■ 李洪亮 康元麗 回彥年 / 中國商飛北京民用飛機(jī)技術(shù)研究中心

與傳統(tǒng)燃油飛機(jī)相比，電推進(jìn)飛機(jī)高效節(jié)能、排放低、噪聲低、系統(tǒng)簡單，正開啟航空領(lǐng)域新一輪變革，引領(lǐng)航空技術(shù)創(chuàng)新，推動(dòng)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(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的“雙碳”目標(biāo)。在航空運(yùn)輸領(lǐng)域，目前性能最優(yōu)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油效率在40%左右[1]，且已經(jīng)很難再進(jìn)一步提升，以傳統(tǒng)的航空煤油為燃料的飛機(jī)在減排降噪上可挖掘的潛力已經(jīng)非常有限，為實(shí)現(xiàn)航空領(lǐng)域節(jié)能減排目標(biāo)，必須尋求新的解決方案。與此同時(shí)，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(jī)、電控、電池等技術(shù)得到了迅速發(fā)展，在工業(yè)領(lǐng)域鋰電池能量密度上升到300W?h/kg，電機(jī)的功率密度達(dá)到4kW/kg以上，支撐電推進(jìn)飛機(jī)研制的技術(shù)基礎(chǔ)已經(jīng)具備。除了新能源技術(shù)本身的發(fā)展，電推進(jìn)飛機(jī)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(dòng)布局和飛行控制等方面的研究，以提高推進(jìn)系統(tǒng)的效率，減少能源消耗，更需要為未來電推進(jìn)飛機(jī)制定全新設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，建立適航體系方法，推動(dòng)航空領(lǐng)域電氣化進(jìn)程。

電推進(jìn)飛機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀

目前，全球有200多項(xiàng)在研電推進(jìn)飛機(jī)項(xiàng)目，包含傳統(tǒng)固定翼飛機(jī)改造、新構(gòu)型設(shè)計(jì)、全電推進(jìn)系統(tǒng)和混合電推進(jìn)等。近年來，電推進(jìn)飛機(jī)的發(fā)展方向可分為純電動(dòng)固定翼(eCTOL)、電動(dòng)垂直起降（eVTOL)和混合電推進(jìn)(HEA)3類。盡管各個(gè)機(jī)型的技術(shù)路線不同，但一般側(cè)重兩個(gè)方面的研究：一是電推進(jìn)核心技術(shù)研究，包括高功率密度電驅(qū)動(dòng)技術(shù)、電力電子技術(shù)，以及能源架構(gòu)設(shè)計(jì)、綜合能量管理、新型推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等；二是與氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、飛控等融合設(shè)計(jì)，進(jìn)行推進(jìn)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(jī)和極光飛行科學(xué)公司的“雷擊”飛機(jī)的分布式涵道風(fēng)扇，利用分布式動(dòng)力降低阻力、提高升力，獲得較高的氣動(dòng)效率，使飛機(jī)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(jī)

總的來看，目前電推進(jìn)飛機(jī)的發(fā)展主要是以電氣化技術(shù)為核心，促進(jìn)能源行業(yè)持續(xù)進(jìn)步，并不斷促進(jìn)與能源、氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、動(dòng)力和飛控等相關(guān)技術(shù)的深度融合，在當(dāng)前電推進(jìn)技術(shù)水平最大程度地實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)、噪聲、推進(jìn)效率的全面提升[2]。此外，當(dāng)前的新能源、自動(dòng)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(yīng)用也為開展電推進(jìn)飛機(jī)研制提供了條件保證，其設(shè)計(jì)與最新技術(shù)的結(jié)合也能促進(jìn)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(jī)遇。

鋰電池技術(shù)發(fā)展預(yù)測

電推進(jìn)飛機(jī)的技術(shù)變革

電推進(jìn)飛機(jī)的技術(shù)變革（或關(guān)鍵技術(shù)）主要體現(xiàn)在能源系統(tǒng)、飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)、飛機(jī)總體設(shè)計(jì)/氣動(dòng)布局和飛行控制等幾個(gè)方面。

能源動(dòng)力系統(tǒng)持續(xù)發(fā)展

電推進(jìn)飛機(jī)最顯著特點(diǎn)是能源架構(gòu)簡潔、動(dòng)力系統(tǒng)效率高，這主要得益于省去了復(fù)雜傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，從電池到電驅(qū)動(dòng)、電機(jī)端的傳輸效率可達(dá)90%以上。而電池和電機(jī)是電推進(jìn)飛機(jī)的核心技術(shù)，其性能的優(yōu)劣將直接影響飛機(jī)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(dòng)和混合電動(dòng)飛機(jī)[3]。基于固態(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(dāng)前的電池技術(shù)已具備開展電推進(jìn)系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)。如NASA正在研究的“納米電燃料液流電池”，其目標(biāo)是可像燃油一樣供能，從而為飛機(jī)提供安全、清潔、安靜的儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)航空業(yè)凈零排放。

在電機(jī)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(jī)中使用的電機(jī)總功率260kW，功率密度為5.2kW/kg；伊利諾伊大學(xué)已經(jīng)完成13kW/kg的電機(jī)設(shè)計(jì)，效率大于96%；諾丁漢大學(xué)設(shè)計(jì)的另一種Halbach結(jié)構(gòu)外轉(zhuǎn)子超高功率密度永磁電動(dòng)機(jī)，功率密度為15.8kW/kg，效率能達(dá)到96.8%；俄羅斯中央航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院(CIAM)正在開發(fā)一種基于高溫超導(dǎo)體的新型電機(jī)的功率為500kW，已于2021年2月5日開始進(jìn)行測試，并利用雅克-40飛機(jī)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(dǎo)體器件可大幅提高工作電壓和開關(guān)頻率，從而提高功率密度，實(shí)現(xiàn)兆瓦級電驅(qū)動(dòng)，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(jìn)飛機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，探索其未來應(yīng)用于大型支線客機(jī)的可能性。

納米電燃料液流電池(NEF)

氫能飛機(jī)

電機(jī)和電力電子系統(tǒng)發(fā)展預(yù)測

雅克-40飛機(jī)和其超導(dǎo)電機(jī)

由此可見，電推進(jìn)飛機(jī)和能源動(dòng)力行業(yè)正在相互促進(jìn)，不斷進(jìn)步和發(fā)展。電推進(jìn)飛機(jī)的研制在促進(jìn)能源動(dòng)力行業(yè)發(fā)展的同時(shí)，也必須匹配當(dāng)前以及未來電氣化工業(yè)的水平，并合理制訂電推進(jìn)方案，提高電推進(jìn)飛機(jī)的續(xù)航時(shí)間及性價(jià)比，最終實(shí)現(xiàn)滿足市場化需求和應(yīng)用的產(chǎn)品。

S4飛機(jī)

飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的創(chuàng)新

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

電推進(jìn)技術(shù)對飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的最佳創(chuàng)新實(shí)踐體現(xiàn)在分布式推進(jìn)上。相比傳統(tǒng)集中式推進(jìn)，采用分布式推進(jìn)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(shí)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(jī)和5座S4飛機(jī)采用16組分布式推進(jìn)，其中12組用于垂直起降、4組用于巡航。S4飛機(jī)最高速度可達(dá)322km/h，而電能消耗只有汽車的1/5，飛行里程可達(dá)240km，巡航時(shí)分布式螺旋槳可折疊，減少了氣動(dòng)阻力，而降落后甚至可利用風(fēng)能充電。

飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的創(chuàng)新還體現(xiàn)在混合電推進(jìn)上。2019年6月，基于6座賽斯納337改型的混合動(dòng)力飛機(jī)進(jìn)行了首次飛行，該飛機(jī)采用了并行混合動(dòng)力設(shè)計(jì)，它的前部有1臺(tái)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，后部有1個(gè)由輕型電池系統(tǒng)供電的電推進(jìn)系統(tǒng)，兩個(gè)動(dòng)力裝置完全獨(dú)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(dòng)力飛機(jī)首飛，兩側(cè)機(jī)翼上各加裝了1臺(tái)賽峰集團(tuán)研制的ENGINeUS型電機(jī)，總功率近440kW，還在尾部采用了同軸并聯(lián)式混合電推進(jìn)裝置，由1臺(tái)270kW的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)和3臺(tái)60kW電機(jī)通過1個(gè)動(dòng)力輸出軸帶動(dòng)1個(gè)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(jī)[4]，將螺旋槳和電機(jī)一體設(shè)計(jì)，減少了電機(jī)運(yùn)行的扭矩并消除了中心輪轂帶來的阻力，該方案需要進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

Cassio 1飛機(jī)和同軸并聯(lián)式混動(dòng)

NASA無軸輪緣電機(jī)

飛機(jī)總體設(shè)計(jì)和氣動(dòng)布局

電推進(jìn)對飛機(jī)總體和氣動(dòng)性能的改進(jìn)主要是通過動(dòng)力系統(tǒng)合理分配，改變飛機(jī)飛行時(shí)氣動(dòng)流場，主要體現(xiàn)在與機(jī)翼的集成設(shè)計(jì)，采用涵道風(fēng)扇、前緣異步推進(jìn)技術(shù)（LEAPTech）、邊界層吞吸技術(shù)(BLI)等設(shè)計(jì)減少阻力和噪聲，提高效率。

例如，X-57飛機(jī)前緣異步推進(jìn)技術(shù)[5]，在起降階段由多個(gè)分布在機(jī)翼前緣的小螺旋槳利用滑流效應(yīng)提高空氣動(dòng)力效率，而在巡航階段則采用兩端大螺旋槳提供動(dòng)力，這種方式優(yōu)化了機(jī)翼設(shè)計(jì)，使機(jī)翼面積減少一半，升阻比超過20。NASA為減少混合動(dòng)力飛機(jī)發(fā)電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)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(dòng)力飛機(jī)的研究[6]，對機(jī)翼和推進(jìn)器進(jìn)行有效結(jié)構(gòu)整合，將電動(dòng)推進(jìn)器嵌在機(jī)翼內(nèi)部或雙翼之間。STARC-ABL飛機(jī)采用渦輪電推進(jìn)形式，尾部風(fēng)扇采用2.6MW電機(jī)驅(qū)動(dòng)，基于邊界層抽吸技術(shù)對機(jī)身低速邊界層進(jìn)行抽吸和加速，提高飛機(jī)升阻比，預(yù)計(jì)能夠減少10%的燃油消耗。

飛行控制的改變

電推進(jìn)飛機(jī)的飛行控制的改變主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是由于電氣系統(tǒng)具有線性化的特點(diǎn)，將復(fù)雜執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行了解耦，而且動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快，提升了飛行控制性能；二是基于電推進(jìn)帶來的構(gòu)型設(shè)計(jì)革新，使得傳統(tǒng)控制方式發(fā)生改變，例如，可能會(huì)取消或減少傳統(tǒng)的水平或垂直尾翼，從而減少飛機(jī)質(zhì)量和阻力。

X-57機(jī)翼設(shè)計(jì)

STARC-LEED飛機(jī)機(jī)翼分布式電機(jī)一體設(shè)計(jì)

德國的百合（Lilium）飛機(jī)公司于2019年5月完成了5座“百合”飛機(jī)的試飛測試?！鞍俸稀憋w機(jī)采用了36個(gè)電動(dòng)風(fēng)扇，取消了傳統(tǒng)飛機(jī)的裝置運(yùn)動(dòng)控制，包括垂尾、副翼和升降舵等，在飛行控制上進(jìn)行了大膽的技術(shù)創(chuàng)新。該飛機(jī)依靠飛控系統(tǒng)對電機(jī)進(jìn)行控制，以改變飛行狀態(tài)，前向電機(jī)控制飛機(jī)的俯仰運(yùn)動(dòng)，機(jī)翼上的電機(jī)控制滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而通過兩側(cè)電機(jī)差動(dòng)速度實(shí)現(xiàn)偏航運(yùn)動(dòng)，并可以通過改變旋翼的速度來繞軸盤旋。

“百合”飛機(jī)

發(fā)展前景與挑戰(zhàn)

電推進(jìn)技術(shù)目前已成為推動(dòng)航空業(yè)綠色發(fā)展，應(yīng)對全球環(huán)境挑戰(zhàn)的重要舉措。當(dāng)前的新能源飛機(jī)發(fā)展面臨的主要挑戰(zhàn)包括：一是續(xù)航時(shí)間短，目前純電動(dòng)飛機(jī)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(yīng)用不明朗，缺少相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，飛機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)安全不能得到有效保證；三是眾多電推進(jìn)飛機(jī)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(rèn)證，由于電推進(jìn)飛機(jī)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(jī)和電力電子系統(tǒng)的技術(shù)瓶頸，電推進(jìn)飛機(jī)的功重比亟待提高。

安全性的解決方案

電推進(jìn)飛機(jī)相比燃油飛機(jī)簡化了能源動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)，為預(yù)測和排除故障帶來了便利。目前，電推進(jìn)飛機(jī)能源和動(dòng)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(jī)、波音公司的PAV飛機(jī)和小鷹（Kitty Hawk）公司的HeavisideL飛機(jī)都發(fā)生過墜毀，讓人們對電推進(jìn)飛機(jī)的安全性提出了質(zhì)疑。

在電推進(jìn)飛機(jī)的設(shè)計(jì)中，鋰電池和氫能最具應(yīng)用前景。但鋰電池?zé)崾Э氐膯栴}一直是困擾整個(gè)工業(yè)領(lǐng)域的難題。例如，NASA的X-57飛機(jī)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(shè)計(jì)電池模塊。而“百合”飛機(jī)也在地面維護(hù)時(shí)發(fā)生過燃燒。同樣，氫能在存儲(chǔ)和運(yùn)輸?shù)确矫嬉泊嬖谝幌盗邪踩珕栴}，目前距離完全成熟應(yīng)用還有一定距離。如何提高電推進(jìn)飛機(jī)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(jìn)飛機(jī)不得不面臨的挑戰(zhàn)。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和適航認(rèn)證

目前的電動(dòng)飛機(jī)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(dǎo)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、制造的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)等困難，以致于很多機(jī)型難以通過適航認(rèn)證。

具體來說，電推進(jìn)飛機(jī)多為19座以下，該類飛機(jī)主要按CCAR-23部或FAR-23部適航標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和取證。中國民航局發(fā)布修訂的CCAR-23部《正常類飛機(jī)適航規(guī)定》，專門增加了H章“電動(dòng)飛機(jī)補(bǔ)充要求”，對電推進(jìn)系統(tǒng)、電池和配電系統(tǒng)，以及電池和電動(dòng)力系統(tǒng)的防火增加了補(bǔ)充要求。EASA在2019年7月發(fā)布了新型垂直起降機(jī)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(jìn)系統(tǒng)（EHPS）適航審定征求意見稿SC-E19，開啟電動(dòng)飛機(jī)適航審定之路。盡管如此，電動(dòng)飛機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范仍是缺乏的。當(dāng)前，電推進(jìn)裝置的設(shè)計(jì)與制造一般是執(zhí)行美國試驗(yàn)和材料標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(ASTM)制定的ASTM F2840標(biāo)準(zhǔn)，不能夠完全適應(yīng)和促進(jìn)電推進(jìn)飛機(jī)的發(fā)展。

針對以上情況，需要進(jìn)一步利用行業(yè)資源，針對電推進(jìn)飛機(jī)的構(gòu)型設(shè)計(jì)、電池測試、系統(tǒng)集成和相關(guān)設(shè)計(jì)制定標(biāo)準(zhǔn)，推進(jìn)飛機(jī)電動(dòng)化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

商業(yè)化進(jìn)程

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

電推進(jìn)飛機(jī)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(yīng)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(jì)劃；中國億航公司與作為空中交通試點(diǎn)城市的廣州開展了相關(guān)合作；空客公司基于Skyways飛機(jī)正與新加坡合作開展無人機(jī)貨運(yùn)服務(wù)。基于現(xiàn)有技術(shù)的UAM飛機(jī)初步具備1.5h航時(shí)、200km航程的能力，可滿足城市服務(wù)要求，有望于2025年投入商業(yè)運(yùn)營。UAM需要解決的難題是飛機(jī)的安全性、城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和單次運(yùn)行的成本等。

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

第三類為特殊場景應(yīng)用，如災(zāi)害救援、緊急醫(yī)療服務(wù)、電力巡檢和農(nóng)林植保等，這也是電推進(jìn)飛機(jī)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(jìn)飛機(jī)可在該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用，最終推廣到載人飛行領(lǐng)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(dòng)飛機(jī)代表飛機(jī)發(fā)展的未來。當(dāng)前，1～4座的電推進(jìn)飛機(jī)技術(shù)方案已基本成熟。今后4～6座電推進(jìn)飛機(jī)隨著技術(shù)升級會(huì)得到快速發(fā)展并不斷推出新的飛機(jī)構(gòu)型。19座電推進(jìn)支線客機(jī)的市場化運(yùn)營預(yù)計(jì)會(huì)在2030年以后，大型飛機(jī)的電推進(jìn)上機(jī)應(yīng)用預(yù)計(jì)會(huì)在2035年以后。

結(jié)束語

電推進(jìn)作為一種新的技術(shù)變革呈現(xiàn)多樣性和交叉性的特點(diǎn)，為航空業(yè)帶來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，也為開展多學(xué)科融合嘗試、推動(dòng)航空業(yè)綠色持續(xù)發(fā)展提供了契機(jī)。電推進(jìn)飛機(jī)的商業(yè)化應(yīng)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(jìn)飛機(jī)作為航空業(yè)的新發(fā)展方向，需要各界的共同努力。