电动支线飞机的研发热潮

方沐

在燃气涡轮动力依然占据主流、电推进技术尚未成熟的今天，集电推进与燃气涡轮之所长的分布式混合电推进系统开始初显锋芒。如果说，五年前提出混合电推进驱动支线飞机的想法还只是一种幻想，那么如今看来，预计到2019年，至少将有3个型号的试验机和原型机完成首飞。与传统干线、支线客机市场的垄断格局不同，许多小型、创新型企业和传统的一级供应商是这一轮航空动力革命的重要参与者。截至2017年年底，全球共有300多家公司正在进行“飞行汽车”这类小型电动飞机的研发。当然，由于受到技术储备和资金的限制，波音、空客和美国航空航天局（NASA）等行业大佬依旧走在研发的最前沿。

顺应绿色航空潮流

与传统飞机相比，电推进飞机在飞行过程中具有零排放和低噪音的优点，在节能、环保大行其道的今天，这一优势无论对于航空公司还是制造商来说都极具吸引力。但受到各种条件的限制，商用飞机至今还无法实现完全由纯电提供动力。锂离子电池是目前在研电动飞机主要的能源，尽管近年来锂离子电池技术已经取得了长足的进步，但是其能量密度依旧无法满足商用航空飞行器的要求。于是，将纯电推进与燃油动力系统相结合的混合电推进飞机就成为了制造商们的研究方向。

所谓分布式混合电推进系统，是指通过传统燃气涡轮发动机带动发电机发电，为分布在机翼或机身上的多个电动机/风扇提供电力，并由电动机驱动风扇/螺旋桨提供全部或绝大部分推力的一种新概念推进系统，能大幅提高发动机等效涵道比，在减轻结构重量，降低油耗、噪声和污染排放方面具有优势。

传统燃油飞机在起飞、爬升、着陆、滑行阶段发动机的效率较低，而混合电推进系统恰恰是在这些阶段将电推进分系统投入使用，从而让燃油发动机维持在最优效率的状态下运行。这一点对于中短程飞机来说，由于起飞、爬升、着陆、滑行阶段的时间占总飞行时间的比例较高，使用混合电推进系统能够显著节省燃油、降低噪音。因此从这个角度来看，混合电推进技术十分适合应用于航程较短、使用频率较高的支线飞机上。在目前众多的在研新机型中，空客的E-Fan X、波音投资研发的Zunum和NASA的“STARCABL”是最具代表性的三款机型。

NASA的大手笔

尽管波音、空客和NASA这三个行业巨头涉足混合电推进飞机研制的时间有先后，各自主攻的技术研发路线也各不相同，但他们目前所研发的产品已经有了鲜明的特色。

作为波音背后的强大技术源头之一，NASA提出的“STARC-ABL”项目是一个带后置附面层推进的单通道涡轮电推进飞机。与业内各种五花八门的设计方案不同，“STARC-ABL”项目的机身依旧采用了传统的管状机身加机翼的总体构型，但由于采用混合电推进技术，这款飞机的油耗将比传统飞机降低7%～12%。

在NASA的设计规划中，“STARC-ABL”项目采用部分涡轮电推进架构，飞机机翼下方安装有两台涡扇发动机提供推力，同时这两台发动机还可以对安装于机身尾部的风扇提供电力，从而为飞机提供部分推力。尾部风扇对机身附面层的抽吸作用可为低能气流注入能量，还可获得减阻的收益。更小的阻力意味着可以减小动力需求，缩小翼下发动机的尺寸，抵消因电力系统、后置风扇和短舱带来的额外重量增加。

目前，NASA的技术分析是基于采用环形进气口的3500马力全电后置风扇，该风扇能够对附面层46%的气体进行抽吸，可以恢复机身尾迹72%的动量损失，分析过程中还假设了电力系统效率约为90%。根据计划，“STARC-ABL”方案将作为喷气支线或者单通道干线客机X验证机方案进行后期的各项验证试验。如果进展顺利，NASA计划在2025年左右试飞该验证机，用于验证2035年左右服役的单通道客机的关键技术。

为了保证项目的顺利进行，NASA已经在制定相应的研发投入计划。今年2月NASA宣布，2019年将投入2.31亿美元用于超导电机的研发，目标直指5～10兆瓦商用飞机混合电推进系统的研发。在这份研发计划中还包括在NEAT（NASA电推进飞机试验台）上测试兆瓦级的动力系统，将其作为STARC-ABL项目的2.6兆瓦电力系统的简化缩比验证。

供应商踊跃参与

尽管相比波音，空客是民用飞机领域的后来者，但是凭借着勇于创新的精神，讓空客用40多年的时间实现了与百年波音平起平坐的局面。如今在下一代飞机的研发上，空客积极与欧洲各国合作，合力研发新技术与新产品。

对于电动飞机的研发，空客可以说起步很早。2012年公司正式发布了E-Fan系列电动飞机项目，并先后推出了E-Fan 1.0和E-Fan 2.0两款飞机。2015年，E-Fan 1.0还曾成功飞越英吉利海峡，成为世界上首架依靠自身动力起飞并成功飞越英吉利海峡的全电动飞机。之后，空客曾想趁热打铁，在已有的技术基础上，研制4座的混合电推进飞机E-Fan 4.0。

但随着越来越多供应商参与到电推进技术的研发，高功率密度的电机技术发展迅速，空客意识到是时候进行混合电推进支线飞机或单通道飞机的研发了。于是，空客决定终止E-Fan 4.0的研发，转而与西门子、罗罗联合进行更大尺寸的混合电推进支线飞机验证机E-Fan X的研发。

E-Fan X项目选用了英国宇航公司四发短程喷气式支线飞机BAe146为飞行试验平台。根据计划，空客将首先用一套功率为2MW的混合电推进系统取代一台喷气发动机，2020年左右开始飞行验证，如果飞行验证结果符合设计要求，将再用一套电推进系统取代一台发动机。在空客的长远规划中，E-Fan项目将为下一代50～100座级的混合电推进支线飞机提供足够的试验数据和新技术的积累。如果研发进程顺利，空客计划在2030年将全新一代混合电推进支线飞机投入市场运营。

此外，还有一个有趣的现象是，在新一代混合电推进飞机的研发方面，传统一级供应商的参与度十分高，并且他们已经有了一定的技术积累。E-Fan X项目参与方之一的西门子公司便是其中一家。

除了E-Fan X项目之外，西门子还在为位于美国科罗拉多州的Bye航宇公司研制的两座“太阳鸟2”和四座“太阳鸟4”飞机提供电动机。未来这两款飞机将致力于成为获得FAA认证的全电推进飞机，主要用于飞行训练和通用航空市场。此外，西门子还参与了由欧盟“地平线2020计划”赞助的“高功率高可扩展性飞机混合动力系统（H3PS）”研究项目。该项目研制周期为36个月，目标是为一个四座的通用飞机开发并联的混合电推进系统并进行飞行测试。而从供应商的积极参与中，我们不妨大胆假设，一旦未来混合电推进飞机成为主流，一些过去在民用航空市场默默无闻的供应商将很有可能一举进入主流供应商之列。

波音奋起直追

在电推进技术的研发上，波音虽然比空客慢了一步，但是近年来通过并购、投资具有潜力的公司，波音已经追上了空客的脚步。

2017年波音与捷蓝航空共同宣布，收购之前名不见经传的年轻创业公司Zunum Aero，支持其进行Zunum混合电推进支线飞机的研制。

由于近年来，美国支线航空市场的发展明显衰退，导致大量的支线机场和通航机场的利用率较低，Zunum Aero在大量的市场调研后发现，恰恰这些利用率较低的机场为发展混合电推进支线飞机提供了基础条件。利用这些机场建立混合电推进支线飞机运营网络，将为乘客提供比高速公路、铁路和大型商用飞机更快速、灵活和廉价的交通方式。

根据计划，Zunum混合电推进支线飞机的尺寸将与皮拉图斯公司的PC-12飞机类似，座级为6～12座，飞机最大起飞重量低于12500磅（5670千克），可以按照最新修订的FAA23部进行适航取证。设计最大航程超过700英里（1126公里），巡航速度为340英里/小时（547公里/小时），飞机拥有1兆瓦的混合电推进系统，使用燃油的500千瓦发电机、充电电池以及电驱动双涵道风扇。运营成本每座英里8美分，比现今美国航空公司的平均成本低3美分。如果这个设计运营成本能够实现的话将是一个十分伟大的成就。如今，如果使用737飞行300～500英里是无法实现这个成本的，即便与尺寸相当的PC-12相比，运营成本也降低了3～5倍。

而Zunum混合电推进支线飞机之所以能够有如此低的运营成本是因为电力价格相对燃油价格要低廉得多，并且混合电推进系统拥有更高的驱动效率。Zunum混合电推进支线飞机的电池占全机最大起飞重量不到20%，但是电池的能量密度相比燃油要低得多，因此采用涡轮发电机作为航程扩充器。全机仅携带800磅（363千克）燃油，而PC-12携带的燃油为2700磅（1225千克）。未来，随着电池技术的进步，动力系统将会逐渐用电池完全代替。同时，Zunum Aero还与特斯拉合作，后者將在其“超级电池工厂”中为Zunum飞机研发锂离子电池。

但是与其他混合电推进飞机对电池技术发展的依赖度较大不同，Zunum所采用的混合电推进系统对电池技术的发展并不是百分之百依赖的。在Zunum混合电推进飞机中，电池是以模块形式安装在机翼内的，在飞机进行C检的过程中可以更换电池。Zunum Aero公司的设想是允许运营商在两次飞行之间给电池充电或者更换电池，节省停机时间。当然这个大胆的设想在技术上要面对极大的挑战，同时也是Zunum公司的核心技术之一，目前公司还未透露其他具体细节。

根据计划，Zunum Aero公司将在今年开始12座Zunum飞机的初步设计评审，并完成一个高功率铜鸟试验台进行电力系统试验。2019年开始飞行测试，2022年左右取得FAA适航证并交付使用。如果项目进展顺利，公司还将继续开发50 座级、航程更大的混合电推进支线飞机。