电动航空开启全球“竞速模式”

美国宇航局发布全电动飞机“X-57 Maxwell”最终构型概念图。图片来源：NASA

有朝一日，我们或许可以乘坐依靠电池驱动的“零排放”环保飞机前往世界各地，搭乘“零排放”的环保“空中的士”通勤、短途旅行也将不再是梦想。

3月27日，美国宇航局发布了备受期待的全电动飞机“X-57 Maxwell”最终构型概念图。就在前不久，美国能源部先进能源研究计划署也宣布资助5500万美元开展“协调冷却的集成驱动电动机”和“低碳高效率航空电混合动力系统”两大研发项目，旨在推动窄体商用客机低成本高性能航空电动发动机技术和高效燃烧碳中性航空燃油的动力系统研究。

被称为新一轮“飞行革命”的电动航空时代已然到来。在专家们看来，电动航空因其诸多优势，已成为世界航空领域发展的前沿热点。在全球都站在同一“起跑线”时，中国应努力占领电动航空技术的制高点。

下一代飞机的方向

飞机在为人们出行提供极大便利的同时，也带来了令人困扰的环境和污染问题。例如，噪声污染既让机场及航线附近的居民苦不堪言，也让机舱内的乘客有着较差的飞行体验;航空煤油燃烧后排放出大量二氧化碳、氮氧化物等温室气体，加剧温室效应;飞机尾气排放还会导致大量污染物聚集造成空气污染。

据预测，世界航空运输旅客周转量年均增速为4.4%~4.7%，仍处于较快增速区间，未来20年还将保持平均每15年翻一番的增长态势。若不采取减排措施，预计到2050年，航空业碳排放将占全球温室气体排放量的10%。

国际航空运输协会呼吁，应通过全球性的解决方案来减少航空业排放，并提出航空业的环境目标——到2050年，碳排放量比2005年净减少50%。“零排放”的电动飞机的出现则为从根本上实现绿色航空、完成减排目标开辟了一条“充满希望”的路径。

“电动飞机是以电动机带动螺旋桨、涵道风扇或其他装置产生前进动力的飞机。”北京航空航天大学航空科学与工程学院教授黄俊告诉《中国科学报》。

与燃油发动机相比，电动机在环保方面有诸多优势。航空工业机载公司高级专务、航空电力系统航空科技重点实验室主任李开省指出，电动航空的核心和关键聚焦“三电”，即电动机、电控和电池(动力来源)。由它们组成的电推进系统使飞机排放接近于零排放、零污染，从而减少碳排放税的缴纳，降低成本。此外，电动航空产生的噪声相对较小，电动机的工作效率也要比燃油发动机高很多。

“这是我们下一代飞机的发展方向。谁在电动航空的关键核心技术，特别是发动机技术(电推进技术)上领先，谁就有可能领先世界。”李开省说。

当前，各国政府、高校、科研院所和企业等都在加快关键技术研发，试图占领技术高地。专家们表示，美国能源部支持的项目正是试图解决电动机“高功率、小重量与协调发热冷却”以及动力能源系统这两大核心问题。

“未来，在坚持执行碳排放标准的情况下，传统超排放量的飞机有可能遭遇飞行受限，甚至被淘汰。谁先研发出可商用的电动飞机，谁就会抢占先机。所以，我们需要尽早进行战略布局。”黄俊说。

核心技术尚待突破

“近十年来，技术发展让航空业发生了天翻地覆的变化，目前正处在各种技术、原理的快速变革期。”清华大学航天航空学院教授陈海昕告诉《中国科学报》。

对于电动飞机来说，专家们一致认为，电推进系统是电动飞机技术发展的核心，电动飞机的性能和用途主要取决于其电推进系统。而电池则是电推进系统的关键部件之一，备受关注的是锂离子电池、氢燃料电池、太阳能电池、超导电容等。

电池技术需要考虑能量密度、安全性、充电速度、环保性等多方面因素。尽管近年来电池技术已取得较大发展，但仍无法兼顾安全性和续航能力。“飞机的重量其实就是阻力，飞机设计讲究‘为每一克重量而奋斗’。若电池很重或储存不了太多电量，则意义不大。因此，我们还有很长一段路要走。”陈海昕说。

目前，飞机燃油的能量密度大约为12700千瓦时/千克，而电池能量密度最大仅能够达到500瓦时/千克，两者相去甚远。高能量密度、长寿命的电池技术亟待突破。

“不过，传统燃油发动机效率较低，当电池能量密度提高到一定程度时，就有可能取代传统的发动机。但目前要采用电力系统直接驱动大型飞机还有一定困难。”对此，李开省建议，可采取混合动力推进技术作为过渡方案。

混合动力技术即将传统燃气涡轮与电力发动机相结合。黄俊认为，电动飞机的推进系统具有相对尺度无关的特性，也就是说若将一个100千瓦的电机和控制器分解成 100个1千瓦的电机或10个10千瓦的电机，其总的功率重量比和总效率基本保持不变。应用该特性，可有效提高空气动力效率并减少机翼面积和结构重量。例如，美国宇航局的X-57电动飞机机翼前缘就配置了12个高升动力马达提供推进力。

李开省认为，电动航空的下一代核心技术还应关注集成电力电子控制技术，其中碳化硅高温电力电子技术是研制电力系统高功率密度变换器的关键。此外，还有电动飞机整体设计技术。“就像人身体健康需要各个部位健康一样，只有整体设计协调，才能制造出一架性能优良、客户满意的飞机”。

抓住弯道超车的好时机

在陈海昕看来，电动垂直起降机、支线飞机的电动化、纯电动飞机的实用化将成为未来电动飞机关注的领域。此外，还要关注电动飞机整个大循环内的效率提升和节能减排问题。

目前，4座及以下的小型电动飞机已试飞成功，部分取得适航许可。如我国自主研制的RX1E锐翔双座电动轻型飞机和四座电动飞机RX4E均已首飞成功，前者已应用于飞行员教练机;法国空客集团的全电动E-Fan验证机也即将作为教练机使用。

在可预见的未来，小型电动飞机将广泛应用于短途运输、观光旅行、航空测绘、“空中的士”等领域，给乘客以更安静、高效、便利的飞行体验。但是，更大座级的客机还停留在概念图和设计图上，要想制造出150座级的大型商用电动飞机，至少还需要20年时间。

当前，各国政府与企业纷纷加大电动飞机研发力度。据不完全统计，截至2019年6月，全球约有170个在研电推进飞机项目，主要集中于北美和欧洲地区。我国电动航空业也如雨后春笋般全面发展，专家们呼吁，国家应加大支持力度，提高其行业竞争力。

陈海昕觉得，不妨让企业先动起来，“百花齐放”，让市场需求驱动技术的发展，国家发挥引导作用。李开省则表示，目前正是我国实现弯道超车的好时机，在科研院所、民企和国企各自发挥优势的同时，国家可组建电动航空国家队加强攻关力量，不仅推动整个行业发展，还将带动超导等工业大发展。更重要的是，需要制定电动航空技术的发展战略和路线图，分阶段、分批实施，做到有的放矢。

我国电动飞机的型号研发已与国际同步，这为今后发展奠定了良好基础。“国家要像支持电动汽车一样支持电动航空的发展。”黄俊表示，“这是一个全新的事物，需要重新建立理论和技术体系，需要多学科设计找到耦合效应，才能提升整体效率，任何单方面的突破都是不够的。”