電推進飛機：開啟航空業的新時代

陳培儒

近日，美國《航空周刊》發布了歐洲最大的戰略管理咨詢公司羅蘭貝格咨詢公司針對飛機電推進系統研發的最新市場研究報告。報告顯示，全球約有100個電推進飛機項目正處于研發階段，其中有近一半的項目是2017年左右啟動的。

與以往飛機項目大多由幾家知名的飛機制造商和研發機構主導不同，在如今的電推進飛機項目中，新興的創業型公司成為了主力軍。羅蘭貝格咨詢公司指出，從制造商們參與的熱情來看，電推進飛機有望開啟航空業的新時代。

小微企業成主角

2017年年底，羅蘭貝格咨詢公司發布了第一份關于電推進領域研究項目的調查報告。在當時統計的70個項目中，航空航天領域巨頭所主導的項目占18%，航空航天供應商主導的項目占31%，新興創業型公司和獨立投資人主導的項目占46%，非航空航天企業主導的項目占5%。

時隔近一年后，此次羅蘭貝格咨詢公司發布的這份涉及近100個電推進飛機項目的研究報告中，新興創業型企業的占比再次提高。目前，約有60%的電推進飛機項目是由新興創業型公司和獨立投資人所主導，約30%由航空航天企業主導，10%由學術機構和政府主導，如NASA、歐盟等，另外還有少部分項目由西門子、卡拉什尼科夫康采恩等大型非航空航天公司所主導。

在不到一年的時間里，從兩組數據的對比能看出，越來越多的新興創業型公司熱衷于研發電推進飛機，這些新鮮血液的加入為電推進技術的發展注入了活力。

羅蘭貝格咨詢公司發布的報告顯示，正在進行的電推進飛機研發項目中，從飛機的使用模式來看，大多數電推進飛機都朝著通用航空和城市空運的方向發展。美國和歐洲的企業依舊是電推進飛機項目的主力軍，但是中國、以色列等國的企業也開始涉足這一領域。如中國智能無人機公司億航就是這個領域的后起之秀。在2016年CES國際消費類電子產品展覽會上，億航公司發布了全電力低空自動駕駛載人飛行器——億航184。如今，公司正在研制更大的垂直起降電動飛機。

從技術層面來看，這些新興創業型公司所研發的飛機基本上都是全電動的，電池是飛機唯一的動力來源。因此，羅蘭貝格咨詢公司預測，盡管全電動飛機的商業化運營還為時過早，但是電池作為飛機動力來源的趨勢正在逐步形成，這將對產業的長遠發展產生重要的影響。

首先，電池供應商未來將成為繼飛機主制造商、發動機制造商之后的又一個重要的飛機制造領域的參與者。誰能成為主流的電力系統供應商將是業界關注的焦點。而對于電池供應商而言，要想在商用航空市場立足，首先要攻克的是美國聯邦航空局和歐洲航空安全局的適航認證。目前，已有電力系統供應商開始了這方面的嘗試，但是距離真正的取證還有很大的差距。

其次，對于機場來說，如果全電動飛機未來在通用航空領域得到廣泛應用的話，那么機場就需要建造新的基礎設施來容納這些新能源飛機。

羅蘭貝格咨詢公司在報告中指出，盡管新興創業型公司對電推進飛機的研發熱情十足，但是未來具有投入商業運營價值的項目卻并不太多。

成立于2015年的以色列Eviation飛機公司正在研發的Eviation Alice全電動飛機是目前業內較為看好的一款機型。這款飛機有三個螺旋槳，其中兩個分別安裝在翼尖，另一個安裝在機身后方。這款飛機擁有全電力推進系統，95%的機身用復合材料制成。

在這款飛機的研制過程中，制造商大量采用了3D打印技術。Eviation飛機公司用3D打印機和ABS材料在20個小時內制造出機翼電機的原型，還利用ULTEM材料（一款可用于嚴苛環境中的熱塑性材料）制造了一款復合鋪設工具，3D打印的部件被覆蓋在碳纖維材料中，用于支撐光滑、氣動的飛機表面結構。3D打印技術不僅幫助公司節省了數十萬美元的研發經費，還縮短了飛機的研制周期。根據計劃，這架全電動飛機將在2018年年底首飛，2021年前后投入商業運營。

作為“城市空運計劃”的倡導者，優步公司則專注于研發全電動垂直起降（eVTOL）飛機，這類飛機從“體格”上看介于大型無人機和小型飛機之間。憑借多個小型轉子和電動推進器，優步的垂直起降飛機將比傳統的直升機安靜得多，飛行效率也更高。此外，優步還與NASA合作，后者將為其開發空中交通管理系統。優步希望，未來這些垂直起降飛機能夠在更加嚴格的空中交通管制標準下運行。

總部位于新加坡的HES能源系統公司在2018年10月公布了4座氫燃料電推進飛機研發計劃，并將該飛機命名為“元素一號”（Element One）?！霸匾惶枴钡睦m航能力遠超由普通電池供電的電動飛機，具有安靜、零碳排放、個性化、按需、分散化等特點，適用于鄉村城鎮之間的支線飛行。

據悉，HES公司提出的氫-電推進系統支持模塊化方案，可以在不改變現有無人機尺寸的情況下，直接安裝到機翼下方的吊艙內?！霸匾惶枴痹跈C翼上安裝14個電動機，通過多系統冗余增加了安全性，如果一個系統發生故障，還有13個可以正常工作。每個吊艙內都有一個獨立的電動機，且配備了可插拔更換的燃料電池和氫儲存罐，這種方法帶來的不僅是分布式的推進能力，還有分布式的存儲能力。因為在飛機內部儲存氫的量是有限制的，這會占用機身的大量空間，將它分成若干個部分，在每個電機后面安裝一個氫儲存罐，能有效提升燃料攜帶量。

在理想狀態下，如果采用壓縮氣態氫作為燃料，“元素一號”足以搭載4名乘客飛行5個小時，航程達到500公里。如果使用液態氫作為燃料，有可能將續航時間增加到15～20小時，航程可達5000公里。

老牌勁旅不甘人后

盡管與新興創業型公司相比，以波音、空客等為代表的老牌勁旅可能在新技術的敏感度方面略遜一籌，但憑借深厚的技術儲備和雄厚的財力，這些航空巨頭在電動飛機的研制方面也取得了不俗的成績。

波音公司早在1990年就開始了對電動飛機的研發工作。當時波音的設想是用14年左右的時間來制造混合電推進的787飛機。但在2013年的試飛中，由于鋰電池沒有適當的短路保護措施導致電池燒毀。此后，波音進行了保護性措施方面的改進。

根據波音的設想，使用混合電推進技術能夠為航空公司用戶節省約20%的燃油，這已經是目前所有同級別飛機中的最低油耗，但是在燃油價格上漲、航空碳排放管制的背景下，全電動飛機才是波音乃至所有航空公司真正追求的“夢想飛機”。

因此，波音2017年與易捷航空一起投資了電動飛機制造商Zunum Aero公司，合作研發電動飛機ZA10。在這款飛機上，傳統的內燃機引擎消失了，取而代之的是飛機尾部的兩個電力驅動的引擎。從目前來看，電池依舊是最核心的難題。

目前的可充電鋰電池能量密度不足燃油的1%。以特斯拉的18650電池為例，如果要將波音747的燃料箱全部塞滿這種電池，則需要將電池的能量密度提高138倍，才能提供充足的能量讓飛機起飛。然而，近20年電池生產商只是將鋰電池的能量密度從200瓦時/千克提升到接近550瓦時/千克，并且未來提升能量密度的難度越來越大。

正是因為電池能量密度的瓶頸難以逾越，以ZA10飛機為例，Zunum Aero公司計劃在運營初期為這款飛機配備小型燃油發動機作為備用動力。在2020年推向市場時，如果使用全電模式的話，這款12座的飛機的航程約為700公里。因此，波音在進行電動飛機研發的同時，也將目光投向了電池制造領域。

2018年2月，波音投資了美國電池生產商Cuberg公司，這是波音第一次直接對能源領域的企業進行投資。波音表示，目前Cuberg公司生產的電池能量密度是所有鋰電池中最高的，盡管還沒有實現量產，但前景看好。

與波音偏向于投資創新型公司不同，空客選擇了與其他老牌勁旅進行合作，共同研發電推進飛機。2016年，空客與西門子公司就合作開發混合動力推進系統簽署協議，雙方希望能夠在2020年前完成多樣化的混合/電力推進系統的技術可行性論證。雙方計劃組建一支200人左右的研發團隊進行相關研發工作，以保持歐洲在電動飛機領域的領先地位。

在具體項目上，空客早前曾進行過全電動飛機E-Fan項目的研發，相繼推出過E-Fan 1.0、E-Fan 2.0、E-Fan X等多個項目，但在未來的商用飛機市場，空客務實地選擇了混合電推進技術方案。

目前，空客正在與西門子、羅羅合作研發基于分布式混合電推進系統的“E-Airbus”100座級支線客機，并計劃在歐盟“航跡2050”的框架下開展深入研究。E-Airbus采用6臺電動風扇，每個機翼上沿展向分布3臺，通過一個燃氣動力單元（即渦扇發動機連接到發電機，以產生電力）為6臺風扇提供電力，并為電能存儲裝置充電，推進系統的等效涵道比預計將超過20。

雖然空客集團目前并沒有公布E-Airbus飛機方案在2030年將會處于什么水平以及與“航跡2050”計劃中（歐盟“航跡2050”計劃的目標是以2000年的水平為基點，在2050年前實現將二氧化碳排放降低75%、氮氧化物排放降低90%、噪聲降低65%）環保目標的對應關系，但是作為“航跡2050”計劃的中期動力解決方案，分布式混合電推進系統將大量采用“航跡2050”計劃所發展的新技術，預計其具備足夠的技術優勢，能夠使歐盟在實現“航跡2050”計劃所定環保目標的征途中邁進一大步。

美國國家航空航天局（NASA）已經批準了一項為期3年、總投資1500萬美元的項目。該項目旨在研制一種采用分布式電推進（DEP）技術的X驗證機。X驗證機基于輕型通用飛機，一旦證明技術可行，NASA將在一型9座的通勤飛機驗證機上進行進一步試驗，為將來在60～90座級混合電推進支線飛機上的應用打下基礎。

這一計劃下正在研發的X-57項目迄今為止遇到的最大問題依舊是電池的問題。據NASA最新公開的信息，雖然目前的電池組能夠為飛機提供47kW.h的能量，但是電池重量已經接近408公斤，比設計目標超重了10%，幾乎用盡了當初設計時預留的增重空間。在2017年12月進行的一次地面試驗中，電池組曾發生過熱失控等問題。考慮到電池組在機艙內的安裝位置在飛行員座椅的后方，為了確保安全，NASA對設計結構進行了更改，這也是造成電池超重的一個原因。

此外，X-57項目的另一個使命是幫助NASA建立分布式混合電推力飛機的取證標準。目前，NASA正與標準研發機構如ASTM國際等開展合作，以推進新的能同時用于電動推進系統和通用飛機取證的一致標準。X-57飛機將只是向FAA提交虛擬取證申請，借此了解取證面臨的挑戰，這將有助于新規則的制定。

除了主制造商之外，商用飛機市場的主流供應商也在積極布局電推進飛機市場。

GE公司希望在其“數字化工業戰略”中融入電推進技術。公司前任總裁杰夫·伊梅爾特曾多次公開表示，希望能夠在2030年左右推出幾款小型混合電推進飛機。美國聯合技術公司總裁戴維·吉特林表示，無論用10年、20年甚至30年的時間，電推進技術終究會投入使用，因為它代表了行業的發展方向。