中國電動飛機技術創新與實踐

楊鳳田,范振偉,項松,劉遠強,*,趙為平

1. 沈陽航空航天大學,沈陽 110136 2. 遼寧通用航空研究院,沈陽 110136

近年來,隨著國家對生態文明建設的愈加重視,綠色能源、電動科技領域迎來了嶄新的發展契機[1]。目前,世界上已有多個研究機構在進行新型電動飛機的研制,這對通用航空產業的發展起到積極的促進作用。電動飛機是以儲能裝置(蓄電池、燃料電池等)給電動機供電,驅動螺旋槳、涵道風扇或其他裝置產生飛行動力的飛機,其改變了傳統的飛機設計思想,從飛機安全便捷、綠色環保、高效節能的理念出發,優化整個飛機的設計,極大地提高了飛機的環保性[2-3]、可靠性[4]、舒適性、維修性和經濟性,代表了先進飛機技術的發展方向、未來發展趨勢[5]。

1 電動飛機發展現狀

1.1 國外發展現狀

電動飛機已成為世界航空界的研究熱點之一[6]。國際航空界普遍認為,電推進技術是航空業“第三次技術革命”的重要標志。綜合羅蘭貝格咨詢公司以及美國垂直飛行協會的研究成果,截至2019年10月,全球共有電動飛機項目約240項。國外電動飛機研究主要集中在北美和歐洲地區,受到政府資助或者由企業自籌資金研發。

1.1.1 政府資助項目

1999年,從歐盟第五框架計劃開始,歐盟就開始資助意大利都靈理工大學開展“用于交通監視和環保的同溫層新能源電動飛機平臺研究”“新能源電動民用無人機的應用和潛在效率提高研究”。2000年,意大利都靈理工大學在歐盟第五框架計劃、歐盟第六框架計劃資助下開展了HELIPLAT太陽能電動飛機研制,HELIPLAT的翼展為75 m,航時可達4～6個月。2003年,歐盟第六框架計劃資助意大利都靈理工大學開展“ENFICA-FC 環境友好城際燃料電池電動飛機研究”。歐盟第八框架計劃-“地平線2020”資助了多個電動飛機項目[7]。

2015年,美國NASA提出了電動飛機發展路線圖。2019年,NASA開始研制X-57電動飛機,該型飛機采用分布式電推進布局,如圖1所示。

法國航空航天研究院、日本宇航航空研究院與德國航空航天研究中心在巴黎航展上簽訂聯合研發協議,共同開展電推進技術研究。法國航空航天研究院研發了Ampere電動飛機,該機設計為六座,航程約500 km,采用分布式并聯的燃料電池和鋰離子電池。空客公司在2015年的巴黎航展上展出了純電動飛機E-Fan2.0[8]。

德國航空航天研究中心研發了由氫燃料電池驅動的四座客機-HY4,該飛機已于2016年首飛。德國斯圖加特大學和德國慕尼黑科技大學也開展了電動飛機研發。日本宇航航空研究院考慮從小型電動飛機研發入手,在2040年前制造出可搭載100～150名乘客的電動客機。英國設立3億英鎊的專項扶持資金重點扶持小型電動飛機和電動垂直起降機型的的研制,逐步向大型載客飛機發展。瑞典政府的計劃是到2030年,所有國內航班改用生物燃料或電動飛機。瑞典政府資助了ES-19電動飛機項目,ES-19采用4臺電機,純電動,十九座,航程為400 km,見圖2。挪威的目標是到2040年,所有國內航班采用電動飛機,電動航空成為挪威電動大交通戰略的組成部分。

圖1 X-57電動飛機Fig.1 X-57 electric aircraft

圖2 ES-19電動飛機Fig.2 ES-19 electric aircraft

1.1.2 企業研發項目

美國和歐洲多家飛機公司高度關注電動飛機研究。波音公司針對大型干線飛機開展N3-X研究計劃。空客制定了電動飛機發展路線圖。羅羅航發收購西門子eAircraft電動航空部門,正式進入電推進系統研制領域。法國Aquinea公司和法國國家民用航空學院共同研發Volta電動直升機。除了波音、空客、羅羅等航空界巨頭之外,還有幾家公司需要持續關注,分別是以色列Eviation電動飛機公司、斯洛文尼亞Pipistrel公司[9]和美國Magnix公司。

以色列Eviation電動飛機公司正在研制9+2座純電動飛機“愛麗絲”,該型飛機以445 km/h的巡航速度,可以飛行1 046 km,該公司計劃2022年推出商業航班, 如圖3所示。斯洛文尼亞Pipistrel公司研制出Taurus Electro、Taurus G2、Taurus G4、Alpha Electro、Velis Electro系列電動飛機,其中Velis Electro電動飛機,已獲得EASA頒發的型號合格證(TC)。美國Magnix公司致力于大功率電推進系統研發,其研制的520 kW和560 kW電推進系統,分別應用于“水獺”電動水上飛機和全電動塞斯納208B。

圖3 “愛麗絲”飛機Fig.3 Aircraft "Alice"

1.2 國內發展現狀

中國的電動飛機研發工作幾乎與歐美等航空強國同步[10]。“十三五”期間,中國制定了一系列電動飛機發展政策,并且完成了2機首飛,2機取證。

1.2.1 政策方面

國家制定的通航“十三五”規劃提出要“推動新能源飛機發展”。科技部和交通運輸部聯合發布的《“十三五”交通領域科技創新專項規劃》[11]也指出要發展新構型新能源通用航空飛機技術。

2019年以來,中國民航局先后發布eVTOL相關的重要文件,包括《基于運行風險的無人機適航審定的指導意見》和《無人機試運行管理規程》,從政策上為eVTOL的適航和運行建立了框架,eVTOL機型已經可以依照這兩個文件在中國開展試運行。

1.2.2 型號研制方面

1) 以輕型電動飛機驗證機為起點

20世紀90年代,鋰電池能量密度只有100 Wh/kg,能否發展電動飛機是困惑國內外研究人員的課題,因此中國提出電動飛機需要氣動、結構及動力的高效率來彌補電池短板,開展了電動飛機關鍵技術研究,以打破對國外關鍵零部件的技術依賴[12]。突破了高升阻比整機氣動布局設計、輕質高效復合材料結構設計制造、高效低排放動力系統等關鍵技術,研制出銳翔電動飛機(RX1E)驗證機,預期航時40 min,實際飛行達到了45～60 min。在此基礎上投入自有資金將驗證機轉化成型號,與中國民航局一起,依據中國民航CCAR-21部,并參照ASTM 標準,創新性地確定了電動輕型運動飛機的適航審定基礎和編制了符合性驗證程序,成為國際上首款完成適航取證的電動飛機。

2) 面向市場應用研制增程電動飛機

銳翔原型續航時間為45～60 min,只能本場訓練,不能滿足飛行員培訓及飛機轉場的需求。因此,遼寧通用航空研究院通過增加電池容量、結構減重等方式,開展了增程電動雙座飛機(RX1E-A)的研制工作。通過該型飛機的研制帶動了我國航空鋰電池、電推進系統、復合材料結構設計等領域發展,相關性能指標均達到世界領先水平。目前,RX1E-A最大起飛重量600 kg,續航時間可達2.5 h,已在國內多個機場安全飛行超過4 000 h,并獲民航局運動駕駛員執照培訓許可。

3) 以電動四座飛機緊隨市場走向

四座飛機是通航市場的主力產品。2018年開始,遼寧通用航空研究院開展了電動四座飛機(RX4E)驗證機研制。RX4E是按照中國民用航空規章23部要求進行研制的正常類飛機。為了降低研制風險,縮短研制周期,創新性地提出研制概念驗證機,在完成整機限制載荷靜力試驗的基礎上,于2019年10月28日在沈陽法庫財湖機場進行了驗證性測試首飛。該飛機起飛重量達1 200 kg,續航時間1.5 h,航程300 km。2019年11月11日,東北民航局正式受理了該機型的適航取證申請。

4) 以電動水上飛機拓展應用場景

中國水域眾多并且水面多為優秀的旅游資源,電動水上飛機利用水面即可起降,滿足了水域對環保的嚴格要求,很大程度上解決了“飛起來”和“落下去”的問題,特別適合與環保要求高的旅游景點結合。因此,遼寧通用航空研究院在銳翔雙座電動飛機的基礎上開展了電動水上飛機關鍵技術研究,進行了低阻高穩定性浮筒設計、水面起降配套設施設計、水面快速換裝電源等關鍵技術研究。2019年8月,RX1E-S電動水上飛機在沈陽法庫完成驗證性測試首飛,為中國電動水上飛機的發展打下堅實的技術基礎。

2 電動飛機技術創新

近年來,隨著電子技術、電池技術、新材料技術的的快速發展,電動飛機技術得到了飛速發展[13]。目前,電動飛機正在向市場化、實用化方向發展。預計到2050年,電推進將成為飛機的主要推進方式。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[14]。

為了進一步提高電動飛機性能指標,需要在以下4個方面開展技術創新。

2.1 高升阻比氣動布局設計技術

電動飛機的升阻比越大,飛行時消耗的能量越小,在能量儲備一定的情況下,航時越高。通過設計層流翼型大展弦比機翼,進行CFD數值分析和風洞試驗[15-16],對翼型進行優化設計,進而實現層流機翼的設計；以此機翼為基礎,進行高升阻比的整機氣動外形與布局設計,利用CFD數值分析、優化,并用風洞試驗對設計結果進行驗證,形成一個高升阻比的氣動布局。在傳統氣動布局基礎上,還需要重點開展翼身融合布局、桁架支撐翼布局、分布式推進布局等新型氣動布局技術研究,優化飛機氣動特性,改善飛機飛行性能。

2.2 電推進系統設計與集成技術

具有高效率、輕重量的電推進系統是電動飛機研制成敗的關鍵。為了保證電動飛機具有足夠的航時,電動機、控制器、螺旋槳要具有最高的效率。通過合理設計電動機磁路結構,使永磁體的利用率達到最優,保證永磁體磁場穩定工作在設計點附近,從而實現高效率電動機設計；開展控制器的低壓供電設計、冷卻系統設計、低功耗設計,以提高控制器效率；基于機翼理論和渦流理論,開展高效率螺旋槳設計,獲得最大效率螺旋槳的幾何特性,包括：弦長分布、槳葉角分布。

2.3 輕質高效復材結構設計技術

為了降低電動飛機能耗,電動飛機需要使用輕質高效的復合材料結構。通過監測樹脂流動、浸潤、固化過程,優化復合材料工藝參數、鋪層、模具工裝,以減輕結構重量、降低結構成本、抑制內殘余應力、控制結構變形。研究復合材料結構表面處理技術,提高飛機復合材料結構的表面光潔度,進而減小空氣阻力。

2.4 高性能電池設計技術

電池的壽命、能量密度、功率密度是制約電動飛機發展的關鍵因素,直接影響電動飛機航時、航程。因此,應重點開展高能量密度鋰電池、高功率密度燃料電池、高效率太陽能電池、結構功能一體化儲能材料等研究。

3 電動飛機發展展望

針對航空業“第三次技術革命”,國外的重視和支持力度實屬空前,如果中國不繼續保持研發投入與科技創新,近10年電動飛機發展的技術優勢將會很快被超越。因此,建議電動飛機要按照以下4點構建全面的規劃：

1) 以高功率高效率電推進系統為研發重點

形成中國電推進系統系列型譜,在現有電推進系統關鍵技術研究及系統集成基礎上,開展140 kW、260 kW、500 kW、1 MW系列電推進系統研制,支撐中國電動飛機型號持續發展。

2) 以電電混合電推進系列飛機為研發核心

在鋰電池與燃料電池混合的基礎上,進一步探討采用太陽能、鋁空氣電池等進行組合,開展短途通勤/運輸電動飛機研制,突破高效儲氫、高壓力加氫、電解池制氫、高效率輕質燃料電池系統設計與集成、電電混合動力能量管理技術、兆瓦級電動力系統設計、低噪聲高效率可變距螺旋槳設計等關鍵技術。

3) 以現有電動飛機型號運營支持體系研究為關鍵

國內現僅針對大型民用飛機開展了運營支持體系關鍵技術研究,對電動飛機還未開展。運營支持體系的成與敗關系到飛機全壽命周期的使用與安全,計劃到2025年,在運行安全工程與技術、維修工程與技術、培訓工程與技術、工程數據應用等方面開展運營支持體系建設,構建相對獨立、適應市場的電動飛機運營支持體系。

4) 以拓展新型電動飛行器研發和標準構建為目標

為了繼續保持新能源電動飛機研制優勢,應加快拓展各應用場景下的全譜系電動飛行器研制,研制包括水上四座電動飛機、小型電動直升機、電動力飛艇、長航時太陽能飛機,構建可廣泛應用于城市空運、短途運輸、通訊中繼、軍事偵察等領域的新型電動飛行器。系統開展電動飛機標準、規范制定,填補電動飛機標準空白。

4 結 論

1) 電動飛機是實現中國與世界航空強國并駕齊驅的重要領域,建議高度重視、提早布局。明確中國電動飛機的發展戰略與規劃,制定電動飛機發展路線,引導電動飛機健康、快速、有序發展。

2) 電動飛機研發與應用是一項龐大的系統工程,涉及到航空宇航科學技術、機械、電子、材料、管理等學科,僅靠遼寧通用航空研究院現有力量難以支撐電動飛機后續高質量發展,因此應以遼寧通用航空研究院為基礎,整合全國優勢科研力量,形成合力,成立電動飛機國家工程技術研究中心來推動電動飛機發展。

3) 電動飛機研發周期長、經費需求量大,目前研發經費嚴重不足。為了加強中國電動飛機型號研制工作,占領國際通用航空電動化的至高點,應設置電動飛機重大專項,支持電動飛機研發。

4) 參照電動汽車銷售補貼政策,對滿足續航指標的電動飛機銷售給予補貼。在推廣初期給予飛行補貼,形成產業規模后可以減少或不補。