电动航空器发展状况分析

王腾飞 寇淑然 任柏春 刘佩佩

（中国民航大学，天津 300000）

1 综述

1.1 研究背景

随着我国民航业的迅速发展，民航业在我国交通运输领域起到越来越重要的作用。运输需求的增加使得我国的航班量越来越多，对环境造成的污染也越来越严重。其中，交通工具不仅在化石燃料消耗及排放中所占的比例较大，而且影响人们的生活。在航空领域，其二氧化碳排放量占全球二氧化碳总排放量的2%以上且逐年上升[1]。

因此，为响应“绿水青山就是金山银山”的号召，新能源零排放飞机的发展已然越来越被人们所重视。我国目前在新能源零排放飞机的研究上与国际先进水平并驾齐驱。

1.2 研究的重要性

目前新能源零排放飞机的动力形式有生物燃料燃烧提供的热能、氢能源、电能、太阳能等。电动飞机作为新能源飞机又分为纯电动推进系统和油电混合动力系统。纯电动推进系统的飞机一般由蓄电池和燃料电池这两种燃料电池进行供电；而油电混合动力系统就好像现在的新能源汽车系统，飞机在不同的飞行状态下所使用的动力来源可能不同，对于飞行员和乘客来说都更接近于现在的燃料飞机。

1.3 研究热点态势分析

首先，新能源零排放燃料如何提高航空工业动力系统的能量利用效率并降低污染物排放是每一个能源、动力装置研究人员所关心的问题。在这种情形下，能量来源是第一个问题。航空电池的研发是当下重点科研态势之一，从铅蓄电池到锂电池再到空气电池，航空电池多种多样的产品也用在了不同的实验飞机上。航空电池可以带动小型飞机飞行[2]。

此外，电动飞机的气动性也是一个研究热点。在传统航空汽油供能的飞机上，飞机的机翼由于安装着油箱和发动机，需要承受较大的负向载荷，但是就电池供电飞机或太阳能电池飞机来说，电池的质量理论上比燃油的质量小得多。与此同时，由于电池的能量密度比航空汽油小，单位时间内提供的能量小，使得飞机的性能较传统飞机有巨大变化。

第三，电动飞机与传统飞机相比，部分机型的高空性能指标较差。由于功率较小，飞机在爬升时会显得相当吃力甚至出现失速情况，非常危险。由于电动飞机受高密度高度影响，那么在高空性能就会更差。但是在太阳能飞机方面，飞机在高空会接收到更多太阳光线，理论上可以产生更大的功率，因此在此方面有发展的空间。

本文从全电动航空器以及油电混合动力系统航空器两方面来展开论述，系统介绍了各类型电推进技术的驱动原理以及各国在电动航空器领域的发展状况。

2 电动飞机研究现状

2.1 全电动飞机发展现状

由于全球对清洁天空、航空脱碳方面的关注，电动航空器行业迎来了空前的繁荣。据英国《飞行国际》网站报道，截至2019年10月，全球共有电动飞机项目约240项。欧洲作为电动飞机项目研发最活跃的区域，共有72个电动飞机项目正在开发过程中。美国则是继欧洲以后电动飞机项目第二大区域，有67个项目正在进行中。同时，Air Race E也于2020年推出其首届国际系列竞赛，旨在激烈的竞争环境中，逐步满足国际上对全电动航空器的速度、性能和动力管理的需求，也为更清洁、更快速、技术更先进的电动机的开发和推广提供了完美的平台。

2.1.1 美国企业研发项目

为了在各重大枢纽之间建立客运航线，Regent项目组开启了Seaglider的研究。Seaglider的一大特点是其水翼，便于滑翔机以水为跑道，低速行驶，随后并以每小时180英里的高速度飞越海浪，其飞行原理与气垫船相似，很好地利用了空气动力学，增大了航程。新型Seaglider全电动飞行器将飞机与船只各自的优点结合，并利用现有码头基础设施，执行客运和关键货物运输工作，其航程可达290 km[3]。

2.1.2 法国企业研发项目

由空客集团所开发的第一代E-Fan全电动飞行器，成为全球第一架依靠自身动能飞行，同时实现飞越英吉利海峡的飞机。E-Fan全电动飞行器使用了全碳纤维行业复合材料，重约600 kg，配有两个锂电池发动机，在蓄电池供应满格的情况下可飞行45 min至1 h。该飞行器飞行经验丰富，现已进行了100次以上的试飞试验[4]。

2.1.3 英国企业研发项目

英国劳斯莱斯公司希望建造世界上最快的电动飞机，并为此整合其电推进平台。2019年，该公司研制了ACCEL全电动飞机，这款电动飞机被设计成为有螺旋桨的单座式电动飞机，它的电池包含6 000块密集电池，为三个轻型电机供电，总功率超过500马力，续航里程200英里，最高时速超过300英里，已于2020年春季进行了首飞试验[5]。

2.1.4 中国企业研发项目

沈阳航空航天大学辽宁通用航空研究院所研发、制造的RX1E锐翔增程型双座电动飞行器是一款双座电动轻型运动类航空器，同时也是中国国内第一架拥有自主知识产权的双座电动轻型运动航空器。机体的建造全部使用复合材料，螺旋桨的制造材料也是选用碳纤维，选用上单翼设计的机翼布局。该架飞机不仅环保、静音，而且可以有效提高航时、航程。同时，该机配备了整机降落伞系统，大大提高了飞机的安全性能[6]。

2.2 油电混合推进动力系统发展现状

2.2.1 串联式混合动力系统

串联式混合动力系统包括动力电池、增程系统和电驱动系统，增程系统包括二者相互连接的发电机与带动发电机进行发电的发动机，电驱动系统包括螺旋桨和为螺旋桨提供驱动力的驱动电机，动力电池则为驱动电机提供电能[7]。

在2017年11月，空客公司、西门子公司与罗罗公司为响应欧盟削减航空业碳排放污染的号召，推出了E-Fan X验证机。验证机中的四个喷气发动机中的一个将会被一个2 MW的电动机取代。虽然在2020年4月该项目被叫停，但在过去不到三年的时间里，E-Fan X验证机成功地完成了世界上第一次在一架验证机上启动并测试一系列混合动力电推系统的可能性与局限性。同时，E-Fan X验证机项目在推进脱碳进程方面，也为后续研究提供了宝贵的经验。该项目更为未来全行业采用和监管新动力系统的商业飞机奠定基础。

但由于串联式混合动力系统中主要由电能带动推进器，因此在串联式混合动力系统中常常需要一个大容量的发电机，而这方面又存在配备的蓄电池能量密度低、高功率密度的电机研制困难等问题。同时，该动力系统结构中有两次能量的转化，期间的能量损耗也造成能量利用率低的问题。

2.2.2 并联式混合动力系统

在并联混合系统中，电动力系统中的电机与涡轮发动机共同安装在一个轴上，在任意时间，两者可以单独或者同时提供推力。由于并联混合动力系统不需要对整个飞机推进系统结构做出较大调整，仅针对传统发动机进行改型，所以更适用应用于传统大型飞机[8]。并联式混合动力系统因此也被认为是传统动力系统的巨大颠覆，其优异的性能也随之开始被研究。

2019年6月，世界上最大的油电混合动力飞机EEL试飞成功。该架飞机由安飞公司基于Cessna 337空中大师改装，采用并联式混合动力系统，搭载安飞公司所自主研发的电推进动力系统，在保留原有内燃机动力系统的基础上，实现了节省燃料的目的[9]。

由于并联混合动力系统具有两套独立的驱动系统，因此相较于传统发动机，并联式混合动力系统对于能量的利用率较高，具有明显省油、降低成本、增强减排效果以及一定的降噪效果。并联式混合动力系统是通过电气化为通用航空带来更低排放、更低运营成本和更安静运营的第一步。但同时要想实现大推力并联航空混合动力系统概念的应用，高功率密度电机、高能量密度电力系统及其他高性能电动力系统附件是电动力领域待解决的关键技术。

2.2.3 混联式混合动力系统

混联式混合动力系统中包含一个大风扇和其他多个小风扇，大风扇直接通过燃气涡轮驱动，其他小风扇则通过电动电机驱动，这些电动电机通过电池或者涡轮驱动发电机来获得能量。

相比于并联式混合动力系统，混联式混合动力系统能够更加灵活地根据飞行状况来调节内燃机功率输出与电机的运转。但此混合动力系统结构复杂，成本较高，目前研究较少。

3 结语

当下，空客公司与其他全电动航空器领域的研究机构已经和Air Race E达成合作伙伴关系，致力于成为电推进领域的领头人以及新型生态系统的开拓人。受限于电池的能量密度和重量，全电动飞机无法实现搭载百人且长航时飞行的目标。相比于全电动飞行器，发展混合动力飞行器显然更为现实一些，特别是在现在锂电池技术还需要进一步提高的背景下，因此当下电动航空器的研制工程应以高功率、高效电力推动系统为研制重点，以油电混合动力结构系统的航空器研究为研制核心，以现有的新能源发电型号全寿命保障体系的研究为关键，以开展新型电动航空器研制与标准建设工作为主要目标，改变了传统的飞机设计思想，从飞机安全便捷、绿色环保、高效节能的理念出发，优化整个飞机的设计。

到目前为止，各国对于不同类型电推进技术的研究已不再止步于理论阶段。电动航空器未来的发展道路虽依旧坎坷，面临着很多技术上的挑战，但研制电动航空器已是大势所趋。近些年，越来越多的科研成果问世，越来越多的人开始重视电动飞机或其他清洁能源供能的飞机。相信在各国航空工业的迅速研究发展下，电动航空器将取代传统内燃机推进系统航空器，实现脱碳飞行。

电动航空器具有环保性、舒适性、维修性和经济性等多种优势。我国应当高度重视该领域，明确未来发展规划，借鉴他国发展历程，制定相应发展路线，引导国内电动航空器领域健康、快速、有序发展。