摘 要

電動飛機是靠電力驅(qū)動的航空飛機，由于可實現(xiàn)二氧化碳零排放，因此近年來廣受關(guān)注。據(jù)有關(guān)機構(gòu)預(yù)測，在不久的未來傳統(tǒng)支線飛機中的60％至70％將會被電動飛機取代。

本期文章首先按照電動飛機驅(qū)動系統(tǒng)不同介紹不同類型電動飛機的特點，然后敘述了目前國外電動飛機最新研發(fā)情況，隨后分析了碳纖維增強聚合物基復(fù)合材料（CFRP）在該領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。

近年來依靠電力作為飛機清潔推進能源的計劃取得了長足的進步，而電動飛機在運行過程中不會產(chǎn)生任何排放物，這使其在環(huán)保要求越來越嚴格的時代具有一定競爭力。顯然，當今的電動飛機系統(tǒng)并非無排放，但可以預(yù)期，得益于全球經(jīng)濟各個領(lǐng)域向可再生能源發(fā)展的強勁趨勢未來其排放量將大大減少。

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電動飛機分類及國外主要進展

按照不同的技術(shù)水平和動力系統(tǒng)組成，用于未來飛機的電力推進架構(gòu)主要可以分為六個主要類別：全電動系統(tǒng)All-electric systems、混合動力系統(tǒng)Hybrid-electric systems（又可以分為平行混動Parallel-hybrid、系列混動Series-hyrid和系列并聯(lián)平行混動Series/Parallel partial hybrid）和渦輪發(fā)電系統(tǒng)Turbo-electric systems （又包括全渦輪發(fā)電系統(tǒng)Full turbo-electric和部分渦輪發(fā)電系統(tǒng)Partial turbo-electric），六種動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)差異如圖1所示。

圖1 目前正在研發(fā)或即將研發(fā)的電動飛機，均是基于該6種動力系統(tǒng)實現(xiàn)驅(qū)動飛行

全電動系統(tǒng)：依靠電池作為飛機上唯一的推進動力源。

混合動力系統(tǒng)：依靠燃氣渦輪發(fā)動機來推進發(fā)電并為電池充電，同樣，電池在飛行的多個階段提供推進所需的能量，主要分為以下三種：

?平行混合動力：在該系統(tǒng)中，渦輪發(fā)動機和電池驅(qū)動的電動機都安裝在驅(qū)動風扇的軸上，因此任何一個或兩個組件均可在給定的任何時間提供推進力。

?系列混合動力：使用此技術(shù)，僅將電動機機械地連接到風扇。燃氣輪機的功能是驅(qū)動發(fā)電機，該發(fā)電機又驅(qū)動電動機和/或給電池充電。混合動力系統(tǒng)與使用多個小型電動機和風扇的分布式推進概念兼容。

?系列/并聯(lián)部分混合動力：該系統(tǒng)具有一個或多個風扇，這些風扇可以直接由燃氣輪機驅(qū)動，而其他風扇可以僅由電動機驅(qū)動，這些電動機可以由渦輪驅(qū)動的發(fā)電機或電池供電。

渦輪發(fā)電系統(tǒng)：在任何飛行階段均不依賴電池作為推進動力源，而是使用燃氣輪機，主要分為以下兩種：

?全渦輪電動：在此配置中，渦輪軸發(fā)動機用于驅(qū)動發(fā)電機，該發(fā)電機為逆變器提供動力，并因此為驅(qū)動單個分布式電風扇的單個直流（DC）電動機提供動力。

?部分渦輪發(fā)電：該系統(tǒng)是完全渦輪發(fā)電系統(tǒng)的變體，該系統(tǒng)使用電力推進來提供部分推進力，其余部分由燃氣輪機驅(qū)動的渦輪風扇產(chǎn)生。因此，與完全渦輪電配置相比，用于部分渦輪電配置的電子部件可以以比現(xiàn)有技術(shù)更小的進步來開發(fā)。

1.1、電動空中出租車（Electric air taxis）

許多飛機制造商和初創(chuàng)公司目前都在為城市空中交通尋找解決方案，而在此背景下，電動空中出租車正在成為現(xiàn)實。作為當前電動飛行進展的一個例子，兩個德國初創(chuàng)公司開發(fā)了兩種車輛，可以將乘客從一個地方運送到城市內(nèi)部和城市之間，而不會產(chǎn)生任何排放。電動飛機正在逐漸向市場滲透。

圖2 電動飛機正在逐步向市場滲透

Volocopter于2016年進行了首次有人駕駛飛行，并在其2X車輛上獲得了德國和國際安全證書，該車輛可容納多達兩個人，并以70 km/h的速度飛行27 km。

總部位于慕尼黑的新興公司Lilium正在研發(fā)全電動VTOL（垂直起降）飛機，該飛機最多可容納兩個人，在一小時內(nèi)可飛行300公里。無人駕駛原型機已于2017年首飛，較大的5人座飛機版本于2019年5月首次飛行。有人駕駛的原型機稍后將用于認證飛行。根據(jù)Lilium的說法，到2025年，旅客將能夠預(yù)訂自己的VTOL。

1.2、混合動力飛機（Hybrid-electric aircraft）

在不久的將來，混合動力飛機被認為是常規(guī)短程和中程飛機非常有效的替代品。航空航天和電氣設(shè)備領(lǐng)域的許多大型公司如西門子、勞斯萊斯、波音等公司均投資了這項技術(shù)。

2017年11月，空中客車、羅爾斯·羅伊斯公司和西門子公司結(jié)成伙伴關(guān)系，目標是開發(fā)和制造計劃于2020年飛行的混合動力電動示威飛機E-FanX（圖3）。該飛機使用串行混合動力技術(shù)為飛機提供動力，采用2兆瓦電動機，安裝在BAe 146飛行試驗臺上，替代了四臺燃氣渦輪發(fā)動機之一。較長期的目標是制造一架搭載E-Fan X技術(shù)的商用飛機，該飛機可容納50-100名乘客，并乘坐區(qū)域和短程航線，預(yù)計在2035年左右投入服務(wù)。

圖3 歐洲空客設(shè)計的E-FanX型電動飛機

2019年5月，SAS和空中客車公司簽署了一項諒解備忘錄，以研究將混合動力電動飛機引入商業(yè)服務(wù)的運營和基礎(chǔ)設(shè)施中。SAS的目標是到2030年減少25％的排放量。

美國波音公司和一家本土航空公司已經(jīng)投資了位于華盛頓州的一家初創(chuàng)公司Zunum Aero，該公司旨在開發(fā)世界上第一架商用混合動力電動客機（圖4）。Zunum計劃在2019年之前為其初始混合動力飛機駕駛一架演示飛機，該飛機可容納15名乘客并飛行600海里。該飛機預(yù)計將于2023年投入使用。但是，該公司目前處于財務(wù)困境。Zunum的進一步計劃包括在2027年推出一種短程混合動力飛機，該飛機將可容納50名乘客并飛行1000海里。另外，還有一個發(fā)展計劃，將生產(chǎn)一架可容納1500海里的100人座飛機。該飛機將能夠減少80％的當?shù)囟趸寂欧牛⒂型?030年代初投入使用。

圖4 美國Zunum公司設(shè)計的混合動力電動客機

美國宇航局NASA的X飛機項目設(shè)計之一STARC-ABL，是一臺渦輪電動飛機。STARC-ABL是一架帶有后邊界層推進器的單通道渦輪電動飛機。這種設(shè)計極大地依賴于電力，不僅用于推進，而且還用于運行機載電氣系統(tǒng)，例如飛行控制、航空電子設(shè)備和除冰系統(tǒng)。STARC-ABL最多可容納150名乘客，并計劃在2035年至2040年之間投入使用，并減少10％的排放。

圖5 美國宇航局NASA X-plane：STARC-ABL

目前國外正在研發(fā)的幾款混合動力飛機的主要系統(tǒng)參數(shù)如表1所示，飛機乘客數(shù)量集中在50-150座，二氧化碳排放量有望大幅降低，但最早投入商業(yè)化也要等到2027年。

表1 國外混合動力電動飛機主要參數(shù)

1.3、電池動力飛機（Battery-powered aircraft ）

總體而言，由電池驅(qū)動的飛機可實現(xiàn)最大程度的二氧化碳減排和環(huán)境效益。它們在運行過程中不會產(chǎn)生二氧化碳和污染物排放，不會影響當?shù)氐目諝赓|(zhì)量，并且其產(chǎn)生的噪音遠低于由內(nèi)燃機驅(qū)動的飛機。雖然目前在發(fā)電過程中會產(chǎn)生二氧化碳，約0.6千克的二氧化碳/千瓦時，但隨著可再生能源發(fā)展的進步以及各國根據(jù)《巴黎協(xié)定》所作的承諾，電力的二氧化碳排放量將在未來幾十年內(nèi)大大降低。

一些公司目前正在進行電池動力飛機的設(shè)計和開發(fā)。賴特電氣公司（Wright Electric）是一家位于洛杉磯的初創(chuàng)公司，旨在通過電池驅(qū)動的飛機提供零排放短途飛行。該公司與低成本航空公司easyJet 建立了伙伴關(guān)系。Wright Electric的設(shè)計基于分布式推進裝置（圖6），機翼中集成了許多電風扇，并且基于可在機場周轉(zhuǎn)期間輕松更換的電池。Wright Electric的目標飛機模型可以容納150名乘客，并且能夠飛行到290海里。他們宣布了到2035年進入市場的計劃。

圖6 Wright Electric電動飛機提出的分布式推進概念

鮑豪斯·漢諾威公司（Bauhaus Luftfahrt）在2012年設(shè)計了一款由電池供電的概念飛機Ce-Liner（圖7），與傳統(tǒng)的機身設(shè)計相比，它具有C型機翼配置，大大提高了空氣動力學效率，最大程度地降低了能耗，從而最大程度地降低了電池的重量。Ce-Liner概念研究對電池能量密度的進展進行了假設(shè)，在這些假設(shè)下，到2035年，最大航程為900海里的Ce-liner可以投入使用。

圖7 Bauhaus Luftfahrt設(shè)計的電池供電概念飛機Ce-Liner

1.4、電動混合機翼機身（Electric blended wing body）

電動混合機翼機身甚至還計劃將電動推進的優(yōu)勢與混合機翼機身的機身設(shè)計相結(jié)合。在過去的十年中，美國宇航局NASA一直在研究帶有分布式渦輪電推進系統(tǒng)的BWB（Blended Wing Body）概念，并預(yù)計可節(jié)省70％的燃料。

圖8 美國宇航局NASA提出的BWB概念飛機

小型BWB通常涵蓋100到150個座位類別，與超大型飛機相比，它更適合于混合動力以及潛在的電池電力推進的各種概念。此外，該座椅類別的市場潛力很大，可以預(yù)期開發(fā)成本將在大量要生產(chǎn)的裝置之間分擔。電動BWB可以在機身和推進設(shè)計的綜合進步的基礎(chǔ)上發(fā)展，預(yù)計在未來幾十年內(nèi)將并行發(fā)生。

2 碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用機遇

自上世紀70年代碳纖維商品化以來，便在飛機領(lǐng)域獲得應(yīng)用，而且隨著碳纖維性能和產(chǎn)量提升，其在飛機中應(yīng)用比例越來越高，如碳纖維復(fù)合材料在空客A350XWB型飛機中的應(yīng)用比例已經(jīng)高達53%（圖9）。

圖9 空客A350中CFRP占比高達53%

碳纖維之所以能夠在航空領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，不單單取決于其比鋼強、比鋁輕性能特點，而且可以加工成幾乎任何形狀并有效減少零件數(shù)量，再加上可有效降低燃料成本、改善空氣動力學特性，使其成為飛機結(jié)構(gòu)首選材料。

航空用碳纖維材料的關(guān)鍵特征是高強度、大伸長。經(jīng)過五十年發(fā)展，航空用碳纖維材料先后發(fā)展了三代產(chǎn)品：高強度標準模量級、高強中模級和超高強中模級，有關(guān)航空用第三代超高強中模碳纖維的關(guān)鍵技術(shù)可以參考閱讀《詳細剖析國外三代航空級碳纖維的特點、典型產(chǎn)品以及國內(nèi)航空級碳纖維現(xiàn)狀》。

電動飛機作為未來航空發(fā)展的焦點，也勢必將為CFRP廣泛應(yīng)用提供發(fā)展機遇。而實際上目前國外在電動飛機設(shè)計時，已經(jīng)將成熟的CFRP飛機設(shè)計經(jīng)驗運用到電動飛機中。例如，目前空客公司正在研發(fā)的E-FAN2.0電動飛機，作為一款翼展為31英尺的雙座飛機，采用全碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，因此機身凈重僅為1100磅。

根據(jù)國外一家咨詢公司研究，在不久的未來傳統(tǒng)支線飛機中的60％至70％將會被電動飛機取代。如果按照電動飛機中復(fù)合材料用量30-50%，可想而知未來電動飛機市場用CFRP將會巨大。

3 結(jié)束語

電動飛機投放市場的時間仍然存在很大的不確定性，雖然機身用CFRP技術(shù)相對比較成熟，但是影響全電池以及混合動力電動飛機推廣的最關(guān)鍵方面在于電池技術(shù)。

一方面，初創(chuàng)公司預(yù)測到2023年左右15至20座電動飛機投入使用，2030年代初期將達到100座飛機；但另一方面，更為保守的看法則認為15-20座電動飛機將投入使用大約在2030年，至于50-100名乘客的地區(qū)混合動力飛機，服務(wù)日期應(yīng)該在2050年左右。這種觀點主要受到電池技術(shù)開發(fā)所需的預(yù)期時間更長的影響。

最近幾年，公共資助機構(gòu)更加重視電動航空，將其作為未來可持續(xù)運輸?shù)囊徊糠郑@也勢必有助于加速電動飛機推進器的發(fā)展和成熟。

審核編輯 ：李倩