董幗熊

近年來，為了有效應(yīng)對航空業(yè)面臨的環(huán)境挑戰(zhàn)，降低碳排放與噪聲，無論是飛機制造商還是發(fā)動機制造商都在積極布局未來。這其中既有ATR、巴航工業(yè)這樣的支線飛機制造商，也有空客、波音這樣的干線飛機制造商，除此之外，普惠、羅羅等動力系統(tǒng)供應(yīng)商也積極參與其中?？梢哉f，飛機制造商正與動力系統(tǒng)供應(yīng)商等一起，加速推進一場新能源轉(zhuǎn)型的革命。

通用電動飛機加速投入商運

相對干線飛機和支線飛機，通用飛機有結(jié)構(gòu)簡單、適航認證過程相對簡單的優(yōu)點，因此也成為了飛機制造商和發(fā)動機制造商新能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的前沿陣地。一方面，在通用飛機平臺上進行驗證可以快速投入商業(yè)運營、降低成本，另一方面也可以作為關(guān)鍵技術(shù)的驗證平臺，為后續(xù)在更大型飛機平臺上使用積累經(jīng)驗。

從全球范圍來看，目前已有一些通用飛機制造商完成了初步的探索，相應(yīng)產(chǎn)品獲得了適航證，并已計劃投入商業(yè)運營。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改裝電動飛機。這架飛機由一個功率為560千瓦的電機替換原有活塞發(fā)動機。目前，這款飛機正在開展補充取證（STC）工作，計劃于2022年投入短途商業(yè)運營。在完成了新能源轉(zhuǎn)型之后，全新經(jīng)過改裝的采用電推進系統(tǒng)的飛機能夠有效降低能源消耗與維護成本。據(jù)估計，采用全新動力裝置的飛機在5年內(nèi)的運營成本較傳統(tǒng)飛機可降低70%～80%。

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

“創(chuàng)新精神”驗證機是羅羅在英國政府資助下開展的“加速飛行電氣化”平臺，采用全電推進系統(tǒng)和固定翼構(gòu)型，設(shè)計功率400千瓦、速度480千米/小時。2021年，“創(chuàng)新精神”驗證機完成首飛，并打破了全電動飛機最快飛行速度。

渦扇支線飛機的演示驗證

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

聯(lián)合技術(shù)公司正在開展的支線飛機混合電推進計劃是基于龐巴迪沖-8支線飛機進行的，使用了2兆瓦級混合電推進系統(tǒng)替換一側(cè)的PW121渦槳發(fā)動機，根據(jù)計劃，這一項目將在2022年首飛。發(fā)動機制造商羅羅公司開展了一個2.5兆瓦級混合電推進系統(tǒng)的研發(fā)工作，是當前航空領(lǐng)域容量最大的混合動力系統(tǒng)，目前已進入地面試驗階段。

老牌的渦槳支線飛機制造商ATR公司計劃在ATR42和ATR72飛機上進行新能源轉(zhuǎn)型計劃。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針對ATR42和ATR72-600飛機的升級計劃。該計劃將在這兩款機型中采用加普惠公司最新的PW127XT新型發(fā)動機取代之前傳統(tǒng)的渦槳發(fā)動機。

加普惠公司的PW127XT新型發(fā)動機已實現(xiàn)了50%的可持續(xù)航空燃料（SAF）的支持，并計劃在2022年第二季度之前實現(xiàn)100%采用SAF。加普惠的PW127XT發(fā)動機是公司“下一代支線客機渦扇發(fā)動機（NGRT）”項目下研發(fā)的一款全新產(chǎn)品。這款產(chǎn)品通過提高壓氣機、渦輪機的功率和效率，挖掘傳統(tǒng)動力形式渦槳發(fā)動機的效率極限。相比上一代PW127發(fā)動機，這款新發(fā)動機提高了40%左右的在翼時間、降低了20%的維護成本、提高了3%的燃油效率，并將發(fā)動機大修時間間隔延長至2萬小時，每10年僅需要安排兩次發(fā)動機例行檢修。根據(jù)計劃，全新的PW127XT發(fā)動機將在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。

巴航工業(yè)的提前布局

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

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

根據(jù)巴航工業(yè)公布的計劃，未來最先投入運營的是9座級小型商務(wù)機E9-HE，又名“混動號”（Hybrid），該機設(shè)計航程為500英里（約926公里），計劃于2030年前投入運營。E9-HE采用混合電推進系統(tǒng)，一對置于機身側(cè)后方的螺旋槳發(fā)動機可同時利用航空燃油和電池產(chǎn)生推力。電池在飛機起飛和爬升階段供電，使發(fā)動機獲得額外推力，在飛機巡航狀態(tài)停止供電。電池的輔助功率可保證發(fā)動機在整個飛行過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飛機的發(fā)動機可支持100%的可持續(xù)航空燃料（SAF），以進一步減少碳排放。

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

9座級小型商務(wù)機E9-FE，又名“電動號”（Electric），設(shè)計航程為200英里（約370公里），計劃于2035年前投入運營。E9-FE采用純電推進系統(tǒng)，配備單臺電機，置于T形垂尾正上方，電機采用兩組反向旋轉(zhuǎn)的螺旋槳，電池位于機頭處。巴航工業(yè)計劃為E9-HE定制可拆卸電池組，以減少電池的更換時間、降低電池的使用和維護成本。E9-HE的典型特征是接近滑翔機的大展弦比，該機具有“專為滑翔而設(shè)計（glider-inspired）的機翼”，從而可盡可能地提升飛機的氣動性能，彌補電推進系統(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飛機能夠?qū)崿F(xiàn)整個飛行過程零排放，后置電機能夠減少80%的外部噪聲，是Energia系列中減噪效果最好的飛機，更適合靠近市中心的機場使用。

19座級小型客運飛機E19-H2FC，又名“氫燃料電池號”（H2 Fuel Cell），設(shè)計航程為200英里（約370公里），與E9-FE同樣計劃于2035年前投入運營。E19-H2FC飛機采用氫燃料電池電推進系統(tǒng)，采用一對置于機身側(cè)后方的電機，機身內(nèi)安裝有儲氫罐和能量轉(zhuǎn)換裝置，為電機提供電能。該機航程可以根據(jù)客戶需求進行增程，但目前巴航工業(yè)未公開披露實現(xiàn)增程的具體技術(shù)細節(jié)。據(jù)巴航工業(yè)官方公布數(shù)據(jù)，E19-H2FC飛機能夠?qū)崿F(xiàn)整個飛行過程零排放，后置電機能夠減少70%的外部噪聲。

計劃最晚投入運營的是35～50座級小型客機E50-H2GT，又名“氫渦輪號”（H2 Gas Turbine），該機設(shè)計航程為350～500英里（約648～926公里），計劃于2040年前投入運營。E50-H2GT采用一對置于機身側(cè)后方的渦輪螺旋槳發(fā)動機提供動力，該機最具特色的是，能夠同時支持以液氫或航空燃油作為燃料。當執(zhí)行短距離任務(wù)時，E50-H2GT飛機將采用100%液氫作為燃料，設(shè)計航程為350英里（約648公里）;當執(zhí)行遠距離任務(wù)時，則可換為100%SAF作為燃料，設(shè)計航程為500英里（約926公里）。

中國企業(yè)的探索

在國內(nèi)，一些通航企業(yè)和科研院所對電動飛機的研發(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年獲得了中國民航局型號適航審定的受理，同時還獲得了美國、挪威、加拿大等多個國家適航當局的特許飛行許可。

2021年，億航發(fā)布了一款名為VT-30的eVTOL，這款雙座飛機為混合動力結(jié)構(gòu)，并采用了復(fù)合材料的機翼，設(shè)計航程達到300公里，設(shè)計續(xù)航時間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個螺旋槳和一對固定的機翼，尾部設(shè)有推進螺旋槳，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)品相互補充，并進一步針對城際間空中交通運輸使用，從而進一步打造城市空中交通生態(tài)系統(tǒng)。

此外，在電動飛機的研發(fā)方面，作為國內(nèi)唯一一所系統(tǒng)開展新能源電動飛機研制的科研機構(gòu)——遼寧通航研究院充分發(fā)揮沈陽航空航天大學(xué)航空特色教育科研資源優(yōu)勢，積極探索推動新能源航空設(shè)計、制造、試驗、適航、運營和人才培養(yǎng)的全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，使我國小型、輕型新能源飛機產(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是國內(nèi)首個具有自主知識產(chǎn)權(quán)并率先完成適航取證并進入市場的電動輕型運動飛機。目前已廣泛用于飛行員培訓(xùn)、觀光旅游飛行、高精度航拍航測等用途，相關(guān)產(chǎn)品已率先完成適航取證并進入市場，獲得148架訂單，已經(jīng)交付14架，累計運行3430小時。在此基礎(chǔ)上，遼寧通航研究院正在全力推進電動飛機譜系化發(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發(fā)展格局。

此外，國家層面也高度重視新能源飛機的發(fā)展，工信部正著手制定“綠色能源航空器發(fā)展路線圖”，針對電動、混合動力、氫能源和生物燃料等不同能源模式開展研究，形成綠色能源航空器發(fā)展路線圖。與此同時，我國電動飛機標準規(guī)范和適航規(guī)章也在制定中。作為我國商用飛機項目研制主體的中國商飛公司近年來也十分關(guān)注綠色飛行技術(shù)。2021年，中國商飛公司下屬的北京民用飛機研發(fā)中心公布了一款采用復(fù)合材料機翼的i-eVTOL垂直起降飛機。但客觀來說，在這一領(lǐng)域我國無論是在原始技術(shù)積累、產(chǎn)業(yè)鏈提前布局和專業(yè)人才培養(yǎng)方面都還存在短板，面對轉(zhuǎn)型升級，還需要產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)認真思考和提前謀篇布局。