新能源電動飛機發展與挑戰

黃俊， 楊鳳田

1. 遼寧通用航空研究院， 沈陽　110136

2. 北京航空航天大學　航空科學與工程學院， 北京　100083

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新能源電動飛機發展與挑戰

黃俊1, 2, *， 楊鳳田1

1. 遼寧通用航空研究院， 沈陽110136

2. 北京航空航天大學航空科學與工程學院， 北京100083

摘要:發展綠色航空是人類社會形成的基本共識，新能源電動飛機為實現徹底的綠色航空提供了一條光明的技術途徑。簡述了航空對環境的影響、電在飛機上的應用及電動飛機的發展歷程，對新能源電動飛機的能源分類、電推進系統及其總體效率進行了研究，重點針對載人輕型運動飛機，分析了電動飛機的發展現狀、特征以及能源需求，通過對電池作為能源的載人電動飛機的航程和極限航程研究，提出了電池能量密度提升和性能改進、高升阻比空氣動力設計、低成本輕質高效復合材料結構設計與制造、高效率電推進系統設計與集成等電動飛機發展面臨的挑戰，給出了應大力發展電動飛機的建議和本領域未來的研究方向。

關鍵詞:綠色航空； 電動飛機； 電推進系統； 新能源； 航程； 技術挑戰

100多年來，飛機為改善人類生活、促進經濟發展和社會進步發揮了極其重要的作用，同時也給人類生存的環境帶來了一些負面的影響。飛機對環境的影響主要體現在3個方面: ①機場附近的噪聲污染; ②由于飛機排放造成的空氣質量下降; ③飛機向大氣排放的CO2等溫室氣體對區域和全球氣候造成的影響[1]。此外，數量上占絕大多數的活塞式通用飛機，除上述三方面的影響外，還會產生超細顆粒物污染和重金屬鉛污染。按照空中客車公司的統計和預測，從20世紀70年代開始到現在，世界航空運輸旅客周轉量(RPK)大約15年翻一番，今后20年將以每年4.6%左右的速率持續增長[2]。由此看出，航空運輸對環境的壓力持續加大，如何緩解和解決飛機對環境的影響以及對石油資源的依賴已經成為必須考慮的問題。

歐美等發達國家要求改善飛機環保性能、營造綠色航空的呼聲越來越高，許多機構在為緩解航空對環境的影響而工作，其中美國國家航空航天局(NASA)對此問題頗為關注，開展了以達成能夠減少噪聲、排放和燃料消耗的技術能力為目標的研究工作，提出了生物燃料的使用、先進航空發動機設計、先進飛機設計、空中加油、先進空中交通管理等新思想或技術方案[1]。中國航空工業集團公司也堅持發展綠色航空技術的戰略，全面開展了先進氣動、降噪、多電、綠色動力、綠色材料和綠色制造等技術研究，以實現節能減排的目標[3]。這些努力都會在一定程度上緩解飛機對環境的影響，但不能從根本上解決問題。新能源電動飛機的出現為航空的徹底綠色化提供了一條光明的技術途徑。

電動飛機是以電機帶動螺旋槳、涵道風扇或其他裝置產生前進動力的飛機，電機的電源來自電池、燃料電池、太陽能電池、超級電容或功率束(無線功率傳輸(WPT))等。電動飛機大體上可劃分為全電飛機和多電飛機[4]2類，本文重點討論全電飛機。電在飛機上的應用最先用做活塞發動機起動時的電點火，接著用于無線電通信[5]，Kilgore等在20世紀40年代提出了用發電機發電驅動多個螺旋槳旋轉的飛機電推進系統方案，并申請了美國專利[6]，1976年Meier等也申請了用燃料電池或蓄電池驅動螺旋槳的電動飛機專利[7]，由于功率重量比不足,這些技術只能在大展弦比的低速無人機上嘗試。1957年世界上第1架用銀鋅電池驅動的電動模型飛機試飛成功，1973年德國人Fred Militky將奧地利生產的一架HB-3電動滑翔機改裝成了電動飛機Militky MB-E1，使用鎳鎘電池和一個10 kW直流電機，成功載人飛行了12 min[8]。世界上第1架太陽能電動飛機于1974年11月4日首飛成功[9]，1980年5月18日，一個13歲少年駕駛“Gossamer Penguin”實現了太陽能電動飛機的首次載人飛行[10]，2015年瑞士“陽光動力2號”太陽能飛機途經中國進行環球飛行。2009年7月7日，由德國航空航天中心牽頭研制的燃料電池無人機DLR-h1試飛成功，由于德國禁止無人機飛行，該飛機上雖乘坐1人，但不對飛機進行操控。2003年9月，NASA研制的束能(功率束)電動飛機模型在室內試飛成功。2015年2月6日，中國民用航空局東北地區管理局向遼寧通用航空研究院研制的電動力輕型運動飛機RX-1E頒發了型號設計批準書(TDA)。2015年7月12日，空中客車公司宣布其E-fan技術驗證機飛越了英吉利海峽。電動飛機的可行性研究、建模和設計也受到廣泛關注[11-13]。

新能源電動飛機零排放、低噪聲、幾乎不對環境產生負面影響，代表著飛機發展的重要方向。目前新能源電動飛機技術已經在超輕型運動飛機(ULSA)和輕型運動飛機(LSA)上應用，提供諸如飛行員培訓、觀光、航空體育競技等實際用途。隨著新能源能量密度等指標的逐步提升，電動飛機在今后的通用航空市場、甚至運輸航空市場都有巨大的發展空間。本文將重點針對使用蓄電池為能源的電動通用飛機，從新能源電推進系統出發，研究電動飛機的現狀、技術特征和性能限制，提出電動飛機發展面臨的挑戰。

1新能源電推進系統

電推進系統由為電動飛機提供推力的電機及相關裝置構成。電推進系統是電動飛機的核心，電動飛機的性能和用途主要取決于其電推進系統。民用飛機要進入市場，必須得到民航當局的許可，即取得適航證。對于10座以下或起飛總重不大于5 670 kg的噴氣式正常、實用、特技和通勤類飛機,以及19座以下或起飛總重不大于8 618 kg的螺旋槳正常、實用、特技和通勤類飛機，按CCAR-23部或FAR-23部適航標準設計和取證。美國聯邦航空局(FAA)將起飛總重不超過600 kg的陸上航空器和起飛總重不超過650 kg的水上起降航空器，且最大平飛空速不超過122 km/h、失速速度不超過83 km/h的單、雙座飛機歸類于輕型運動飛機，并把這類飛機的適航標準制訂下放給了美國試驗和材料標準協會(ASTM)，因而輕型運動飛機的適航取證按CCAR-21部或FAR-21部以及適用的ASTM標準執行。目前，LSA電推進裝置的設計與制造一般遵照ASTM F2840-11標準進行[14]。

1.1電動飛機新能源的分類

新能源是一個廣泛的概念，泛指傳統能源之外的各種能源形式，包括太陽能、風能、生物質能、地熱能、海洋能、水能以及由可再生能源衍生出來的生物能和氫能。與傳統能源相比，新能源普遍具有污染少、儲量大、分布均勻等特點。電動飛機新能源主要指電池、燃料電池、太陽能電池、超級電容和功率束。

電池泛指能產生電能的裝置。電池的種類很多，早期電池由于能量密度有限，難以在飛機上作為推進動力使用。可用于電動飛機的電池主要有鋰電池、空氣電池和石墨烯電池3類。鋰電池分為鋰離子電池和鋰金屬電池，鋰離子電池(含鋰離子聚合物電池)不含金屬態的鋰，可充放電，是可用于電動飛機的成熟產品，其理論能量密度大于300 W·h/kg，但為防止充放電爆炸，目前能安全使用的能量密度為100～200 W·h/kg，壽命范圍為500～2 000次充放電，能量密度有進一步提升的空間；其他處于科研階段的鋰電池(如鋰硫電池等)能量密度遠大于目前的鋰離子電池[15]。空氣電池主要有鋅空氣電池、鋰空氣電池、鋁空氣電池、鎂空氣電池等，這些電池的實用能量密度大于300 W·h/kg，國內鋁空氣電池已經在汽車上做過試驗，可能近期就能在飛機上應用，不過與可充電的蓄電池不同，鋁空氣電池通過加鋁和更換電解液來產生電能，其自身就是一個發電裝置，消耗經特殊工藝加工處理的金屬鋁。“充電1 min跑1 000 km”是石墨烯電池留給大家的印象，盡管理論上這種電池的能量密度高，但目前其應用前景尚存爭議，在飛機上的應用有待論證。

燃料電池是一種將燃料的能量轉化為電能的發電裝置，從環保角度考慮，目前應用于飛機的主要為氫燃料電池。由于氫氣和液態氫的密度小，氫燃料的儲存需要大體積或高壓力的容器，使其用作飛機的動力源受到了一定限制，此外氫燃料電池能量密度高，但功率密度較低，一般要與功率密度高的鋰離子電池配合使用。德國航空航天中心將一個90 kW的氫燃料電池安裝在一架A320飛機上，用來驅動飛機前輪轉動，實現飛機發動機不開車情況下的地面電動滑行，可節省高達15%的燃料消耗。

圖1為電池、氫燃料與其他燃料的質量能量密度E*和體積能量密度V*，從圖中可以看出，即使最先進的鋰電池與煤油相比，其體積能量密度約為煤油的1/18，而質量能量密度僅為煤油的1/60[16]。有趣的是乳液、乳霜等“生物燃料”也有比電池更高的能量密度，盡管目前還沒有將其有效轉化為電能的技術，不難推斷電動飛機的航程或續航時間等性能指標與油動發動機飛機有較大差距。

太陽能電池是通過光電效應或光化學反應把光能轉化成電能的裝置，目前應用于飛機的主要是以光電效應工作的薄膜式太陽能電池。光電轉化效率是太陽能電池的主要代表性指標，單晶硅太陽能電池是所有太陽能電池中光電轉化效率最高的，達到24%。在大機翼面積、小翼載荷的飛機上鋪設太陽能電池板，光照條件下獲取的電能足以支持飛機的飛行，但儲電裝置的能量密度還不足以保證夜間的等高度飛行，因而太陽能飛機有效載荷較小，維護性差，其實用性還相當有限。

圖1電池、氫燃料與其他燃料的能量密度
Fig. 1Energy density of battery, hydrogen and other fuels

超級電容是通過極化電解質來儲能的一種介于傳統電容器和電池之間的特殊電源，儲能過程不發生化學反應且可逆，因而可反復充放電數十萬次，具有充電速度快、大電流放電能力強、功率密度大等特點，已在電動汽車和風力發電領域得到了應用，有望在飛機上與燃料電池配合使用。功率束或無線功率傳輸，是將電源的電功率不用固體導線或導體傳輸輸送給用電設備的一種能量傳輸形式，可通過輻射技術、磁場共振技術、電感耦合技術傳輸能量，也可通過激光傳輸能量。盡管無線功率傳輸不是一個新的概念，但實用性的功率束尚處于研究的初期階段，在飛機上的應用還有很長的路要走。

1.2電推進系統及其效率

電動飛機的電推進系統是指產生用于克服阻力使飛機前飛的動力的一系列零部件組件，包括電源、控制器、電機、減速器、螺旋槳或涵道風扇等，如圖2所示。電源可為太陽能電池、燃料電池或電池。

圖2電動飛機的電推進系統
Fig. 2Power train for electric aircraft

推進系統效率η是指把電池的電能轉化為螺旋槳拉力或涵道風扇推力的總效率。一般情況下，氫氣通過燃料電池轉化為電能的效率約為60%，太陽能電池轉化為可用電能的效率約為12%。這里的推進系統效率定義為電池電能100%地轉化為拉力或推力的總效率，若控制器效率為98%，電機效率為95%，減速器效率為98%，螺旋槳效率為80%，則推進系統效率為73%。如果不使用減速器，則系統效率可達75%。

2電動飛機

從1957年誕生第1架電動模型飛機開始，已經出現了數十種電動航空器，包括電動模型飛機、電動無人機、電動旋翼機、電動滑翔機等。嚴格意義來說，電動飛機是指在飛機地面滑出、起飛、爬升、巡航、下降、著陸、滑回等運行全過程中其電動力推進系統均處于工作狀態的飛機，本文特指載人飛機。

2.1電動飛機研究現狀

目前的載人電動飛機有單座的超輕型運動飛機和雙座的輕型運動飛機兩類，按23部設計的四座電動飛機目前還在概念研究或設計階段。電動飛機主要型號包括：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是美國電動飛機公司生產的一款電動超輕型三角翼，由一臺質量為12 kg、功率為13 kW的電機驅動，電源為兩塊鋰聚合物電池，可持續飛行90 min，如圖3所示[17]。

圖3電動三角翼[17]
Fig. 3ElectraFlyer Trike[17]

ESA是Sonex飛機公司開發的一款雙座電動運動飛機，空機質量為417 kg，起飛總質量為600 kg，用17 kW·h的電池帶動一臺60 kW的電機，續航時間為50 min、航程為140 km，乘坐1人時可通過多帶一塊14 kW·h的電池，續航時間增加到96 min、航程可達244 km，如圖4所示[18]。

圖4Sonex飛機公司的ESA[18]
Fig. 4Electric Sport Aircraft (ESA) of Sonex Aircraft[18]

E430是中國人創建的優利國際公司研發的雙座、V尾、大展弦比復合材料電動飛機(圖5[19])，空機帶電池質量為250 kg，起飛總質量為470 kg，用鋰聚合物電池驅動一臺40 kW電機，巡航速度為90 km/h、航程為227 km。原型機參加了2009年的美國實驗飛機協會(EAA)飛來者大會，此前該機已在美國試飛了22 h。

eSpyder是一款以散件形式在美國市場銷售的單座超輕型電動飛機，最先也由優利國際公司開發，目前由GreenWing國際公司經營。飛機裝有一臺24 kW電機，可攜帶100 kg有效載荷，經濟巡航速度為60 km/h、最大速度為90 km/h，在保留30 min電量情況下可飛行1 h，單機散件售價約4萬美元，如圖6所示[20]。

賽斯納172(見圖7[21])是在賽斯納172“天鷹”油動飛機上改裝的一架電動驗證機，由位于科羅拉多州的Beyond Aviation公司開發，2012年10月19日完成首飛。

Elektra One(見圖8[22])是德國PC-Aero研發的單座復合材料電動飛機，該機由1臺16 kW電機驅動，最大速度為161 km/h，空機質量為100 kg、起飛總質量為300 kg，最大航程為500 km，2011年初實現首飛。

圖5優利國際公司的E430雙座電動飛機[19]
Fig. 5Yuneec International E430 two-seat electric
aircraft[19]

圖6GreenWing國際公司的eSpyder單座電動超輕型飛機[20]
Fig. 6GreenWing International eSpyder sigle-seat electric ultralight[20]

圖7Beyond Aviation公司的全電賽斯納172“天鷹”[21]
Fig. 7Beyond Aviation’s all-electric Cessna 172 “Skyhawk”[21]

圖8德國PC-Aero公司的Elektra One單座超輕型電動飛機[22]
Fig. 8PC-Aero Elektra One single-seat ultralight electric
aircraft[22]

APEV Pouchelec是法國在APEV Pouchel輕型飛機上改裝的電動飛機，裝有一臺15 kW電機，用韓國Kukam公司的鋰離子聚合物電池作電源，可持續飛行30 min，改裝前的飛機如圖9所示[23]。

圖9法國APEV Pouchelec單座超輕型飛機[23]
Fig. 9French APEV Pouchelec single-seat ultralight
aircraft[23]

Cri-Cri是空中客車集團在老式Colomban Cri-Cri超輕型飛機上改裝的電動驗證機，裝4臺電動機，以111 km/h的速度可飛30 min或在250 km/h的速度下特技飛行15 min。Cri-Cri于2010年9月2日在巴黎附近的一個機場試飛成功，如圖10所示[24]。空中客車集團稱該機是支持公司混合動力概念直升機項目電動技術系統集成的一個低成本試驗平臺。

E-Fan(見圖11[25])是空中客車集團研發的雙座電動飛機，飛機用機載鋰電池作為電源，由2個電機驅動涵道風扇產生推力，使飛機的噪聲級別更低，該機2014年首飛成功，受到廣泛關注。空中客車集團稱他們計劃在不久的將來研發商用支線電動飛機。

e-Genius(圖12)是德國斯圖加特大學飛機設計所研制的雙座電動滑翔機，該機在美國加州舉辦的2011綠色飛行挑戰賽中[26]，用34.7 kW·h的電量消耗，帶動力飛行了1 h 50 min，飛行距離為315.7 km，取得了第2名的好成績[26]。該飛機空氣動力設計非常成功，升阻比遠高于一般飛機,如圖12所示[27]。

Taurus G4(見圖13[28])是斯洛維尼亞Pipistrel公司以Taurus G2電動滑翔機為基礎研制的世界上第一架4座電動飛機，該飛機采用雙機身結構，事實上是將兩架Taurus G2飛機機翼連接起來而成，空機質量為632 kg，帶電池空質量為1 132 kg，起飛總質量為1 500 kg，裝有一臺150 kW電機，電池總電量為90 kW·h，巡航飛行所需功率為32 kW，巡航速度為160～201 km/h。在美國加州舉辦的2011綠色飛行挑戰賽中，該機用65.4 kW·h的電量，帶動力飛行了1 h 44 min，飛行距離為316.7 km，奪取了挑戰賽冠軍和賽會大獎[29]。

圖10空中客車集團Cri-Cri電動飛機[24]
Fig. 10Airbus Group’s Cri-Cri electric aircraft[24]

圖11空中客車集團E-Fan電動飛機[25]
Fig. 11Airbus Group’s E-Fan electric aircraft[25]

圖12德國斯圖加特大學e-Genius電動飛機[27]
Fig. 12University of Stuttgart’s e-Genius electric aircraft[27]

圖13Pipistrel公司Taurus G4 4座電動飛機[28]
Fig. 13Pipistrel’s Taurus G4 four-seat electric aircraft[28]

銳翔(RX-1E)是遼寧通用航空研究院全新設計和研制的雙座電動力輕型運動飛機，是世界上第1款按CCAR-21部和ASTM標準取得適航證的電動飛機，該機裝有1臺40 kW的永磁直流電機，起飛總質量為500 kg，最大飛行速度為160 km/h，巡航速度為110 km/h，在有一定剩余電量情況下可飛行40 min(見圖14)。首批2架飛機已于2015年6月交付飛行員培訓學校使用，2015年11月取得生產許可證(PC)并開始批生產。

圖14遼寧通用航空研究院RX-1E電動力輕型運動飛機
Fig. 14Liaoning General Aviation Academy RX-1E
electric light sport aircraft

2.2電動飛機特征

與傳統燃料動力飛機相比，電推進系統緊湊性好、可靠性和安全性高、動力連續可變傳輸、功率不隨高度和溫度變化,同時，損失小、噪聲低、零排放、飛機運營成本低[19]。電動飛機在飛行過程中，飛機重量不會發生變化，飛機的重心位置不變，因而飛機的飛行性能和操穩特性保持不變，飛機起飛重量和著陸重量相等，對著陸沒有任何重量限制，可在任意時刻著陸。

在氣動布局方面，電動飛機以提高升阻比來彌補機載能源的不足，一般采用大展弦比機翼來降低飛機的誘導阻力，帶來的負面效應除了機翼結構重量會增加外，過長的翼展會影響飛機的運行和應用，如美國標準的T機庫大門寬度為40 ft (1 ft=0.304 8 m)，如果飛機翼展長超過該尺寸，則影響飛機順利進出機庫，在翼展長大于機庫大門寬度不多的情況下，可采取傾斜飛機方式推進或推出機庫，更大翼展時則需采取折疊機翼形式，這又會增加新的機構和重量等問題。

在電動飛機的應用方面，由于受到電池能量密度的限制，到2015年只有兩座輕型運動飛機具有實用價值，主要用于飛行員培訓。美國、歐洲、澳大利亞、加拿大等通用航空發展成熟的國家和地區，已經為電動飛機進入飛行學校做好了準備，巴西等通用航空發展中大國也對電動飛機的飛行員訓練飛行非常感興趣。

此外，電動飛機的推進系統具有相對尺度無關的特性，也就是說若將一個100 kW的電機和控制器分解成100個1 kW的電機、或10個10 kW的電機，其總的功率重量比和總效率基本保持不變。前文提及的所有電動飛機都是將傳統飛機設計方案的燃料動力系統換成電力推進系統，僅是傳統飛機的電動改裝。電推進系統的尺度無關特性，將使電動飛機具有廣闊的發展空間，并可能實現大型商業飛機的電動化[30]。分布式電推進(DEP)是尺度無關特性在飛機上的應用方式之一，即在機翼前緣布置多個電動螺旋槳，如圖15所示，利用其滑流效應提高空氣動力效率并降低機翼面積和結構重量。NASA在這方面做了大量研究工作，初步研究表明，利用前緣異步推進技術(LEAPTech)可使飛機升阻比提高一倍，最大升力系數接近5.0，機翼面積減少一半，結構重量顯著減輕[31]。DEP技術還可以降低飛機阻力[32]，不過現有的飛機設計與分析工具不能滿足分布式電推進飛機設計的要求，需要研發新的分析軟件。

圖15NASA蘭利研究中心的前緣異步推進技術飛機
Fig. 15NASA Langley Research Center’s LEAPTech aircraft

2.3電動飛機能源需求

能源是電動飛機的核心。電動飛機飛行時重量保持不變，巡航飛行時，飛機的所需功率為

Pr=TVc

(1)

式中:T為螺旋槳拉力;Vc為巡航飛行速度。

水平巡航飛行時，拉力與飛機阻力平衡，則[21]

(2)

式中:L為飛機升力；D為飛機阻力；WTO為飛機起飛重量(飛行中重量等于起飛重量)；L/D為飛機升阻比。

巡航飛行消耗的電池功率為

(3)

巡航飛行所需的電池能量為

Eb=Pbtc

(4)

式中：tc為巡航飛行時間。

若已知電池的質量能量密度，可算出飛機巡航飛行的電池質量，加上飛機起飛著陸所需的電池質量，即得飛機所需的電池總質量。

3電動飛機發展的挑戰

3.1性能限制

電動飛機的航程受到人們的廣泛關注。尤其是對4座電動飛機而言，如果沒有足夠的航程，就難以在市場上獲得成功，也就是說航程是電動飛機設計的關鍵性能指標。由于飛行過程中飛機質量保持不變，因而電動飛機的航程R計算非常簡單，由飛行速度V和飛行時間t確定。

R=Vt

(5)

電池作為飛機能源時，飛行時間等于電池放電時間，理想條件下

(6)

式中：mb為電池質量；E*為電池能量密度。將式(2)和式(3)代入式(6)得

(7)

則飛機巡航飛行時的航程為

(8)

式中:mTO為飛機起飛質量;g為重力加速度；mb/mTO為電池質量比或電池質量系數。

航程一般取決于巡航速度，但從式(8)可看出，電動飛機巡航飛行的航程與巡航速度沒有關系，事實上，巡航速度間接地通過飛機升阻比和推進系統總效率影響飛機的航程[16]。

圖16為推進系統效率和電池質量系數不變的情況下，航程在不同升阻比下隨電池質量能量密度的變化。圖17為推進系統效率和電池質量系數不變的情況下，航程在不同電池質量能量密度下隨升阻比的變化。圖18為推進系統效率和電池質量能量密度不變的情況下，航程在不同升阻比下隨電池質量系數的變化。

圖16航程在不同升阻比下隨電池質量能量密度的變化
Fig. 16Range vs battery mass specific energy at different L/D

圖17航程在不同電池質量能量密度下隨升阻比的變化
Fig. 17Range vs L/D with different battery mass
specific energies

圖18航程在不同升阻比下隨電池質量系數的變化
Fig. 18Range vs battery mass fraction at different L/D

從圖16～圖18可明顯看出，電動飛機航程與電池質量能量密度、推進系統效率、飛機升阻比和電池質量系數之間呈線性關系，這些參數的變化直接影響航程的大小。從數值上看，電池能量密度增加對航程影響最大，飛機升阻比次之，電池質量系數排第三，最后是推進系統效率的影響。也就是說，電池性能、飛機的氣動設計、電池重量和飛機結構設計以及電推進系統總效率直接影響并限制了電動飛機的性能提升。

3.2面臨的挑戰

電動飛機的總質量由電池質量、空機質量和有效載荷質量構成，則有

mb=mTO-me-mpayload

(9)

式中:me為空機質量;mpayload為有效載荷質量。

則飛機的航程可寫成

(10)

式中:me/mTO為空機質量系數;mpayload/mTO為有效載荷質量系數。在飛機空載即有效載荷為0時，可得飛機極限航程為

(11)

圖19為推進系統效率和飛機升阻比不變時極限航程在不同電池質量能量密度下隨空機質量系數的變化。圖20為推進系統效率和電池質量能量密度不變的情況下,飛機極限航程在不同升阻比下隨空機質量系數的變化。圖21為電池質量能量密度和飛機升阻比不變的情況下,極限航程在不同推進系統效率下隨空機質量系數的變化。

顯而易見，電池性能對電動飛機有最直接的影響。目前鋰離子聚合物電池能量密度在200 W·h/kg以下，由圖20可知，設計升阻比為15的飛機，其極限航程不超過200 km。因而電池性能是電動飛機面臨的最大挑戰，但電池性能的提高主要取決于世界電池業的進步。從飛機設計角度考慮，電動飛機還需攻克以下關鍵技術：

1) 高升阻比空氣動力設計

由圖20可以看出，升阻比對航程的影響很大，因而從設計上提高飛機的升阻比是電動飛機設計的另一挑戰。由 式(10)可導出，在一定航程下，要保證飛機質量為正，升阻比必須滿足

(12)

圖19極限航程在不同電池質量能量密度下隨空機質量系數的變化
Fig. 19Ultimate range vs empty mass fraction with
different battery mass specific energies

圖20極限航程在不同升阻比下隨空機質量系數的變化
Fig. 20Ultimate range vs empty mass fraction at
different L/D

圖21極限航程在不同推進系統效率下隨空機質量系數的變化
Fig. 21Ultimate range vs empty mass fraction with
different prolusion system efficiencies

要從飛機布局優選、層流翼身組合體設計等方面去確定高升阻比飛機外形，在機翼展弦比和飛機浸潤面積之間取得平衡，即在飛機誘導阻力和零升阻力之間找到一個最優設計點，同時在飛機制造方面盡量提高復合材料結構的表面質量。

2) 低空機質量系數結構設計

由圖19～圖21可知，飛機空機質量系數對航程的影響也很大，在機載設備一定的情況下，空機質量系數由結構設計水平決定，從結構設計上降低飛機空機質量系數也是電動飛機設計的重要挑戰。由式(10)可導出，飛機空機重量系數必須滿足

(13)

要從輕質高效復合材料的機翼結構、機身結構、尾翼結構和起落架結構設計方面，通過精準的分析，在保證飛機結構強度、剛度、疲勞性能的前提下，盡量減輕結構重量，同時還要注意結構的低成本特性，以增強飛機的市場競爭力。

3) 高效率電動力推進系統設計與集成

由圖21可見，推進系統效率對飛機的航程也有較大影響，即從設計上通過選擇電推進系統組件降低推進系統總質量，提高系統總效率也是電動飛機設計的挑戰。電動力推進系統中電機是關鍵組件，要研發或選擇功率滿足設計要求的高效高功率密度電機，設計或選擇高效率電機控制器和高效低噪聲螺旋槳，盡量降低電推進系統質量、提高推進系統效率。

4結論

1) 盡管目前電動飛機只是飛機家族的一個小分支，但它是綠色航空發展的主要方向，代表飛機發展的未來。不過,在今后可預見的一段時間內，只有19座以下的電動飛機在技術上具有可行性，因而電動飛機主要用于通用航空。

2) 通用航空產業是中國新常態下重要的經濟增長點，也是一個社會成熟、進步的重要標志，中國通航產業的發展不能再走汽車業“發展-污染-治理”的老路，應借電動汽車的東風大力發展電動通用飛機，從源頭控制通用航空對環境的負面影響。

3) 新能源電動飛機是中國與世界領先水平發展同步的少數領域之一，關心支持電動飛機在技術、產業和市場等方面的進步將有助于我們利用后發優勢，占領世界通用航空新技術領域及產業創新高地，提高科技創新能力。

4) 電動飛機的發展還面臨一些挑戰，需要攻克一系列關鍵技術：①電池的能量密度、充放電性能和循環壽命需進一步提升；②高升阻比空氣動力設計技術需繼續挖潛并實現分析的精細化；③低成本的輕質高效復合材料結構需在安全和壽命約束下深化減重優化設計；④努力提升電推進系統的總體效率。

5) 目前的電動飛機基本上是傳統飛機方案上的改裝設計，即用電推進動力系統取代消耗燃料的往復式動力裝置，沒有利用電推進系統的尺度無關特性，分布式電推進系統和飛機空氣動力特性的綜合設計是存在巨大技術潛力的研究和發展方向。

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黃俊男， 博士， 教授， 博士生導師。主要研究方向： 飛機總體設計， 隱身技術。

Tel： 010-82317347

E-mail: junh@china.com

楊鳳田男， 中國工程院院士， 博士生導師。主要研究方向： 飛機設計。

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

作者簡介：

中圖分類號：V221.7

文獻標識碼：A

文章編號：1000-6893(2016)01-0057-12

DOI：10.7527/S1000-6893.2015.0274

*通訊作者.Tel.： 010-82317347E-mail: junh@china.com

收稿日期：2015-08-28; 退修日期: 2015-09-25; 錄用日期: 2015-10-09; 網絡出版時間: 2015-10-2616:40

網絡出版地址： www.cnki.net/kcms/details/11.1929.V.20151026.1640.004.html

引用格式： 黃俊， 楊鳳田． 新能源電動飛機發展與挑戰[J]． 航空學報, 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.

http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn