新能源电动飞机发展与挑战

黄俊， 杨凤田

1. 辽宁通用航空研究院， 沈阳　110136

2. 北京航空航天大学　航空科学与工程学院， 北京　100083



新能源电动飞机发展与挑战

黄俊1, 2, *， 杨凤田1

1. 辽宁通用航空研究院， 沈阳110136

2. 北京航空航天大学航空科学与工程学院， 北京100083

摘要:发展绿色航空是人类社会形成的基本共识，新能源电动飞机为实现彻底的绿色航空提供了一条光明的技术途径。简述了航空对环境的影响、电在飞机上的应用及电动飞机的发展历程，对新能源电动飞机的能源分类、电推进系统及其总体效率进行了研究，重点针对载人轻型运动飞机，分析了电动飞机的发展现状、特征以及能源需求，通过对电池作为能源的载人电动飞机的航程和极限航程研究，提出了电池能量密度提升和性能改进、高升阻比空气动力设计、低成本轻质高效复合材料结构设计与制造、高效率电推进系统设计与集成等电动飞机发展面临的挑战，给出了应大力发展电动飞机的建议和本领域未来的研究方向。

关键词:绿色航空； 电动飞机； 电推进系统； 新能源； 航程； 技术挑战

100多年来，飞机为改善人类生活、促进经济发展和社会进步发挥了极其重要的作用，同时也给人类生存的环境带来了一些负面的影响。飞机对环境的影响主要体现在3个方面: ①机场附近的噪声污染; ②由于飞机排放造成的空气质量下降; ③飞机向大气排放的CO2等温室气体对区域和全球气候造成的影响[1]。此外，数量上占绝大多数的活塞式通用飞机，除上述三方面的影响外，还会产生超细颗粒物污染和重金属铅污染。按照空中客车公司的统计和预测，从20世纪70年代开始到现在，世界航空运输旅客周转量(RPK)大约15年翻一番，今后20年将以每年4.6%左右的速率持续增长[2]。由此看出，航空运输对环境的压力持续加大，如何缓解和解决飞机对环境的影响以及对石油资源的依赖已经成为必须考虑的问题。

欧美等发达国家要求改善飞机环保性能、营造绿色航空的呼声越来越高，许多机构在为缓解航空对环境的影响而工作，其中美国国家航空航天局(NASA)对此问题颇为关注，开展了以达成能够减少噪声、排放和燃料消耗的技术能力为目标的研究工作，提出了生物燃料的使用、先进航空发动机设计、先进飞机设计、空中加油、先进空中交通管理等新思想或技术方案[1]。中国航空工业集团公司也坚持发展绿色航空技术的战略，全面开展了先进气动、降噪、多电、绿色动力、绿色材料和绿色制造等技术研究，以实现节能减排的目标[3]。这些努力都会在一定程度上缓解飞机对环境的影响，但不能从根本上解决问题。新能源电动飞机的出现为航空的彻底绿色化提供了一条光明的技术途径。

电动飞机是以电机带动螺旋桨、涵道风扇或其他装置产生前进动力的飞机，电机的电源来自电池、燃料电池、太阳能电池、超级电容或功率束(无线功率传输(WPT))等。电动飞机大体上可划分为全电飞机和多电飞机[4]2类，本文重点讨论全电飞机。电在飞机上的应用最先用做活塞发动机起动时的电点火，接着用于无线电通信[5]，Kilgore等在20世纪40年代提出了用发电机发电驱动多个螺旋桨旋转的飞机电推进系统方案，并申请了美国专利[6]，1976年Meier等也申请了用燃料电池或蓄电池驱动螺旋桨的电动飞机专利[7]，由于功率重量比不足,这些技术只能在大展弦比的低速无人机上尝试。1957年世界上第1架用银锌电池驱动的电动模型飞机试飞成功，1973年德国人Fred Militky将奥地利生产的一架HB-3电动滑翔机改装成了电动飞机Militky MB-E1，使用镍镉电池和一个10 kW直流电机，成功载人飞行了12 min[8]。世界上第1架太阳能电动飞机于1974年11月4日首飞成功[9]，1980年5月18日，一个13岁少年驾驶“Gossamer Penguin”实现了太阳能电动飞机的首次载人飞行[10]，2015年瑞士“阳光动力2号”太阳能飞机途经中国进行环球飞行。2009年7月7日，由德国航空航天中心牵头研制的燃料电池无人机DLR-h1试飞成功，由于德国禁止无人机飞行，该飞机上虽乘坐1人，但不对飞机进行操控。2003年9月，NASA研制的束能(功率束)电动飞机模型在室内试飞成功。2015年2月6日，中国民用航空局东北地区管理局向辽宁通用航空研究院研制的电动力轻型运动飞机RX-1E颁发了型号设计批准书(TDA)。2015年7月12日，空中客车公司宣布其E-fan技术验证机飞越了英吉利海峡。电动飞机的可行性研究、建模和设计也受到广泛关注[11-13]。

新能源电动飞机零排放、低噪声、几乎不对环境产生负面影响，代表着飞机发展的重要方向。目前新能源电动飞机技术已经在超轻型运动飞机(ULSA)和轻型运动飞机(LSA)上应用，提供诸如飞行员培训、观光、航空体育竞技等实际用途。随着新能源能量密度等指标的逐步提升，电动飞机在今后的通用航空市场、甚至运输航空市场都有巨大的发展空间。本文将重点针对使用蓄电池为能源的电动通用飞机，从新能源电推进系统出发，研究电动飞机的现状、技术特征和性能限制，提出电动飞机发展面临的挑战。

1新能源电推进系统

电推进系统由为电动飞机提供推力的电机及相关装置构成。电推进系统是电动飞机的核心，电动飞机的性能和用途主要取决于其电推进系统。民用飞机要进入市场，必须得到民航当局的许可，即取得适航证。对于10座以下或起飞总重不大于5 670 kg的喷气式正常、实用、特技和通勤类飞机,以及19座以下或起飞总重不大于8 618 kg的螺旋桨正常、实用、特技和通勤类飞机，按CCAR-23部或FAR-23部适航标准设计和取证。美国联邦航空局(FAA)将起飞总重不超过600 kg的陆上航空器和起飞总重不超过650 kg的水上起降航空器，且最大平飞空速不超过122 km/h、失速速度不超过83 km/h的单、双座飞机归类于轻型运动飞机，并把这类飞机的适航标准制订下放给了美国试验和材料标准协会(ASTM)，因而轻型运动飞机的适航取证按CCAR-21部或FAR-21部以及适用的ASTM标准执行。目前，LSA电推进装置的设计与制造一般遵照ASTM F2840-11标准进行[14]。

1.1电动飞机新能源的分类

新能源是一个广泛的概念，泛指传统能源之外的各种能源形式，包括太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能、水能以及由可再生能源衍生出来的生物能和氢能。与传统能源相比，新能源普遍具有污染少、储量大、分布均匀等特点。电动飞机新能源主要指电池、燃料电池、太阳能电池、超级电容和功率束。

电池泛指能产生电能的装置。电池的种类很多，早期电池由于能量密度有限，难以在飞机上作为推进动力使用。可用于电动飞机的电池主要有锂电池、空气电池和石墨烯电池3类。锂电池分为锂离子电池和锂金属电池，锂离子电池(含锂离子聚合物电池)不含金属态的锂，可充放电，是可用于电动飞机的成熟产品，其理论能量密度大于300 W·h/kg，但为防止充放电爆炸，目前能安全使用的能量密度为100～200 W·h/kg，寿命范围为500～2 000次充放电，能量密度有进一步提升的空间；其他处于科研阶段的锂电池(如锂硫电池等)能量密度远大于目前的锂离子电池[15]。空气电池主要有锌空气电池、锂空气电池、铝空气电池、镁空气电池等，这些电池的实用能量密度大于300 W·h/kg，国内铝空气电池已经在汽车上做过试验，可能近期就能在飞机上应用，不过与可充电的蓄电池不同，铝空气电池通过加铝和更换电解液来产生电能，其自身就是一个发电装置，消耗经特殊工艺加工处理的金属铝。“充电1 min跑1 000 km”是石墨烯电池留给大家的印象，尽管理论上这种电池的能量密度高，但目前其应用前景尚存争议，在飞机上的应用有待论证。

燃料电池是一种将燃料的能量转化为电能的发电装置，从环保角度考虑，目前应用于飞机的主要为氢燃料电池。由于氢气和液态氢的密度小，氢燃料的储存需要大体积或高压力的容器，使其用作飞机的动力源受到了一定限制，此外氢燃料电池能量密度高，但功率密度较低，一般要与功率密度高的锂离子电池配合使用。德国航空航天中心将一个90 kW的氢燃料电池安装在一架A320飞机上，用来驱动飞机前轮转动，实现飞机发动机不开车情况下的地面电动滑行，可节省高达15%的燃料消耗。

图1为电池、氢燃料与其他燃料的质量能量密度E*和体积能量密度V*，从图中可以看出，即使最先进的锂电池与煤油相比，其体积能量密度约为煤油的1/18，而质量能量密度仅为煤油的1/60[16]。有趣的是乳液、乳霜等“生物燃料”也有比电池更高的能量密度，尽管目前还没有将其有效转化为电能的技术，不难推断电动飞机的航程或续航时间等性能指标与油动发动机飞机有较大差距。

太阳能电池是通过光电效应或光化学反应把光能转化成电能的装置，目前应用于飞机的主要是以光电效应工作的薄膜式太阳能电池。光电转化效率是太阳能电池的主要代表性指标，单晶硅太阳能电池是所有太阳能电池中光电转化效率最高的，达到24%。在大机翼面积、小翼载荷的飞机上铺设太阳能电池板，光照条件下获取的电能足以支持飞机的飞行，但储电装置的能量密度还不足以保证夜间的等高度飞行，因而太阳能飞机有效载荷较小，维护性差，其实用性还相当有限。

图1电池、氢燃料与其他燃料的能量密度
Fig. 1Energy density of battery, hydrogen and other fuels

超级电容是通过极化电解质来储能的一种介于传统电容器和电池之间的特殊电源，储能过程不发生化学反应且可逆，因而可反复充放电数十万次，具有充电速度快、大电流放电能力强、功率密度大等特点，已在电动汽车和风力发电领域得到了应用，有望在飞机上与燃料电池配合使用。功率束或无线功率传输，是将电源的电功率不用固体导线或导体传输输送给用电设备的一种能量传输形式，可通过辐射技术、磁场共振技术、电感耦合技术传输能量，也可通过激光传输能量。尽管无线功率传输不是一个新的概念，但实用性的功率束尚处于研究的初期阶段，在飞机上的应用还有很长的路要走。

1.2电推进系统及其效率

电动飞机的电推进系统是指产生用于克服阻力使飞机前飞的动力的一系列零部件组件，包括电源、控制器、电机、减速器、螺旋桨或涵道风扇等，如图2所示。电源可为太阳能电池、燃料电池或电池。

图2电动飞机的电推进系统
Fig. 2Power train for electric aircraft

推进系统效率η是指把电池的电能转化为螺旋桨拉力或涵道风扇推力的总效率。一般情况下，氢气通过燃料电池转化为电能的效率约为60%，太阳能电池转化为可用电能的效率约为12%。这里的推进系统效率定义为电池电能100%地转化为拉力或推力的总效率，若控制器效率为98%，电机效率为95%，减速器效率为98%，螺旋桨效率为80%，则推进系统效率为73%。如果不使用减速器，则系统效率可达75%。

2电动飞机

从1957年诞生第1架电动模型飞机开始，已经出现了数十种电动航空器，包括电动模型飞机、电动无人机、电动旋翼机、电动滑翔机等。严格意义来说，电动飞机是指在飞机地面滑出、起飞、爬升、巡航、下降、着陆、滑回等运行全过程中其电动力推进系统均处于工作状态的飞机，本文特指载人飞机。

2.1电动飞机研究现状

目前的载人电动飞机有单座的超轻型运动飞机和双座的轻型运动飞机两类，按23部设计的四座电动飞机目前还在概念研究或设计阶段。电动飞机主要型号包括：ElectraFlyer Trike、ESA、E430、eSpyder、Cessna 172、Elektra One、APEV Pouchelec、Cri-Cri、E-Fan、e-Genius、Taurus G4和RX-1E等。

ElectraFlyer Trike是美国电动飞机公司生产的一款电动超轻型三角翼，由一台质量为12 kg、功率为13 kW的电机驱动，电源为两块锂聚合物电池，可持续飞行90 min，如图3所示[17]。

图3电动三角翼[17]
Fig. 3ElectraFlyer Trike[17]

ESA是Sonex飞机公司开发的一款双座电动运动飞机，空机质量为417 kg，起飞总质量为600 kg，用17 kW·h的电池带动一台60 kW的电机，续航时间为50 min、航程为140 km，乘坐1人时可通过多带一块14 kW·h的电池，续航时间增加到96 min、航程可达244 km，如图4所示[18]。

图4Sonex飞机公司的ESA[18]
Fig. 4Electric Sport Aircraft (ESA) of Sonex Aircraft[18]

E430是中国人创建的优利国际公司研发的双座、V尾、大展弦比复合材料电动飞机(图5[19])，空机带电池质量为250 kg，起飞总质量为470 kg，用锂聚合物电池驱动一台40 kW电机，巡航速度为90 km/h、航程为227 km。原型机参加了2009年的美国实验飞机协会(EAA)飞来者大会，此前该机已在美国试飞了22 h。

eSpyder是一款以散件形式在美国市场销售的单座超轻型电动飞机，最先也由优利国际公司开发，目前由GreenWing国际公司经营。飞机装有一台24 kW电机，可携带100 kg有效载荷，经济巡航速度为60 km/h、最大速度为90 km/h，在保留30 min电量情况下可飞行1 h，单机散件售价约4万美元，如图6所示[20]。

赛斯纳172(见图7[21])是在赛斯纳172“天鹰”油动飞机上改装的一架电动验证机，由位于科罗拉多州的Beyond Aviation公司开发，2012年10月19日完成首飞。

Elektra One(见图8[22])是德国PC-Aero研发的单座复合材料电动飞机，该机由1台16 kW电机驱动，最大速度为161 km/h，空机质量为100 kg、起飞总质量为300 kg，最大航程为500 km，2011年初实现首飞。

图5优利国际公司的E430双座电动飞机[19]
Fig. 5Yuneec International E430 two-seat electric
aircraft[19]

图6GreenWing国际公司的eSpyder单座电动超轻型飞机[20]
Fig. 6GreenWing International eSpyder sigle-seat electric ultralight[20]

图7Beyond Aviation公司的全电赛斯纳172“天鹰”[21]
Fig. 7Beyond Aviation’s all-electric Cessna 172 “Skyhawk”[21]

图8德国PC-Aero公司的Elektra One单座超轻型电动飞机[22]
Fig. 8PC-Aero Elektra One single-seat ultralight electric
aircraft[22]

APEV Pouchelec是法国在APEV Pouchel轻型飞机上改装的电动飞机，装有一台15 kW电机，用韩国Kukam公司的锂离子聚合物电池作电源，可持续飞行30 min，改装前的飞机如图9所示[23]。

图9法国APEV Pouchelec单座超轻型飞机[23]
Fig. 9French APEV Pouchelec single-seat ultralight
aircraft[23]

Cri-Cri是空中客车集团在老式Colomban Cri-Cri超轻型飞机上改装的电动验证机，装4台电动机，以111 km/h的速度可飞30 min或在250 km/h的速度下特技飞行15 min。Cri-Cri于2010年9月2日在巴黎附近的一个机场试飞成功，如图10所示[24]。空中客车集团称该机是支持公司混合动力概念直升机项目电动技术系统集成的一个低成本试验平台。

E-Fan(见图11[25])是空中客车集团研发的双座电动飞机，飞机用机载锂电池作为电源，由2个电机驱动涵道风扇产生推力，使飞机的噪声级别更低，该机2014年首飞成功，受到广泛关注。空中客车集团称他们计划在不久的将来研发商用支线电动飞机。

e-Genius(图12)是德国斯图加特大学飞机设计所研制的双座电动滑翔机，该机在美国加州举办的2011绿色飞行挑战赛中[26]，用34.7 kW·h的电量消耗，带动力飞行了1 h 50 min，飞行距离为315.7 km，取得了第2名的好成绩[26]。该飞机空气动力设计非常成功，升阻比远高于一般飞机,如图12所示[27]。

Taurus G4(见图13[28])是斯洛维尼亚Pipistrel公司以Taurus G2电动滑翔机为基础研制的世界上第一架4座电动飞机，该飞机采用双机身结构，事实上是将两架Taurus G2飞机机翼连接起来而成，空机质量为632 kg，带电池空质量为1 132 kg，起飞总质量为1 500 kg，装有一台150 kW电机，电池总电量为90 kW·h，巡航飞行所需功率为32 kW，巡航速度为160～201 km/h。在美国加州举办的2011绿色飞行挑战赛中，该机用65.4 kW·h的电量，带动力飞行了1 h 44 min，飞行距离为316.7 km，夺取了挑战赛冠军和赛会大奖[29]。

图10空中客车集团Cri-Cri电动飞机[24]
Fig. 10Airbus Group’s Cri-Cri electric aircraft[24]

图11空中客车集团E-Fan电动飞机[25]
Fig. 11Airbus Group’s E-Fan electric aircraft[25]

图12德国斯图加特大学e-Genius电动飞机[27]
Fig. 12University of Stuttgart’s e-Genius electric aircraft[27]

图13Pipistrel公司Taurus G4 4座电动飞机[28]
Fig. 13Pipistrel’s Taurus G4 four-seat electric aircraft[28]

锐翔(RX-1E)是辽宁通用航空研究院全新设计和研制的双座电动力轻型运动飞机，是世界上第1款按CCAR-21部和ASTM标准取得适航证的电动飞机，该机装有1台40 kW的永磁直流电机，起飞总质量为500 kg，最大飞行速度为160 km/h，巡航速度为110 km/h，在有一定剩余电量情况下可飞行40 min(见图14)。首批2架飞机已于2015年6月交付飞行员培训学校使用，2015年11月取得生产许可证(PC)并开始批生产。

图14辽宁通用航空研究院RX-1E电动力轻型运动飞机
Fig. 14Liaoning General Aviation Academy RX-1E
electric light sport aircraft

2.2电动飞机特征

与传统燃料动力飞机相比，电推进系统紧凑性好、可靠性和安全性高、动力连续可变传输、功率不随高度和温度变化,同时，损失小、噪声低、零排放、飞机运营成本低[19]。电动飞机在飞行过程中，飞机重量不会发生变化，飞机的重心位置不变，因而飞机的飞行性能和操稳特性保持不变，飞机起飞重量和着陆重量相等，对着陆没有任何重量限制，可在任意时刻着陆。

在气动布局方面，电动飞机以提高升阻比来弥补机载能源的不足，一般采用大展弦比机翼来降低飞机的诱导阻力，带来的负面效应除了机翼结构重量会增加外，过长的翼展会影响飞机的运行和应用，如美国标准的T机库大门宽度为40 ft (1 ft=0.304 8 m)，如果飞机翼展长超过该尺寸，则影响飞机顺利进出机库，在翼展长大于机库大门宽度不多的情况下，可采取倾斜飞机方式推进或推出机库，更大翼展时则需采取折叠机翼形式，这又会增加新的机构和重量等问题。

在电动飞机的应用方面，由于受到电池能量密度的限制，到2015年只有两座轻型运动飞机具有实用价值，主要用于飞行员培训。美国、欧洲、澳大利亚、加拿大等通用航空发展成熟的国家和地区，已经为电动飞机进入飞行学校做好了准备，巴西等通用航空发展中大国也对电动飞机的飞行员训练飞行非常感兴趣。

此外，电动飞机的推进系统具有相对尺度无关的特性，也就是说若将一个100 kW的电机和控制器分解成100个1 kW的电机、或10个10 kW的电机，其总的功率重量比和总效率基本保持不变。前文提及的所有电动飞机都是将传统飞机设计方案的燃料动力系统换成电力推进系统，仅是传统飞机的电动改装。电推进系统的尺度无关特性，将使电动飞机具有广阔的发展空间，并可能实现大型商业飞机的电动化[30]。分布式电推进(DEP)是尺度无关特性在飞机上的应用方式之一，即在机翼前缘布置多个电动螺旋桨，如图15所示，利用其滑流效应提高空气动力效率并降低机翼面积和结构重量。NASA在这方面做了大量研究工作，初步研究表明，利用前缘异步推进技术(LEAPTech)可使飞机升阻比提高一倍，最大升力系数接近5.0，机翼面积减少一半，结构重量显著减轻[31]。DEP技术还可以降低飞机阻力[32]，不过现有的飞机设计与分析工具不能满足分布式电推进飞机设计的要求，需要研发新的分析软件。

图15NASA兰利研究中心的前缘异步推进技术飞机
Fig. 15NASA Langley Research Center’s LEAPTech aircraft

2.3电动飞机能源需求

能源是电动飞机的核心。电动飞机飞行时重量保持不变，巡航飞行时，飞机的所需功率为

Pr=TVc

(1)

式中:T为螺旋桨拉力;Vc为巡航飞行速度。

水平巡航飞行时，拉力与飞机阻力平衡，则[21]

(2)

式中:L为飞机升力；D为飞机阻力；WTO为飞机起飞重量(飞行中重量等于起飞重量)；L/D为飞机升阻比。

巡航飞行消耗的电池功率为

(3)

巡航飞行所需的电池能量为

Eb=Pbtc

(4)

式中：tc为巡航飞行时间。

若已知电池的质量能量密度，可算出飞机巡航飞行的电池质量，加上飞机起飞着陆所需的电池质量，即得飞机所需的电池总质量。

3电动飞机发展的挑战

3.1性能限制

电动飞机的航程受到人们的广泛关注。尤其是对4座电动飞机而言，如果没有足够的航程，就难以在市场上获得成功，也就是说航程是电动飞机设计的关键性能指标。由于飞行过程中飞机质量保持不变，因而电动飞机的航程R计算非常简单，由飞行速度V和飞行时间t确定。

R=Vt

(5)

电池作为飞机能源时，飞行时间等于电池放电时间，理想条件下

(6)

式中：mb为电池质量；E*为电池能量密度。将式(2)和式(3)代入式(6)得

(7)

则飞机巡航飞行时的航程为

(8)

式中:mTO为飞机起飞质量;g为重力加速度；mb/mTO为电池质量比或电池质量系数。

航程一般取决于巡航速度，但从式(8)可看出，电动飞机巡航飞行的航程与巡航速度没有关系，事实上，巡航速度间接地通过飞机升阻比和推进系统总效率影响飞机的航程[16]。

图16为推进系统效率和电池质量系数不变的情况下，航程在不同升阻比下随电池质量能量密度的变化。图17为推进系统效率和电池质量系数不变的情况下，航程在不同电池质量能量密度下随升阻比的变化。图18为推进系统效率和电池质量能量密度不变的情况下，航程在不同升阻比下随电池质量系数的变化。

图16航程在不同升阻比下随电池质量能量密度的变化
Fig. 16Range vs battery mass specific energy at different L/D

图17航程在不同电池质量能量密度下随升阻比的变化
Fig. 17Range vs L/D with different battery mass
specific energies

图18航程在不同升阻比下随电池质量系数的变化
Fig. 18Range vs battery mass fraction at different L/D

从图16～图18可明显看出，电动飞机航程与电池质量能量密度、推进系统效率、飞机升阻比和电池质量系数之间呈线性关系，这些参数的变化直接影响航程的大小。从数值上看，电池能量密度增加对航程影响最大，飞机升阻比次之，电池质量系数排第三，最后是推进系统效率的影响。也就是说，电池性能、飞机的气动设计、电池重量和飞机结构设计以及电推进系统总效率直接影响并限制了电动飞机的性能提升。

3.2面临的挑战

电动飞机的总质量由电池质量、空机质量和有效载荷质量构成，则有

mb=mTO-me-mpayload

(9)

式中:me为空机质量;mpayload为有效载荷质量。

则飞机的航程可写成

(10)

式中:me/mTO为空机质量系数;mpayload/mTO为有效载荷质量系数。在飞机空载即有效载荷为0时，可得飞机极限航程为

(11)

图19为推进系统效率和飞机升阻比不变时极限航程在不同电池质量能量密度下随空机质量系数的变化。图20为推进系统效率和电池质量能量密度不变的情况下,飞机极限航程在不同升阻比下随空机质量系数的变化。图21为电池质量能量密度和飞机升阻比不变的情况下,极限航程在不同推进系统效率下随空机质量系数的变化。

显而易见，电池性能对电动飞机有最直接的影响。目前锂离子聚合物电池能量密度在200 W·h/kg以下，由图20可知，设计升阻比为15的飞机，其极限航程不超过200 km。因而电池性能是电动飞机面临的最大挑战，但电池性能的提高主要取决于世界电池业的进步。从飞机设计角度考虑，电动飞机还需攻克以下关键技术：

1) 高升阻比空气动力设计

由图20可以看出，升阻比对航程的影响很大，因而从设计上提高飞机的升阻比是电动飞机设计的另一挑战。由 式(10)可导出，在一定航程下，要保证飞机质量为正，升阻比必须满足

(12)

图19极限航程在不同电池质量能量密度下随空机质量系数的变化
Fig. 19Ultimate range vs empty mass fraction with
different battery mass specific energies

图20极限航程在不同升阻比下随空机质量系数的变化
Fig. 20Ultimate range vs empty mass fraction at
different L/D

图21极限航程在不同推进系统效率下随空机质量系数的变化
Fig. 21Ultimate range vs empty mass fraction with
different prolusion system efficiencies

要从飞机布局优选、层流翼身组合体设计等方面去确定高升阻比飞机外形，在机翼展弦比和飞机浸润面积之间取得平衡，即在飞机诱导阻力和零升阻力之间找到一个最优设计点，同时在飞机制造方面尽量提高复合材料结构的表面质量。

2) 低空机质量系数结构设计

由图19～图21可知，飞机空机质量系数对航程的影响也很大，在机载设备一定的情况下，空机质量系数由结构设计水平决定，从结构设计上降低飞机空机质量系数也是电动飞机设计的重要挑战。由式(10)可导出，飞机空机重量系数必须满足

(13)

要从轻质高效复合材料的机翼结构、机身结构、尾翼结构和起落架结构设计方面，通过精准的分析，在保证飞机结构强度、刚度、疲劳性能的前提下，尽量减轻结构重量，同时还要注意结构的低成本特性，以增强飞机的市场竞争力。

3) 高效率电动力推进系统设计与集成

由图21可见，推进系统效率对飞机的航程也有较大影响，即从设计上通过选择电推进系统组件降低推进系统总质量，提高系统总效率也是电动飞机设计的挑战。电动力推进系统中电机是关键组件，要研发或选择功率满足设计要求的高效高功率密度电机，设计或选择高效率电机控制器和高效低噪声螺旋桨，尽量降低电推进系统质量、提高推进系统效率。

4结论

1) 尽管目前电动飞机只是飞机家族的一个小分支，但它是绿色航空发展的主要方向，代表飞机发展的未来。不过,在今后可预见的一段时间内，只有19座以下的电动飞机在技术上具有可行性，因而电动飞机主要用于通用航空。

2) 通用航空产业是中国新常态下重要的经济增长点，也是一个社会成熟、进步的重要标志，中国通航产业的发展不能再走汽车业“发展-污染-治理”的老路，应借电动汽车的东风大力发展电动通用飞机，从源头控制通用航空对环境的负面影响。

3) 新能源电动飞机是中国与世界领先水平发展同步的少数领域之一，关心支持电动飞机在技术、产业和市场等方面的进步将有助于我们利用后发优势，占领世界通用航空新技术领域及产业创新高地，提高科技创新能力。

4) 电动飞机的发展还面临一些挑战，需要攻克一系列关键技术：①电池的能量密度、充放电性能和循环寿命需进一步提升；②高升阻比空气动力设计技术需继续挖潜并实现分析的精细化；③低成本的轻质高效复合材料结构需在安全和寿命约束下深化减重优化设计；④努力提升电推进系统的总体效率。

5) 目前的电动飞机基本上是传统飞机方案上的改装设计，即用电推进动力系统取代消耗燃料的往复式动力装置，没有利用电推进系统的尺度无关特性，分布式电推进系统和飞机空气动力特性的综合设计是存在巨大技术潜力的研究和发展方向。

参考文献

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黄俊男， 博士， 教授， 博士生导师。主要研究方向： 飞机总体设计， 隐身技术。

Tel： 010-82317347

E-mail: junh@china.com

杨凤田男， 中国工程院院士， 博士生导师。主要研究方向： 飞机设计。

Tel： 024-89895555

Received： 2015-08-28; Revised: 2015-09-25; Accepted: 2015-10-09; Published online: 2015-10-2616:40

URL： www.cnki.net/kcms/details/11.1929.V.20151026.1640.004.html

Development and challenges of electric aircraft with new energies

HUANG Jun1, 2, *, YANG Fengtian1

1. Liaoning General Aviation Academy, Shenyang110136, China 2. School of Aeronautic Science and Engineering, Beihang University, Beijing100083, China

Abstract:To develop green aviation is the common understanding of the society of human beings and new energy electric aircraft provides a bright technological approach to achieve a complete green aviation. The impacts of aviation on environment, applications of electricity in airplane and development history of electric aircraft have been briefly described at the beginning of this paper. The energy classification and the electric propulsion system with its overall efficiency of new energy powered electric aircraft are more deeply studied. Focusing on manned light sport aircraft, the development status, characteristics and energy demand of electric airplane are analyzed. Through researches of range and ultimate range of manned electric aircraft with energy of battery, challenges or key technologies faced by the electric aircraft, which include battery energy density upgrade and performance improvement, high lift-to-drag ratio aerodynamic aircraft design, low-cost lightweight efficient composite aircraft structure design and manufacture, high efficiency electric propulsion system design and integration, are put forward. Finally, the recommendations of striving to develop electric aircraft and future research directions in this field are provided.

Key words:green aviation; electric aircraft; electric propulsion system; new energy; range; technical challenge

*Corresponding author. Tel.： 010-82317347E-mail: junh@china.com

作者简介：

中图分类号：V221.7

文献标识码：A

文章编号：1000-6893(2016)01-0057-12

DOI：10.7527/S1000-6893.2015.0274

*通讯作者.Tel.： 010-82317347E-mail: junh@china.com

收稿日期：2015-08-28; 退修日期: 2015-09-25; 录用日期: 2015-10-09; 网络出版时间: 2015-10-2616:40

网络出版地址： www.cnki.net/kcms/details/11.1929.V.20151026.1640.004.html

引用格式： 黄俊， 杨凤田． 新能源电动飞机发展与挑战[J]． 航空学报, 2016, 37(1): 57-68. HUANG J, YANG F T. Development and challenges of electric aircraft with new energies[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2016, 37(1): 57-68.

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