王騰飛 寇淑然 任柏春 劉佩佩

（中國民航大學(xué)，天津 300000）

1 綜述

1.1 研究背景

隨著我國民航業(yè)的迅速發(fā)展，民航業(yè)在我國交通運輸領(lǐng)域起到越來越重要的作用。運輸需求的增加使得我國的航班量越來越多，對環(huán)境造成的污染也越來越嚴(yán)重。其中，交通工具不僅在化石燃料消耗及排放中所占的比例較大，而且影響人們的生活。在航空領(lǐng)域，其二氧化碳排放量占全球二氧化碳總排放量的2%以上且逐年上升[1]。

因此，為響應(yīng)“綠水青山就是金山銀山”的號召，新能源零排放飛機的發(fā)展已然越來越被人們所重視。我國目前在新能源零排放飛機的研究上與國際先進水平并駕齊驅(qū)。

1.2 研究的重要性

目前新能源零排放飛機的動力形式有生物燃料燃燒提供的熱能、氫能源、電能、太陽能等。電動飛機作為新能源飛機又分為純電動推進系統(tǒng)和油電混合動力系統(tǒng)。純電動推進系統(tǒng)的飛機一般由蓄電池和燃料電池這兩種燃料電池進行供電；而油電混合動力系統(tǒng)就好像現(xiàn)在的新能源汽車系統(tǒng)，飛機在不同的飛行狀態(tài)下所使用的動力來源可能不同，對于飛行員和乘客來說都更接近于現(xiàn)在的燃料飛機。

1.3 研究熱點態(tài)勢分析

首先，新能源零排放燃料如何提高航空工業(yè)動力系統(tǒng)的能量利用效率并降低污染物排放是每一個能源、動力裝置研究人員所關(guān)心的問題。在這種情形下，能量來源是第一個問題。航空電池的研發(fā)是當(dāng)下重點科研態(tài)勢之一，從鉛蓄電池到鋰電池再到空氣電池，航空電池多種多樣的產(chǎn)品也用在了不同的實驗飛機上。航空電池可以帶動小型飛機飛行[2]。

此外，電動飛機的氣動性也是一個研究熱點。在傳統(tǒng)航空汽油供能的飛機上，飛機的機翼由于安裝著油箱和發(fā)動機，需要承受較大的負(fù)向載荷，但是就電池供電飛機或太陽能電池飛機來說，電池的質(zhì)量理論上比燃油的質(zhì)量小得多。與此同時，由于電池的能量密度比航空汽油小，單位時間內(nèi)提供的能量小，使得飛機的性能較傳統(tǒng)飛機有巨大變化。

第三，電動飛機與傳統(tǒng)飛機相比，部分機型的高空性能指標(biāo)較差。由于功率較小，飛機在爬升時會顯得相當(dāng)吃力甚至出現(xiàn)失速情況，非常危險。由于電動飛機受高密度高度影響，那么在高空性能就會更差。但是在太陽能飛機方面，飛機在高空會接收到更多太陽光線，理論上可以產(chǎn)生更大的功率，因此在此方面有發(fā)展的空間。

本文從全電動航空器以及油電混合動力系統(tǒng)航空器兩方面來展開論述，系統(tǒng)介紹了各類型電推進技術(shù)的驅(qū)動原理以及各國在電動航空器領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r。

2 電動飛機研究現(xiàn)狀

2.1 全電動飛機發(fā)展現(xiàn)狀

由于全球?qū)η鍧嵦炜?、航空脫碳方面的關(guān)注，電動航空器行業(yè)迎來了空前的繁榮。據(jù)英國《飛行國際》網(wǎng)站報道，截至2019年10月，全球共有電動飛機項目約240項。歐洲作為電動飛機項目研發(fā)最活躍的區(qū)域，共有72個電動飛機項目正在開發(fā)過程中。美國則是繼歐洲以后電動飛機項目第二大區(qū)域，有67個項目正在進行中。同時，Air Race E也于2020年推出其首屆國際系列競賽，旨在激烈的競爭環(huán)境中，逐步滿足國際上對全電動航空器的速度、性能和動力管理的需求，也為更清潔、更快速、技術(shù)更先進的電動機的開發(fā)和推廣提供了完美的平臺。

2.1.1 美國企業(yè)研發(fā)項目

為了在各重大樞紐之間建立客運航線，Regent項目組開啟了Seaglider的研究。Seaglider的一大特點是其水翼，便于滑翔機以水為跑道，低速行駛，隨后并以每小時180英里的高速度飛越海浪，其飛行原理與氣墊船相似，很好地利用了空氣動力學(xué)，增大了航程。新型Seaglider全電動飛行器將飛機與船只各自的優(yōu)點結(jié)合，并利用現(xiàn)有碼頭基礎(chǔ)設(shè)施，執(zhí)行客運和關(guān)鍵貨物運輸工作，其航程可達290 km[3]。

2.1.2 法國企業(yè)研發(fā)項目

由空客集團所開發(fā)的第一代E-Fan全電動飛行器，成為全球第一架依靠自身動能飛行，同時實現(xiàn)飛越英吉利海峽的飛機。E-Fan全電動飛行器使用了全碳纖維行業(yè)復(fù)合材料，重約600 kg，配有兩個鋰電池發(fā)動機，在蓄電池供應(yīng)滿格的情況下可飛行45 min至1 h。該飛行器飛行經(jīng)驗豐富，現(xiàn)已進行了100次以上的試飛試驗[4]。

2.1.3 英國企業(yè)研發(fā)項目

英國勞斯萊斯公司希望建造世界上最快的電動飛機，并為此整合其電推進平臺。2019年，該公司研制了ACCEL全電動飛機，這款電動飛機被設(shè)計成為有螺旋槳的單座式電動飛機，它的電池包含6 000塊密集電池，為三個輕型電機供電，總功率超過500馬力，續(xù)航里程200英里，最高時速超過300英里，已于2020年春季進行了首飛試驗[5]。

2.1.4 中國企業(yè)研發(fā)項目

沈陽航空航天大學(xué)遼寧通用航空研究院所研發(fā)、制造的RX1E銳翔增程型雙座電動飛行器是一款雙座電動輕型運動類航空器，同時也是中國國內(nèi)第一架擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的雙座電動輕型運動航空器。機體的建造全部使用復(fù)合材料，螺旋槳的制造材料也是選用碳纖維，選用上單翼設(shè)計的機翼布局。該架飛機不僅環(huán)保、靜音，而且可以有效提高航時、航程。同時，該機配備了整機降落傘系統(tǒng)，大大提高了飛機的安全性能[6]。

2.2 油電混合推進動力系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

2.2.1 串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)

串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)包括動力電池、增程系統(tǒng)和電驅(qū)動系統(tǒng)，增程系統(tǒng)包括二者相互連接的發(fā)電機與帶動發(fā)電機進行發(fā)電的發(fā)動機，電驅(qū)動系統(tǒng)包括螺旋槳和為螺旋槳提供驅(qū)動力的驅(qū)動電機，動力電池則為驅(qū)動電機提供電能[7]。

在2017年11月，空客公司、西門子公司與羅羅公司為響應(yīng)歐盟削減航空業(yè)碳排放污染的號召，推出了E-Fan X驗證機。驗證機中的四個噴氣發(fā)動機中的一個將會被一個2 MW的電動機取代。雖然在2020年4月該項目被叫停，但在過去不到三年的時間里，E-Fan X驗證機成功地完成了世界上第一次在一架驗證機上啟動并測試一系列混合動力電推系統(tǒng)的可能性與局限性。同時，E-Fan X驗證機項目在推進脫碳進程方面，也為后續(xù)研究提供了寶貴的經(jīng)驗。該項目更為未來全行業(yè)采用和監(jiān)管新動力系統(tǒng)的商業(yè)飛機奠定基礎(chǔ)。

但由于串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)中主要由電能帶動推進器，因此在串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)中常常需要一個大容量的發(fā)電機，而這方面又存在配備的蓄電池能量密度低、高功率密度的電機研制困難等問題。同時，該動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中有兩次能量的轉(zhuǎn)化，期間的能量損耗也造成能量利用率低的問題。

2.2.2 并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)

在并聯(lián)混合系統(tǒng)中，電動力系統(tǒng)中的電機與渦輪發(fā)動機共同安裝在一個軸上，在任意時間，兩者可以單獨或者同時提供推力。由于并聯(lián)混合動力系統(tǒng)不需要對整個飛機推進系統(tǒng)結(jié)構(gòu)做出較大調(diào)整，僅針對傳統(tǒng)發(fā)動機進行改型，所以更適用應(yīng)用于傳統(tǒng)大型飛機[8]。并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)因此也被認(rèn)為是傳統(tǒng)動力系統(tǒng)的巨大顛覆，其優(yōu)異的性能也隨之開始被研究。

2019年6月，世界上最大的油電混合動力飛機EEL試飛成功。該架飛機由安飛公司基于Cessna 337空中大師改裝，采用并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)，搭載安飛公司所自主研發(fā)的電推進動力系統(tǒng)，在保留原有內(nèi)燃機動力系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了節(jié)省燃料的目的[9]。

由于并聯(lián)混合動力系統(tǒng)具有兩套獨立的驅(qū)動系統(tǒng)，因此相較于傳統(tǒng)發(fā)動機，并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)對于能量的利用率較高，具有明顯省油、降低成本、增強減排效果以及一定的降噪效果。并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)是通過電氣化為通用航空帶來更低排放、更低運營成本和更安靜運營的第一步。但同時要想實現(xiàn)大推力并聯(lián)航空混合動力系統(tǒng)概念的應(yīng)用，高功率密度電機、高能量密度電力系統(tǒng)及其他高性能電動力系統(tǒng)附件是電動力領(lǐng)域待解決的關(guān)鍵技術(shù)。

2.2.3 混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)

混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)中包含一個大風(fēng)扇和其他多個小風(fēng)扇，大風(fēng)扇直接通過燃?xì)鉁u輪驅(qū)動，其他小風(fēng)扇則通過電動電機驅(qū)動，這些電動電機通過電池或者渦輪驅(qū)動發(fā)電機來獲得能量。

相比于并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)，混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)能夠更加靈活地根據(jù)飛行狀況來調(diào)節(jié)內(nèi)燃機功率輸出與電機的運轉(zhuǎn)。但此混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，目前研究較少。

3 結(jié)語

當(dāng)下，空客公司與其他全電動航空器領(lǐng)域的研究機構(gòu)已經(jīng)和Air Race E達成合作伙伴關(guān)系，致力于成為電推進領(lǐng)域的領(lǐng)頭人以及新型生態(tài)系統(tǒng)的開拓人。受限于電池的能量密度和重量，全電動飛機無法實現(xiàn)搭載百人且長航時飛行的目標(biāo)。相比于全電動飛行器，發(fā)展混合動力飛行器顯然更為現(xiàn)實一些，特別是在現(xiàn)在鋰電池技術(shù)還需要進一步提高的背景下，因此當(dāng)下電動航空器的研制工程應(yīng)以高功率、高效電力推動系統(tǒng)為研制重點，以油電混合動力結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的航空器研究為研制核心，以現(xiàn)有的新能源發(fā)電型號全壽命保障體系的研究為關(guān)鍵，以開展新型電動航空器研制與標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)工作為主要目標(biāo)，改變了傳統(tǒng)的飛機設(shè)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(shè)計。

到目前為止，各國對于不同類型電推進技術(shù)的研究已不再止步于理論階段。電動航空器未來的發(fā)展道路雖依舊坎坷，面臨著很多技術(shù)上的挑戰(zhàn)，但研制電動航空器已是大勢所趨。近些年，越來越多的科研成果問世，越來越多的人開始重視電動飛機或其他清潔能源供能的飛機。相信在各國航空工業(yè)的迅速研究發(fā)展下，電動航空器將取代傳統(tǒng)內(nèi)燃機推進系統(tǒng)航空器，實現(xiàn)脫碳飛行。

電動航空器具有環(huán)保性、舒適性、維修性和經(jīng)濟性等多種優(yōu)勢。我國應(yīng)當(dāng)高度重視該領(lǐng)域，明確未來發(fā)展規(guī)劃，借鑒他國發(fā)展歷程，制定相應(yīng)發(fā)展路線，引導(dǎo)國內(nèi)電動航空器領(lǐng)域健康、快速、有序發(fā)展。