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航空变革者电动飞机蓄势待发

航空变革者电动飞机蓄势待发

近年来,随着人们对节能环保、安全飞行要求的不断提升,电动飞机的发展越来越受到人们的重视。电动飞机具有无污染、噪声低、清洁环保等特点,可满足人们对于绿色航空的美好期望。同时,电池技术的快速发展,大幅推动了电动飞机的研发进程。在此背景下,波音、空客等航空巨头以及NASA等国家级研究机构纷纷开展研究,以探索电动飞机未来的市场潜力。

全球研发热潮

据统计,目前全球正在研发的电动飞机项目已超过240个,电动飞机技术已成为航空领域的研究热点。

1.美国积极开展电动飞机技术研发
2018年,NASA批准了一项为期三年、总投资1500万美元的项目,以研制一种采用分布式电推进(DEP)技术的X验证机。在该计划下,NASA开展了X- 57“马克斯韦尔”验证机项目。该机属于蓄电池电动飞机,利用14台电动机驱动14个螺旋桨,其中12个螺旋桨通过和机翼的气动耦合增大升力,其余两个用于巡航。同时,NASA还为X- 57配备了特制的锂离子电池,使其拥有更远的续航能力。2019年11月,NASA展示了首款X- 57电动原型机,并计划于2020年完成首飞。未来,一旦X- 57电动飞机取得技术突破,或将改变全球民用与军用飞机市场格局。

2018年4月,美国ByeAerospace公司的电动固定翼教练机原型机SunFlyer 2完成首飞。该公司计划使SunFlyer系列飞机成为第一款获得美国联邦航空局(FAA)认证的全电飞机。该系列包括SunFlyer2和SunFlyer4两款飞机,目标市场为飞行训练和通用航空市场。其中,SunFlyer2每小时运营成本为三美元,并可实现零排放。

2019年1月,波音公司的自主乘用飞行器(PAV)原型机完成首次试飞。在飞行期间,该原型机完成了受控起飞、悬停和着陆等任务,成功对自主功能和地面控制系统进行测试。该原型机长30英尺(约9.14米),宽28英尺(约8.53米),航程达50英里(约80.47千米),由电动推进系统提供动力,可实现从起飞到着陆的全自动飞行。

2019年3月,联合技术公司(UTC)启动804计划,计划在三年内完成一架混合电动支线客机X-Plane的研制和试飞,将当前多电技术从千瓦量级提升到兆瓦量级,同时全面验证混合电推进系统开展商业应用的经济可行性。UTC预计,X-Plane通过合适的混合动力组合可在航程为370~460千米的飞行中节省约30%的燃油消耗。

2019年10月,美国初创电动飞机开发公司安飞与伊卡纳飞机服务公司开展合作研究,评估将DHC-6改装为混合电推进飞行器的可行性。经过评估,安飞和伊卡纳已为未来的飞行验证阶段制定了成本、时间表和风险缓解计划。预计,改装后的飞机将采用油电混合推进系统,最多可搭载19名乘客。该项研究是NASA为电动飞机飞行验证机计划征集的项目之一。NASA希望能够在2025年前首次引入具备兆瓦级电推进系统的电动飞机。

2.欧洲大力支持电动飞机研发,密集开展电动飞机研发项目
在政策方面,2018年6月,欧盟委员会公布了名为“地平线欧洲”的远期研究与创新计划预算提案,其中包含“洁净天空2”的后续航空科研计划——“洁净天空3”。“洁净天空3”的主要目标是,到2050年使民用飞机二氧化碳排放比2000年减少75%,氮氧化物排放减少90%,噪声降低65%,其主要研究方向包括研发混合电推进支线机或公务飞机。2018年7月,英国首相特蕾莎·梅(Theresa May)宣布将为英国制定新的航空航天战略,将为“未来飞行挑战”项目投入1.25亿英镑,用于研究电动飞机和城市空运飞行器等新技术。2019年7月,英国商业、能源和工业战略部表示,英国政府将在2040年前投资约6500万英镑发展下一代电动飞机。

在项目方面,2019年1月,英国罗罗公司宣布,将制造世界上飞行速度最快的全电动飞机。该飞机的目标速度是300英里/小时以上(约480公里/小时),并实现零排放。预计,该机将于2020年在英国开展试飞活动。

2019年5月,空客公司的CityAirbus电推进飞行器原型机在德国多瑙沃特完成首飞。该飞行器采用全电动驱动方式,实现了低噪音、零排放的环保要求,其储能系统为四枚电压为800伏的电池,总容量为110千瓦时。

2019年7月,空客公司推出“猛禽”混合电推进支线概念客机。该机最多可搭载80名乘客,航程达1500千米,耗油量比目前同类飞机低30%~50%。此外,罗罗公司正在与空客和西门子公司合作研制混合动力电动E-FanX验证机。该客机预计能够搭载50~100人,航程约在500~1000公里,拟于2020年开展飞行试验。

2019年10月,德国初创公司百合的垂直起降电动飞机验证机百合喷气完成从垂直飞行到水平飞行的过渡,其测试飞行速度超过100千米/小时。该机由1兆瓦的锂离子电池供电,并由36个电动涵道风扇提供推进力。百合公司将其未来发展定位为空中出租车运营商,希望至少在服务的最初5~10年内,采用有人驾驶方式运营。

2019年11月,英国政府计划通过英国航宇技术研究院向克兰菲尔德航空航天解决方案公司投资900万英镑,开展“弗雷森”电动飞机演示验证项目。该项目周期为30个月,基于九座布里顿-诺曼岛民用飞机开展电推进技术研究,计划将混合电推进系统集成到该型飞机上进行演示验证。改装后的电动飞机可在短途航空运输中应用,将可为岛屿居民等用户提供低成本、绿色航空运输服务。

3.其他国家电动飞机研发进展
2018年7月,日本宇航局(JAXA)和工业界组建“飞行器电气化挑战联盟”,负责开发电动飞机技术,并为航空界创新提供孵化环境,刺激航空市场增长。该联盟由JAXA牵头,联合了日本石川岛播磨重工业公司、川崎重工业公司、斯巴鲁公司、日立公司、三菱重工航空发动机公司、三菱电机公司以及经济贸易与工业部。该联盟旨在开发创新的电力技术,减少航空排放对环境的影响。

2018年10月,新加坡HES能源系统公司公布了世界首款氢燃料电动支线客机概念“元素1号”。根据氢燃料存储状态的不同,“元素1号”可运载四名乘客飞行500~5000千米。该飞机的动力性能将高于现有任何电池动力飞机,可突破电动飞机的续航极限。该机使用氢燃料电池,采用分布式电推进系统,在提高飞机的环保性方面具有较大潜力。

2019年12月,加拿大通勤航空HarbourAir的一架全电动DHC-2水上飞机完成首飞。该飞机可在空中飞行30分钟,是世界第一架全电动商用飞机。澳大利亚工程公司magniX的首席执行官甘扎斯基2(Roei Ganzarski)表示,此次成功试飞证明了全电动商用飞机的可行性,标志着电动航空时代的开始。

市场的期待

电动飞机技术作为清洁能源技术的代表,具有十分广阔的市场应用前景,其将为绿色航空的发展提供重要支持。相关研究显示,电动飞机电力推进系统的效率比燃油发动机的效率高2~3倍,系统功重比(kW/kg)也远高于燃油发动机,这将使飞机具备更强的机动性和实用性,大幅提升飞机运行的经济性。因此,市场对电动飞机技术的应用前景抱有较高的期待。

2019年1月,日本Eclair飞机电气化联盟发布电动飞机技术路线图显示,到2020年代,小型电动通用飞机将投入使用;到2030年代,随着电动机应用范围的扩大,电动小型商用飞机、窄体飞机将可投入运营;到2040年代,电力推进将成为窄体和小型飞机的核心技术,将显著降低燃料消耗;到2050年代,大型飞机将应用电动技术提供动力,可大幅降低碳排放。

2019年6月,德勤公司发布《电动运输的未来:未来发展趋势》报告,预计2020~2025年,客用垂直起降电动飞机原型机将进行试验和商业化;2025~2030年,随着安全性和可靠性的提高,货运垂直起降电动飞机将广泛使用并迎来第一波商业化电动客机;2030年及以后,自主客运垂直起降电动飞机开始投入使用,将带来电动飞机市场的繁荣。

核心的瓶颈

目前,电动飞机技术虽发展迅猛,但其仍未解决阻碍其发展的核心问题——电池技术。以特斯拉Model S电动汽车为例,其170W·h/kg的电池能量密度仍仅相当于航空煤油的1.5%。据测算,电动飞机想要实现两小时的短途商业飞行至少需要1000W·h/kg的动力电池,这是当前多电飞机产业化应用水平的六倍,目前很难实现。

因此,在电池技术发展面临困难的情况下,利用“储能装置+电动机”的混电模式代替“发电装置+电动机”的全电模式将是实现电气化商业飞行的一个可行方案。

新的课题

电动飞机技术作为一项跨时代的高新技术,正逐渐成为全球航空工业发展的核心技术,将成为未来航空技术发展的重要方向。目前飞机生产格局是围绕着飞机制造商和发动机制造商展开的,但在未来的电动飞机中,电力系统供应商的地位将凸显出来。

同时,商用电动飞机进入航空运输市场后,将对现有机场的保障设施、维修设施等提出新的要求,目前基于燃油动力飞机的基础设施需要进行大规模改造。电动飞机也可能会率先进入城市空运领域,催生新的运输模式,即城市内短距离、高频次、高密度运营,这对城市空中交通管理、地面基础设施建设等提出了新的课题。

对此,我国应重视电动飞机技术的发展,尽早突破关键技术瓶颈,以实现绿色航空目标。(文/张嘉毅,国务院发展研究中心国际技术经济研究所研究三室副主任)

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