電動支線飛機的研發熱潮

方沐

在燃氣渦輪動力依然占據主流、電推進技術尚未成熟的今天，集電推進與燃氣渦輪之所長的分布式混合電推進系統開始初顯鋒芒。如果說，五年前提出混合電推進驅動支線飛機的想法還只是一種幻想，那么如今看來，預計到2019年，至少將有3個型號的試驗機和原型機完成首飛。與傳統干線、支線客機市場的壟斷格局不同，許多小型、創新型企業和傳統的一級供應商是這一輪航空動力革命的重要參與者。截至2017年年底，全球共有300多家公司正在進行“飛行汽車”這類小型電動飛機的研發。當然，由于受到技術儲備和資金的限制，波音、空客和美國航空航天局（NASA）等行業大佬依舊走在研發的最前沿。

順應綠色航空潮流

與傳統飛機相比，電推進飛機在飛行過程中具有零排放和低噪音的優點，在節能、環保大行其道的今天，這一優勢無論對于航空公司還是制造商來說都極具吸引力。但受到各種條件的限制，商用飛機至今還無法實現完全由純電提供動力。鋰離子電池是目前在研電動飛機主要的能源，盡管近年來鋰離子電池技術已經取得了長足的進步，但是其能量密度依舊無法滿足商用航空飛行器的要求。于是，將純電推進與燃油動力系統相結合的混合電推進飛機就成為了制造商們的研究方向。

所謂分布式混合電推進系統，是指通過傳統燃氣渦輪發動機帶動發電機發電，為分布在機翼或機身上的多個電動機/風扇提供電力，并由電動機驅動風扇/螺旋槳提供全部或絕大部分推力的一種新概念推進系統，能大幅提高發動機等效涵道比，在減輕結構重量，降低油耗、噪聲和污染排放方面具有優勢。

傳統燃油飛機在起飛、爬升、著陸、滑行階段發動機的效率較低，而混合電推進系統恰恰是在這些階段將電推進分系統投入使用，從而讓燃油發動機維持在最優效率的狀態下運行。這一點對于中短程飛機來說，由于起飛、爬升、著陸、滑行階段的時間占總飛行時間的比例較高，使用混合電推進系統能夠顯著節省燃油、降低噪音。因此從這個角度來看，混合電推進技術十分適合應用于航程較短、使用頻率較高的支線飛機上。在目前眾多的在研新機型中，空客的E-Fan X、波音投資研發的Zunum和NASA的“STARCABL”是最具代表性的三款機型。

NASA的大手筆

盡管波音、空客和NASA這三個行業巨頭涉足混合電推進飛機研制的時間有先后，各自主攻的技術研發路線也各不相同，但他們目前所研發的產品已經有了鮮明的特色。

作為波音背后的強大技術源頭之一，NASA提出的“STARC-ABL”項目是一個帶后置附面層推進的單通道渦輪電推進飛機。與業內各種五花八門的設計方案不同，“STARC-ABL”項目的機身依舊采用了傳統的管狀機身加機翼的總體構型，但由于采用混合電推進技術，這款飛機的油耗將比傳統飛機降低7%～12%。

在NASA的設計規劃中，“STARC-ABL”項目采用部分渦輪電推進架構，飛機機翼下方安裝有兩臺渦扇發動機提供推力，同時這兩臺發動機還可以對安裝于機身尾部的風扇提供電力，從而為飛機提供部分推力。尾部風扇對機身附面層的抽吸作用可為低能氣流注入能量，還可獲得減阻的收益。更小的阻力意味著可以減小動力需求，縮小翼下發動機的尺寸，抵消因電力系統、后置風扇和短艙帶來的額外重量增加。

目前，NASA的技術分析是基于采用環形進氣口的3500馬力全電后置風扇，該風扇能夠對附面層46%的氣體進行抽吸，可以恢復機身尾跡72%的動量損失，分析過程中還假設了電力系統效率約為90%。根據計劃，“STARC-ABL”方案將作為噴氣支線或者單通道干線客機X驗證機方案進行后期的各項驗證試驗。如果進展順利，NASA計劃在2025年左右試飛該驗證機，用于驗證2035年左右服役的單通道客機的關鍵技術。

為了保證項目的順利進行，NASA已經在制定相應的研發投入計劃。今年2月NASA宣布，2019年將投入2.31億美元用于超導電機的研發，目標直指5～10兆瓦商用飛機混合電推進系統的研發。在這份研發計劃中還包括在NEAT（NASA電推進飛機試驗臺）上測試兆瓦級的動力系統，將其作為STARC-ABL項目的2.6兆瓦電力系統的簡化縮比驗證。

供應商踴躍參與

盡管相比波音，空客是民用飛機領域的后來者，但是憑借著勇于創新的精神，讓空客用40多年的時間實現了與百年波音平起平坐的局面。如今在下一代飛機的研發上，空客積極與歐洲各國合作，合力研發新技術與新產品。

對于電動飛機的研發，空客可以說起步很早。2012年公司正式發布了E-Fan系列電動飛機項目，并先后推出了E-Fan 1.0和E-Fan 2.0兩款飛機。2015年，E-Fan 1.0還曾成功飛越英吉利海峽，成為世界上首架依靠自身動力起飛并成功飛越英吉利海峽的全電動飛機。之后，空客曾想趁熱打鐵，在已有的技術基礎上，研制4座的混合電推進飛機E-Fan 4.0。

但隨著越來越多供應商參與到電推進技術的研發，高功率密度的電機技術發展迅速，空客意識到是時候進行混合電推進支線飛機或單通道飛機的研發了。于是，空客決定終止E-Fan 4.0的研發，轉而與西門子、羅羅聯合進行更大尺寸的混合電推進支線飛機驗證機E-Fan X的研發。

E-Fan X項目選用了英國宇航公司四發短程噴氣式支線飛機BAe146為飛行試驗平臺。根據計劃，空客將首先用一套功率為2MW的混合電推進系統取代一臺噴氣發動機，2020年左右開始飛行驗證，如果飛行驗證結果符合設計要求，將再用一套電推進系統取代一臺發動機。在空客的長遠規劃中，E-Fan項目將為下一代50～100座級的混合電推進支線飛機提供足夠的試驗數據和新技術的積累。如果研發進程順利，空客計劃在2030年將全新一代混合電推進支線飛機投入市場運營。

此外，還有一個有趣的現象是，在新一代混合電推進飛機的研發方面，傳統一級供應商的參與度十分高，并且他們已經有了一定的技術積累。E-Fan X項目參與方之一的西門子公司便是其中一家。

除了E-Fan X項目之外，西門子還在為位于美國科羅拉多州的Bye航宇公司研制的兩座“太陽鳥2”和四座“太陽鳥4”飛機提供電動機。未來這兩款飛機將致力于成為獲得FAA認證的全電推進飛機，主要用于飛行訓練和通用航空市場。此外，西門子還參與了由歐盟“地平線2020計劃”贊助的“高功率高可擴展性飛機混合動力系統（H3PS）”研究項目。該項目研制周期為36個月，目標是為一個四座的通用飛機開發并聯的混合電推進系統并進行飛行測試。而從供應商的積極參與中，我們不妨大膽假設，一旦未來混合電推進飛機成為主流，一些過去在民用航空市場默默無聞的供應商將很有可能一舉進入主流供應商之列。

波音奮起直追

在電推進技術的研發上，波音雖然比空客慢了一步，但是近年來通過并購、投資具有潛力的公司，波音已經追上了空客的腳步。

2017年波音與捷藍航空共同宣布，收購之前名不見經傳的年輕創業公司Zunum Aero，支持其進行Zunum混合電推進支線飛機的研制。

由于近年來，美國支線航空市場的發展明顯衰退，導致大量的支線機場和通航機場的利用率較低，Zunum Aero在大量的市場調研后發現，恰恰這些利用率較低的機場為發展混合電推進支線飛機提供了基礎條件。利用這些機場建立混合電推進支線飛機運營網絡，將為乘客提供比高速公路、鐵路和大型商用飛機更快速、靈活和廉價的交通方式。

根據計劃，Zunum混合電推進支線飛機的尺寸將與皮拉圖斯公司的PC-12飛機類似，座級為6～12座，飛機最大起飛重量低于12500磅（5670千克），可以按照最新修訂的FAA23部進行適航取證。設計最大航程超過700英里（1126公里），巡航速度為340英里/小時（547公里/小時），飛機擁有1兆瓦的混合電推進系統，使用燃油的500千瓦發電機、充電電池以及電驅動雙涵道風扇。運營成本每座英里8美分，比現今美國航空公司的平均成本低3美分。如果這個設計運營成本能夠實現的話將是一個十分偉大的成就。如今，如果使用737飛行300～500英里是無法實現這個成本的，即便與尺寸相當的PC-12相比，運營成本也降低了3～5倍。

而Zunum混合電推進支線飛機之所以能夠有如此低的運營成本是因為電力價格相對燃油價格要低廉得多，并且混合電推進系統擁有更高的驅動效率。Zunum混合電推進支線飛機的電池占全機最大起飛重量不到20%，但是電池的能量密度相比燃油要低得多，因此采用渦輪發電機作為航程擴充器。全機僅攜帶800磅（363千克）燃油，而PC-12攜帶的燃油為2700磅（1225千克）。未來，隨著電池技術的進步，動力系統將會逐漸用電池完全代替。同時，Zunum Aero還與特斯拉合作，后者將在其“超級電池工廠”中為Zunum飛機研發鋰離子電池。

但是與其他混合電推進飛機對電池技術發展的依賴度較大不同，Zunum所采用的混合電推進系統對電池技術的發展并不是百分之百依賴的。在Zunum混合電推進飛機中，電池是以模塊形式安裝在機翼內的，在飛機進行C檢的過程中可以更換電池。Zunum Aero公司的設想是允許運營商在兩次飛行之間給電池充電或者更換電池，節省停機時間。當然這個大膽的設想在技術上要面對極大的挑戰，同時也是Zunum公司的核心技術之一，目前公司還未透露其他具體細節。

根據計劃，Zunum Aero公司將在今年開始12座Zunum飛機的初步設計評審，并完成一個高功率銅鳥試驗臺進行電力系統試驗。2019年開始飛行測試，2022年左右取得FAA適航證并交付使用。如果項目進展順利，公司還將繼續開發50 座級、航程更大的混合電推進支線飛機。