楊鳳田,范振偉,項松,劉遠強,*,趙為平

1. 沈陽航空航天大學,沈陽 110136 2. 遼寧通用航空研究院,沈陽 110136

近年來,隨著國家對生態(tài)文明建設的愈加重視,綠色能源、電動科技領域迎來了嶄新的發(fā)展契機[1]。目前,世界上已有多個研究機構在進行新型電動飛機的研制,這對通用航空產業(yè)的發(fā)展起到積極的促進作用。電動飛機是以儲能裝置(蓄電池、燃料電池等)給電動機供電,驅動螺旋槳、涵道風扇或其他裝置產生飛行動力的飛機,其改變了傳統(tǒng)的飛機設計思想,從飛機安全便捷、綠色環(huán)保、高效節(jié)能的理念出發(fā),優(yōu)化整個飛機的設計,極大地提高了飛機的環(huán)保性[2-3]、可靠性[4]、舒適性、維修性和經濟性,代表了先進飛機技術的發(fā)展方向、未來發(fā)展趨勢[5]。

1 電動飛機發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

電動飛機已成為世界航空界的研究熱點之一[6]。國際航空界普遍認為,電推進技術是航空業(yè)“第三次技術革命”的重要標志。綜合羅蘭貝格咨詢公司以及美國垂直飛行協(xié)會的研究成果,截至2019年10月,全球共有電動飛機項目約240項。國外電動飛機研究主要集中在北美和歐洲地區(qū),受到政府資助或者由企業(yè)自籌資金研發(fā)。

1.1.1 政府資助項目

1999年,從歐盟第五框架計劃開始,歐盟就開始資助意大利都靈理工大學開展“用于交通監(jiān)視和環(huán)保的同溫層新能源電動飛機平臺研究”“新能源電動民用無人機的應用和潛在效率提高研究”。2000年,意大利都靈理工大學在歐盟第五框架計劃、歐盟第六框架計劃資助下開展了HELIPLAT太陽能電動飛機研制,HELIPLAT的翼展為75 m,航時可達4～6個月。2003年,歐盟第六框架計劃資助意大利都靈理工大學開展“ENFICA-FC 環(huán)境友好城際燃料電池電動飛機研究”。歐盟第八框架計劃-“地平線2020”資助了多個電動飛機項目[7]。

2015年,美國NASA提出了電動飛機發(fā)展路線圖。2019年,NASA開始研制X-57電動飛機,該型飛機采用分布式電推進布局,如圖1所示。

法國航空航天研究院、日本宇航航空研究院與德國航空航天研究中心在巴黎航展上簽訂聯(lián)合研發(fā)協(xié)議,共同開展電推進技術研究。法國航空航天研究院研發(fā)了Ampere電動飛機,該機設計為六座,航程約500 km,采用分布式并聯(lián)的燃料電池和鋰離子電池。空客公司在2015年的巴黎航展上展出了純電動飛機E-Fan2.0[8]。

德國航空航天研究中心研發(fā)了由氫燃料電池驅動的四座客機-HY4,該飛機已于2016年首飛。德國斯圖加特大學和德國慕尼黑科技大學也開展了電動飛機研發(fā)。日本宇航航空研究院考慮從小型電動飛機研發(fā)入手,在2040年前制造出可搭載100～150名乘客的電動客機。英國設立3億英鎊的專項扶持資金重點扶持小型電動飛機和電動垂直起降機型的的研制,逐步向大型載客飛機發(fā)展。瑞典政府的計劃是到2030年,所有國內航班改用生物燃料或電動飛機。瑞典政府資助了ES-19電動飛機項目,ES-19采用4臺電機,純電動,十九座,航程為400 km,見圖2。挪威的目標是到2040年,所有國內航班采用電動飛機,電動航空成為挪威電動大交通戰(zhàn)略的組成部分。

圖1 X-57電動飛機Fig.1 X-57 electric aircraft

圖2 ES-19電動飛機Fig.2 ES-19 electric aircraft

1.1.2 企業(yè)研發(fā)項目

美國和歐洲多家飛機公司高度關注電動飛機研究。波音公司針對大型干線飛機開展N3-X研究計劃?？湛椭贫穗妱语w機發(fā)展路線圖。羅羅航發(fā)收購西門子eAircraft電動航空部門,正式進入電推進系統(tǒng)研制領域。法國Aquinea公司和法國國家民用航空學院共同研發(fā)Volta電動直升機。除了波音、空客、羅羅等航空界巨頭之外,還有幾家公司需要持續(xù)關注,分別是以色列Eviation電動飛機公司、斯洛文尼亞Pipistrel公司[9]和美國Magnix公司。

以色列Eviation電動飛機公司正在研制9+2座純電動飛機“愛麗絲”,該型飛機以445 km/h的巡航速度,可以飛行1 046 km,該公司計劃2022年推出商業(yè)航班, 如圖3所示。斯洛文尼亞Pipistrel公司研制出Taurus Electro、Taurus G2、Taurus G4、Alpha Electro、Velis Electro系列電動飛機,其中Velis Electro電動飛機,已獲得EASA頒發(fā)的型號合格證(TC)。美國Magnix公司致力于大功率電推進系統(tǒng)研發(fā),其研制的520 kW和560 kW電推進系統(tǒng),分別應用于“水獺”電動水上飛機和全電動塞斯納208B。

圖3 “愛麗絲”飛機Fig.3 Aircraft "Alice"

1.2 國內發(fā)展現(xiàn)狀

中國的電動飛機研發(fā)工作幾乎與歐美等航空強國同步[10]?！笆濉逼陂g,中國制定了一系列電動飛機發(fā)展政策,并且完成了2機首飛,2機取證。

1.2.1 政策方面

國家制定的通航“十三五”規(guī)劃提出要“推動新能源飛機發(fā)展”?？萍疾亢徒煌ㄟ\輸部聯(lián)合發(fā)布的《“十三五”交通領域科技創(chuàng)新專項規(guī)劃》[11]也指出要發(fā)展新構型新能源通用航空飛機技術。

2019年以來,中國民航局先后發(fā)布eVTOL相關的重要文件,包括《基于運行風險的無人機適航審定的指導意見》和《無人機試運行管理規(guī)程》,從政策上為eVTOL的適航和運行建立了框架,eVTOL機型已經可以依照這兩個文件在中國開展試運行。

1.2.2 型號研制方面

1) 以輕型電動飛機驗證機為起點

20世紀90年代,鋰電池能量密度只有100 Wh/kg,能否發(fā)展電動飛機是困惑國內外研究人員的課題,因此中國提出電動飛機需要氣動、結構及動力的高效率來彌補電池短板,開展了電動飛機關鍵技術研究,以打破對國外關鍵零部件的技術依賴[12]。突破了高升阻比整機氣動布局設計、輕質高效復合材料結構設計制造、高效低排放動力系統(tǒng)等關鍵技術,研制出銳翔電動飛機(RX1E)驗證機,預期航時40 min,實際飛行達到了45～60 min。在此基礎上投入自有資金將驗證機轉化成型號,與中國民航局一起,依據中國民航CCAR-21部,并參照ASTM 標準,創(chuàng)新性地確定了電動輕型運動飛機的適航審定基礎和編制了符合性驗證程序,成為國際上首款完成適航取證的電動飛機。

2) 面向市場應用研制增程電動飛機

銳翔原型續(xù)航時間為45～60 min,只能本場訓練,不能滿足飛行員培訓及飛機轉場的需求。因此,遼寧通用航空研究院通過增加電池容量、結構減重等方式,開展了增程電動雙座飛機(RX1E-A)的研制工作。通過該型飛機的研制帶動了我國航空鋰電池、電推進系統(tǒng)、復合材料結構設計等領域發(fā)展,相關性能指標均達到世界領先水平。目前,RX1E-A最大起飛重量600 kg,續(xù)航時間可達2.5 h,已在國內多個機場安全飛行超過4 000 h,并獲民航局運動駕駛員執(zhí)照培訓許可。

3) 以電動四座飛機緊隨市場走向

四座飛機是通航市場的主力產品。2018年開始,遼寧通用航空研究院開展了電動四座飛機(RX4E)驗證機研制。RX4E是按照中國民用航空規(guī)章23部要求進行研制的正常類飛機。為了降低研制風險,縮短研制周期,創(chuàng)新性地提出研制概念驗證機,在完成整機限制載荷靜力試驗的基礎上,于2019年10月28日在沈陽法庫財湖機場進行了驗證性測試首飛。該飛機起飛重量達1 200 kg,續(xù)航時間1.5 h,航程300 km。2019年11月11日,東北民航局正式受理了該機型的適航取證申請。

4) 以電動水上飛機拓展應用場景

中國水域眾多并且水面多為優(yōu)秀的旅游資源,電動水上飛機利用水面即可起降,滿足了水域對環(huán)保的嚴格要求,很大程度上解決了“飛起來”和“落下去”的問題,特別適合與環(huán)保要求高的旅游景點結合。因此,遼寧通用航空研究院在銳翔雙座電動飛機的基礎上開展了電動水上飛機關鍵技術研究,進行了低阻高穩(wěn)定性浮筒設計、水面起降配套設施設計、水面快速換裝電源等關鍵技術研究。2019年8月,RX1E-S電動水上飛機在沈陽法庫完成驗證性測試首飛,為中國電動水上飛機的發(fā)展打下堅實的技術基礎。

2 電動飛機技術創(chuàng)新

近年來,隨著電子技術、電池技術、新材料技術的的快速發(fā)展,電動飛機技術得到了飛速發(fā)展[13]。目前,電動飛機正在向市場化、實用化方向發(fā)展。預計到2050年,電推進將成為飛機的主要推進方式。與傳統(tǒng)燃料動力飛機相比,電推進系統(tǒng)緊湊性好,可靠性和安全性高[14]。

為了進一步提高電動飛機性能指標,需要在以下4個方面開展技術創(chuàng)新。

2.1 高升阻比氣動布局設計技術

電動飛機的升阻比越大,飛行時消耗的能量越小,在能量儲備一定的情況下,航時越高。通過設計層流翼型大展弦比機翼,進行CFD數值分析和風洞試驗[15-16],對翼型進行優(yōu)化設計,進而實現(xiàn)層流機翼的設計；以此機翼為基礎,進行高升阻比的整機氣動外形與布局設計,利用CFD數值分析、優(yōu)化,并用風洞試驗對設計結果進行驗證,形成一個高升阻比的氣動布局。在傳統(tǒng)氣動布局基礎上,還需要重點開展翼身融合布局、桁架支撐翼布局、分布式推進布局等新型氣動布局技術研究,優(yōu)化飛機氣動特性,改善飛機飛行性能。

2.2 電推進系統(tǒng)設計與集成技術

具有高效率、輕重量的電推進系統(tǒng)是電動飛機研制成敗的關鍵。為了保證電動飛機具有足夠的航時,電動機、控制器、螺旋槳要具有最高的效率。通過合理設計電動機磁路結構,使永磁體的利用率達到最優(yōu),保證永磁體磁場穩(wěn)定工作在設計點附近,從而實現(xiàn)高效率電動機設計；開展控制器的低壓供電設計、冷卻系統(tǒng)設計、低功耗設計,以提高控制器效率；基于機翼理論和渦流理論,開展高效率螺旋槳設計,獲得最大效率螺旋槳的幾何特性,包括：弦長分布、槳葉角分布。

2.3 輕質高效復材結構設計技術

為了降低電動飛機能耗,電動飛機需要使用輕質高效的復合材料結構。通過監(jiān)測樹脂流動、浸潤、固化過程,優(yōu)化復合材料工藝參數、鋪層、模具工裝,以減輕結構重量、降低結構成本、抑制內殘余應力、控制結構變形。研究復合材料結構表面處理技術,提高飛機復合材料結構的表面光潔度,進而減小空氣阻力。

2.4 高性能電池設計技術

電池的壽命、能量密度、功率密度是制約電動飛機發(fā)展的關鍵因素,直接影響電動飛機航時、航程。因此,應重點開展高能量密度鋰電池、高功率密度燃料電池、高效率太陽能電池、結構功能一體化儲能材料等研究。

3 電動飛機發(fā)展展望

針對航空業(yè)“第三次技術革命”,國外的重視和支持力度實屬空前,如果中國不繼續(xù)保持研發(fā)投入與科技創(chuàng)新,近10年電動飛機發(fā)展的技術優(yōu)勢將會很快被超越。因此,建議電動飛機要按照以下4點構建全面的規(guī)劃：

1) 以高功率高效率電推進系統(tǒng)為研發(fā)重點

形成中國電推進系統(tǒng)系列型譜,在現(xiàn)有電推進系統(tǒng)關鍵技術研究及系統(tǒng)集成基礎上,開展140 kW、260 kW、500 kW、1 MW系列電推進系統(tǒng)研制,支撐中國電動飛機型號持續(xù)發(fā)展。

2) 以電電混合電推進系列飛機為研發(fā)核心

在鋰電池與燃料電池混合的基礎上,進一步探討采用太陽能、鋁空氣電池等進行組合,開展短途通勤/運輸電動飛機研制,突破高效儲氫、高壓力加氫、電解池制氫、高效率輕質燃料電池系統(tǒng)設計與集成、電電混合動力能量管理技術、兆瓦級電動力系統(tǒng)設計、低噪聲高效率可變距螺旋槳設計等關鍵技術。

3) 以現(xiàn)有電動飛機型號運營支持體系研究為關鍵

國內現(xiàn)僅針對大型民用飛機開展了運營支持體系關鍵技術研究,對電動飛機還未開展。運營支持體系的成與敗關系到飛機全壽命周期的使用與安全,計劃到2025年,在運行安全工程與技術、維修工程與技術、培訓工程與技術、工程數據應用等方面開展運營支持體系建設,構建相對獨立、適應市場的電動飛機運營支持體系。

4) 以拓展新型電動飛行器研發(fā)和標準構建為目標

為了繼續(xù)保持新能源電動飛機研制優(yōu)勢,應加快拓展各應用場景下的全譜系電動飛行器研制,研制包括水上四座電動飛機、小型電動直升機、電動力飛艇、長航時太陽能飛機,構建可廣泛應用于城市空運、短途運輸、通訊中繼、軍事偵察等領域的新型電動飛行器。系統(tǒng)開展電動飛機標準、規(guī)范制定,填補電動飛機標準空白。

4 結 論

1) 電動飛機是實現(xiàn)中國與世界航空強國并駕齊驅的重要領域,建議高度重視、提早布局。明確中國電動飛機的發(fā)展戰(zhàn)略與規(guī)劃,制定電動飛機發(fā)展路線,引導電動飛機健康、快速、有序發(fā)展。

2) 電動飛機研發(fā)與應用是一項龐大的系統(tǒng)工程,涉及到航空宇航科學技術、機械、電子、材料、管理等學科,僅靠遼寧通用航空研究院現(xiàn)有力量難以支撐電動飛機后續(xù)高質量發(fā)展,因此應以遼寧通用航空研究院為基礎,整合全國優(yōu)勢科研力量,形成合力,成立電動飛機國家工程技術研究中心來推動電動飛機發(fā)展。

3) 電動飛機研發(fā)周期長、經費需求量大,目前研發(fā)經費嚴重不足。為了加強中國電動飛機型號研制工作,占領國際通用航空電動化的至高點,應設置電動飛機重大專項,支持電動飛機研發(fā)。

4) 參照電動汽車銷售補貼政策,對滿足續(xù)航指標的電動飛機銷售給予補貼。在推廣初期給予飛行補貼,形成產業(yè)規(guī)模后可以減少或不補。