解鐵軍

打破世界速度紀(jì)錄

羅爾斯-羅伊斯公司宣布“創(chuàng)新精神”號全電動(dòng)飛機(jī)于2021年11月16日以555.9公里/小時(shí)（345.4英里/小時(shí)）的速度飛行了3公里，打破了電動(dòng)飛機(jī)速度世界紀(jì)錄。在隨后的測試中，“創(chuàng)新精神”號以532.1公里的時(shí)速飛行超過15公里，并用時(shí)202秒爬升到3000米，創(chuàng)造另兩項(xiàng)新的世界紀(jì)錄。這些速度紀(jì)錄申請了國際航空運(yùn)動(dòng)聯(lián)合會(huì)（FAI）認(rèn)證，使“創(chuàng)新精神”號成為名副其實(shí)世界最快全電動(dòng)飛機(jī)。

此前，電動(dòng)飛機(jī)世界紀(jì)錄于2017年由西門子使用Extra 330特技飛機(jī)改裝的330LE電動(dòng)飛機(jī)創(chuàng)造，最大飛行速度是210英里/小時(shí)（336公里/小時(shí)）?！皠?chuàng)新精神”號打破并大大提高了該紀(jì)錄。實(shí)際上，羅爾斯-羅伊斯于2019年收購了西門子的電動(dòng)飛行業(yè)務(wù)單元， 并逐步將其技術(shù)和項(xiàng)目整合到羅爾斯-羅伊斯電動(dòng)業(yè)務(wù)。

“創(chuàng)新精神”號全電動(dòng)飛機(jī)項(xiàng)目于2018年啟動(dòng)。項(xiàng)目預(yù)算6百萬英鎊，其中一半由英國政府資助。參與公司主要包括ElectricFlight、YASA和羅爾斯-羅伊斯電動(dòng)業(yè)務(wù)部門。項(xiàng)目啟動(dòng)時(shí)的主要目的是探索以多電或全電推進(jìn)為代表的航空的第三個(gè)時(shí)代，力爭打破全電動(dòng)飛機(jī)速度的世界紀(jì)錄，以此來展示羅爾斯-羅伊斯及其合作伙伴的技術(shù)專長和能力，從而推動(dòng)可持續(xù)綠色凈零碳航空承諾的實(shí)現(xiàn)。

“創(chuàng)新精神”號概況

“創(chuàng)新精神”號的機(jī)體部分使用成熟的競速飛機(jī)平臺(tái)Sharp Nemesis NXT。“創(chuàng)新精神”號使用72千瓦時(shí)電池，大功率飛行大約可持續(xù)8分鐘。鋰電池封裝后能量密度為155瓦時(shí)/公斤，電池殼體是機(jī)體結(jié)構(gòu)的一部分。

“創(chuàng)新精神”號串聯(lián)安裝三個(gè)獨(dú)立的 750伏、133千瓦的電動(dòng)機(jī)，總功率400千瓦共同驅(qū)動(dòng)一副螺旋槳。包括電池包、控制器和電動(dòng)機(jī)在內(nèi)的主要驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都裝有主動(dòng)冷卻系統(tǒng)。機(jī)體結(jié)構(gòu)重295kg，高壓動(dòng)力系統(tǒng)重200kg，電池系統(tǒng)重474kg，其它輔助系統(tǒng)及部件重175kg。

從上面的數(shù)據(jù)可以看出，系統(tǒng)中超過三分之一的重量是電池。在項(xiàng)目啟動(dòng)時(shí)，電動(dòng)汽車界的電芯能量密度大約是240 wh/kg，由此對應(yīng)的電池包能量密度大約是120 wh/kg。電芯和電池包輔助系統(tǒng)的重量比大約是50%比50%?！皠?chuàng)新精神”號的主要挑戰(zhàn)是將航空業(yè)控制安全的理念和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)帶入到電池包的設(shè)計(jì)中，同時(shí)將電芯和電池包輔助系統(tǒng)的重量比提高到65%比35%。

不同于傳統(tǒng)電動(dòng)飛機(jī)將高能量密度作為主要的設(shè)計(jì)目標(biāo)，“創(chuàng)新精神”號為了實(shí)現(xiàn)更高的速度，必須要提高飛機(jī)的功率密度。電動(dòng)飛機(jī)的功率密度可以類比傳統(tǒng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比，只有高功率密度才能支持更高的飛機(jī)飛行性能參數(shù)，比如速度或者機(jī)動(dòng)性。為了實(shí)現(xiàn)高功率密度，“創(chuàng)新精神”號最快可以在8分鐘內(nèi)將電池包內(nèi)的能量全部消耗，這在熱管理和保證安全方面帶來很高的挑戰(zhàn)。

為了保證安全，“創(chuàng)新精神”號的電池包由三個(gè)電氣上連接，但機(jī)械上獨(dú)立的電池分包組成。這些電池包都由主動(dòng)冷卻系統(tǒng)來進(jìn)行熱管理。這種冗余設(shè)計(jì)提高了系統(tǒng)的安全性。電池包還進(jìn)行了熱失控的模擬。熱失控模擬在60%充電狀態(tài)、60度溫度和創(chuàng)記錄飛行的狀態(tài)下進(jìn)行。在人為將2個(gè)電芯加熱到排氣閥打開后，電池包在經(jīng)歷13個(gè)電芯熔化排氣閥后停止熱失控。為了實(shí)現(xiàn)熱管理，抵御熱失控，電池包的設(shè)計(jì)中采用多層級的防御措施。在電芯層仔細(xì)選擇電化學(xué)設(shè)計(jì)、材料、電池生產(chǎn)工藝和電芯防御措施;在電芯選擇上進(jìn)行了大范圍的電池表征;在電池組模設(shè)計(jì)中進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)并進(jìn)行熱測試;在電芯使用時(shí)嚴(yán)格控制使用參數(shù);為了保證熱包容，電池包帶有快速壓力釋放功能并使用具有阻熱能力的電芯分隔艙。

“創(chuàng)新精神”號打破速度世界紀(jì)錄是羅爾斯-羅伊斯在電動(dòng)航空推進(jìn)領(lǐng)域多年探索和耕耘的一個(gè)小結(jié)。羅爾斯-羅伊斯已經(jīng)進(jìn)行了超過1500次電動(dòng)飛行，總飛行電能超過1萬7千多千瓦時(shí)。完成的試驗(yàn)項(xiàng)目有Magnus eFusion、Extra 330LE、Flight Design F2e、ByeAerospace eFlyer 2和City Airbus。正在進(jìn)行的項(xiàng)目有 Tecnam P-VOLT 全電動(dòng)通勤飛機(jī)、Do228亞兆瓦級支線飛機(jī)，APUS i5 混合推進(jìn)項(xiàng)目等。羅爾斯-羅伊斯的目標(biāo)是在本世紀(jì)20年代中期推出面向小型螺旋槳飛機(jī)、城市空中交通（UAM/AAM）和通勤市場的電動(dòng)推進(jìn)產(chǎn)品組合。這個(gè)組合包括電池包，電控和電動(dòng)機(jī)。

航空電動(dòng)推進(jìn)有諸多優(yōu)勢。電動(dòng)推進(jìn)控制難度低、響應(yīng)快，使它可以更方便快捷地應(yīng)用在響應(yīng)要求高的場合，比如城市空中交通（UAM/AAM）。與此同時(shí)，電動(dòng)推進(jìn)相對于燃?xì)廨啓C(jī)的環(huán)境影響小，包括低/零空氣污染、低噪音和低二氧化碳排放，這使電動(dòng)推進(jìn)適應(yīng)性更高，并在航空可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮關(guān)鍵作用。航空電動(dòng)推進(jìn)的能源利用率也更高，在許多場景下高于往復(fù)式或燃?xì)廨啓C(jī)推進(jìn)系統(tǒng);電池和電力電子器件近期的發(fā)展使航空電動(dòng)推進(jìn)成為可能。電動(dòng)推進(jìn)有可能帶來新的出行方式，并重塑航空運(yùn)輸業(yè)。電動(dòng)航空推進(jìn)已經(jīng)在一些領(lǐng)域展現(xiàn)出經(jīng)濟(jì)競爭力，比如說飛行培訓(xùn)領(lǐng)域。

在此背景下，基于在航空推進(jìn)領(lǐng)域積累的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)專長，羅爾斯-羅伊斯持續(xù)在電動(dòng)航空領(lǐng)域進(jìn)行投資。羅爾斯-羅伊斯是往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)領(lǐng)域的先驅(qū)和領(lǐng)導(dǎo)者，現(xiàn)在把電動(dòng)航空當(dāng)作航空的第三個(gè)時(shí)代未來重點(diǎn)發(fā)展。電動(dòng)航空推進(jìn)，同持續(xù)提高燃?xì)廨啓C(jī)效率和擴(kuò)大可持續(xù)航空燃料（SAF）的使用一起，構(gòu)成了羅爾斯-羅伊斯推動(dòng)可持續(xù)航空、實(shí)現(xiàn)凈零碳的三大戰(zhàn)略。希望“創(chuàng)新精神”號創(chuàng)造的速度世界紀(jì)錄能讓全社會(huì)更加關(guān)注航空電動(dòng)推進(jìn)的潛力，并共同促進(jìn)航空電動(dòng)推進(jìn)的發(fā)展。

航空電動(dòng)推進(jìn)處于發(fā)展的初期，需要參與各方，特別是企業(yè)的持續(xù)的高質(zhì)量創(chuàng)新活動(dòng)來開發(fā)和應(yīng)用新的技術(shù);需要持續(xù)提高電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)的能量密度、功率密度、可靠性、安全性和效率。電動(dòng)航空推進(jìn)的所有參與方，包括電芯、芯片等技術(shù)提供方，部件集成方和飛機(jī)集成方需要密切配合，對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。將航空電動(dòng)推進(jìn)技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)檫m航的產(chǎn)品則需要相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)、測試方法和工業(yè)界同局方的密切溝通。最后，電動(dòng)航空推進(jìn)可能會(huì)重塑整個(gè)航空運(yùn)輸系統(tǒng)，影響機(jī)票預(yù)訂，機(jī)場、空中交通管理以及包括電網(wǎng)在內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和改造。民航業(yè)界各方需要攜手打造一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，共同促進(jìn)大規(guī)模電動(dòng)航空推進(jìn)的早日實(shí)現(xiàn)，加速振奮后疫情時(shí)代民航的生機(jī)和活力，并為實(shí)現(xiàn)碳中和/凈零碳排放做出貢獻(xiàn)。