品、技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施穩(wěn)步發(fā)展

航空發(fā)動機制造商此前已經(jīng)開展的電推進項目在2023年持續(xù)取得進展，并有多種產(chǎn)品實現(xiàn)了首次地面測試或首飛。

賽峰集團ENGINeUS XL電動機準備投入使用

2023年3月，賽峰集團ENGINeUS XL電動機在氣候?qū)嶒炇抑羞M行了高空試驗，達到可交付使用狀態(tài)。該電動機是ENGINeUS 500電動機系列中功率最大的產(chǎn)品，功率達到750kW，可擴展到1MW。當(dāng)月，ENGINeUS電動機獲得歐洲航空安全局（EASA）頒發(fā)的設(shè)計機構(gòu)批準（DOA）資質(zhì)，通過DOA審批之后可從EASA獲得電動機審定合格證。

Dufour 公司混合電推進系統(tǒng)即將開展飛行測試

2023年3月，瑞士Dufour公司與Suter公司簽訂協(xié)議，Dufour公司選用Suter公司的TOA288發(fā)動機作為其eVTOL飛機Aero 2的混合電推進系統(tǒng)的關(guān)鍵子系統(tǒng)。TOA288發(fā)動機可使用汽油和航空燃油,功率為17.4kW。Aero 2飛機X2.3原型機的混合電推進系統(tǒng)計劃于2024年年初開始飛行測試，之前的X2.1全電推進原型機已經(jīng)完成了飛行測試。

Aero 2飛機

美國空軍支持喬比公司發(fā)展eVTOL飛機

2023年4月，美國空軍敏捷至上項目向eVTOL飛機制造商喬比（Joby）公司授予總價值5500萬美元的9架S4飛機采購合同，這是敏捷至上項目首次簽署采購合同，也是eVTOL技術(shù)在軍用領(lǐng)域獲得的重大進展。敏捷至上項目旨在開展軍民合作，在美國聯(lián)邦航空局（FAA）適航審定程序之前，通過軍方先行測試，推動eVTOL相關(guān)技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用。2023年9月，喬比公司在加利福尼亞州愛德華空軍基地向美國空軍交付了首架eVTOL飛機S4，該機可載客4人，動力為6臺電動螺旋槳，每臺電動機峰值功率為236kW。公司計劃于2025年對S4飛機開展商業(yè)空中出租車運營認證。

S4電動垂直起降飛機

安派爾公司將與美國空軍合作開發(fā)兆瓦級混合電推進系統(tǒng)

2023年10月，安派爾（Ampaire）公司與美國空軍簽訂了一份價值125萬美元的合同，在美國空軍敏捷至上項目下開發(fā)兆瓦級混合電推進系統(tǒng)AMP-H570。公司還公開了與NASA的一份單獨的后續(xù)合同，基于現(xiàn)有技術(shù)開發(fā)一個更高效、更小型的新型混合電推進系統(tǒng)。

賽峰集團Tech TP技術(shù)驗證機首次試車

2023年2月，賽峰集團完成Tech TP混合電推進渦槳發(fā)動機技術(shù)驗證機的首次運行。Tech TP 是阿蒂丹3渦軸發(fā)動機的改型，包含了來自歐盟資助的清潔天空2（Clean Sky 2）計劃中的為新型渦槳發(fā)動機的電起動機-發(fā)電機和健康監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)先進機電設(shè)備（ACHIEVE）項目的技術(shù)，將一個電起動-發(fā)電機集成在渦槳發(fā)動機的減速齒輪箱中，可以僅依靠電池動力滑行，或在飛行中提供助力以減小渦輪發(fā)動機的載荷。

雷神技術(shù)片公司完成STEPTech驗證機首次試車

2023年6月，雷神技術(shù)公司旗下普惠公司和柯林斯宇航公司聯(lián)合研制的可擴展渦輪電力傳動系統(tǒng)技術(shù)（STEP-Tech）驗證機完成首次試車和電氣系統(tǒng)集成測試。STEP-Tech驗證機是模塊化、可擴展的驗證平臺，加速了分布式推進概念原型機設(shè)計，可廣泛用于下一代飛行平臺，包括AAM飛機、高速eVTOL和翼身融合飛機。與當(dāng)今最先進的支線渦槳發(fā)動機相比，驗證機的燃油效率提高了30%，二氧化碳排放降低了30%。雷神技術(shù)公司通過開展STEPTech項目和包含混合電推進的可持續(xù)噴水渦扇（SWITCH）項目，推進了公司電推進系統(tǒng)的研究進展。

賽峰集團電動機配裝eDA40全電推進飛機首飛

2023年7月，鉆石飛機公司的全電推進教練機eDA40在位于奧地利維也納新城的公司總部完成首飛，該飛機采用了賽峰集團的ENGINeUS電動機，并配備了電氣保護系統(tǒng)，這是賽峰集團這兩種產(chǎn)品在全電推進飛機上的首次應(yīng)用。eDA40也是第一型獲得EASA和FAA認證的電推進飛機。

空客公司EcoPulse驗證機完成首飛

2023年12月，由空客公司、賽峰集團和大合（Daher）公司聯(lián)合開發(fā)的分布式混合電推進驗證機EcoPulse完成首飛。EcoPulse在大合TBM飛機的基礎(chǔ)上，配裝6個分布在機翼上的集成電動螺旋槳，由空客公司提供的電池和賽峰集團提供的渦輪-發(fā)電機供電。EcoPulse驗證機旨在評估集成分布式混合電推進系統(tǒng)的運行優(yōu)勢，重點關(guān)注二氧化碳排放和噪聲水平的降低。

GE 公司追加投資建設(shè)電推進試驗設(shè)施

2023年5月，GE公司計劃投資2000萬美元在俄亥俄州代頓市的電力集成系統(tǒng)中心（EPISCenter）增加一個新的試車臺，用于混合電推進系統(tǒng)及部件的測試，該中心占地12820m2，于2013年在代頓大學(xué)校園內(nèi)開放，當(dāng)時投資了5300萬美元，后又追加投資2600萬美元；加上此次宣布的額外投資，使總計劃支出達到近1億美元。

EcoPulse混合電推進驗證機

新動向出乎意料

航空電推進領(lǐng)域整體形勢趨于加速發(fā)展，但也出現(xiàn)了不同選擇的新動向。NASA中止了X-57項目，而羅羅公司選擇了退出此前大力發(fā)展的電推進業(yè)務(wù)。

NASA終止X-57全電推進驗證機項目

2023 年2 月，NASA 的X-57 麥克斯韋（Maxwell）驗證機完成了首飛前試驗，對全電推進系統(tǒng)的巡航電動機控制器進行了熱試驗，達到了關(guān)鍵里程碑，原計劃于2023年實現(xiàn)首飛。但到6 月，NASA 卻宣布終止X-57 驗證機項目。NASA認為，項目研發(fā)的目標不是開發(fā)驗證機，而是研究分布式電推進系統(tǒng)的應(yīng)用效果，開發(fā)電推進飛機技術(shù)，同時幫助制定未來航空器取證標準。雖然終止了X-57 項目，但是該項目的經(jīng)驗，以及對電池技術(shù)的積累，仍然可以用在其他電推進飛機的項目研發(fā)中。該項目是NASA首個全電X 驗證機項目，2014 年開始子系統(tǒng)研制，2016 年獲得驗證機代號，2017 年正式發(fā)布，是NASA在2017 年公布的未來10 年航空新視界規(guī)劃的驗證機之一。

羅羅公司決定退出電推進領(lǐng)域

2023年12月，羅羅公司宣布出售電推進系統(tǒng)部門，并逐步放棄電推進業(yè)務(wù)，以加速利潤增長和簡化運營。公司2022年的營業(yè)收入為8.37億英鎊，2023目標收入在25 ～28億英鎊，這得益于疫情后的市場復(fù)蘇和對遠程飛機發(fā)動機需求的激增，出售電推進部門預(yù)計將帶來約15億英鎊的收入。2023年羅羅公司對電推進業(yè)務(wù)發(fā)展前景的觀點發(fā)生了明顯轉(zhuǎn)變：公司承認電推進飛機在短途運輸方面的潛力，但仍對其是否適合長途運輸持懷疑態(tài)度，而長途運輸是公司的主要業(yè)務(wù)；相反，羅羅公司設(shè)想的未來客機將由合成燃料驅(qū)動，特別是SAF，因此正在大力研發(fā)SAF；公司還在開發(fā)氫燃料發(fā)動機，通過多管齊下共同推動可持續(xù)航空發(fā)展。

結(jié)束語

2023年，世界電推進技術(shù)、產(chǎn)品和配套基礎(chǔ)建設(shè)都呈現(xiàn)出日新月異的發(fā)展趨勢，主要包括以下特點：一是根據(jù)對當(dāng)前電推進技術(shù)和產(chǎn)品的分析，各國研究的重點主要集中在100座級以下飛機的動力系統(tǒng)，尤其是中小型支線飛機、通用飛機和eVTOL飛機，同時也在為電推進大型商用飛機做技術(shù)儲備；二是新概念的電推進系統(tǒng)更多是由新創(chuàng)公司和行業(yè)新進入者提出和開發(fā)，新進入者成為最具創(chuàng)造力的推動力量；三是電推進領(lǐng)域的新進入者不斷增加，新研產(chǎn)品層出不窮，沒有哪些企業(yè)或機構(gòu)擁有壓倒性的壟斷優(yōu)勢，這和傳統(tǒng)燃氣渦輪發(fā)動機市場由少數(shù)幾家制造商的少數(shù)產(chǎn)品系列壟斷形成鮮明對比，目前電推進處于戰(zhàn)略機遇期，競爭勝負猶未可知；四是無論是傳統(tǒng)動力企業(yè)，還是不斷增加的行業(yè)新進入者，都在穩(wěn)步推動既有產(chǎn)品、技術(shù)或基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展，并追加投資；五是一些機構(gòu)和企業(yè)基于戰(zhàn)略定位，重新調(diào)整了自身的電推進發(fā)展策略，羅羅公司在前期不斷加大電推進領(lǐng)域投入的背景下，2023年年底突然發(fā)生轉(zhuǎn)折，重新聚焦遠程航空運輸?shù)闹鳂I(yè)，而決定放棄暫時不能廣泛支持遠程大型客機發(fā)展的電推進業(yè)務(wù)，這和GE公司、普惠公司以及賽峰集團大力發(fā)展電推進技術(shù)的舉措形成鮮明對比。