王元元丨全球电动飞机发展概览(一)

【导读】在2019年第53届巴黎航展上,来自全球领先的七家航空制造商(空客、波音、达索、GE航空、罗·罗、赛峰、联合技术)的首席技术官联合发布了推动航空业可持续发展的声明,其中承诺将研发全新的飞机和推进技术,加速推动航空进入“第三时代”(航空三个时代大致可以按动力形式划分为活塞时代、涡轮时代、电动时代,电动时代的特点还包括全新的飞机结构和材料、数字化、人工智能等技术的大面积应用)。与此同时,以色列Eviation公司9座纯电动通勤飞机和美国安飞公司6座混合电动飞机在航展上斩获数十架订单,计划未来2~3年进入市场。结合近年来全球航空业发展态势观察,航空业可能正处于电动飞机革命的风口浪尖。

 

本文主要开展对全球电动飞机的研发现状、市场应用、技术难点、主要企业的电动飞机研发策略等全面的研究和分析,在掌握全球发展现状的基础上,研判未来发展趋势,提出对我国发展电动飞机的启示和建议。

今天给大家介绍电动飞机的概念和分类,全球发展现状和趋势,以及目前主要发展特点。

1 电动飞机的概念和种类

1.1 电动飞机的概念

电动飞机是以储能装置(蓄电池、燃料电池等)给电动机供电,驱动螺旋桨、涵道风扇或其他装置产生飞行动力的飞机。与多电(如波音787)、全电飞机对二次能源系统的优化不同,电动飞机是一次能源系统的革命,它和电动汽车的发展轨迹一样,改变了传统的飞机设计思想,从飞机绿色环保、高效节能的理念出发,优化整个飞机的设计,极大地提高了飞机的环保性、舒适性、维修性和经济性,代表了先进飞机技术的发展方向。

实际上,第一架电动飞行器出现在1883年,法国化学家、飞行员蒂桑迪尔将一台西门子电动机安装在气象观测飞艇上首次实现了电动飞行,但它的强度还不足以抵御风力。接下来的挑战者是匈牙利工程师,他们于1916年开发出 PKZ-1直升机,其特点是电动机在6000转/分钟时提供140瓦的功率。然而它存在一个缺点:PKZ-1需要从连接到地面发电机的电缆获得电力。一直到1973年,电动滑翔机才首次问世。如今,消费类多旋翼无人机几乎都是电动的,可以说,在技术门槛相对较低的市场领域,电动飞机已经比较成熟,而在燃油动力为主的商用航空领域,电动飞机仍处于比较初级的发展阶段。

美国NASA研究认为,商用电动飞机可实现节能超过60%、减排超过90%、降噪超过65%的潜在收益,欧盟也认为商用电动飞机是实现欧洲航空2050愿景目标的必然选择。

1.2 电动飞机的种类

电动飞机的分类可以按照推进形式、用途、构型等等。本文参考国外的研究成果,给出两种分类。

一是按照推进形式(NASA提出的,获得业界认可)分为三类、六种方式。这六种电推进方式依靠不同的电技术(电池、电动机、发电机等),其二氧化碳排放减少程度与构型、部件性能和飞行任务有关。第一类是全电,即电池作为飞机上推进系统电力的唯一来源。这种电推进方式结构相对简单。第二类是混合电,即使用燃气涡轮发动机推进并为电池充电,电池还在一个或多个飞行阶段为推进提供能源,主要包括并联混合、串联混合及部分串联/并联混合三种形式。并联电混合系统中,由电池供电的电动机和一台涡轮发动机同轴安装、驱动风扇转动,即任何时候上述其中一个或两者同时可提供推力。串联混合系统中,只有电动机与风扇有机械链接,燃气涡轮用于驱动发电机,其输出驱动电动机以及/或为电池充电。串联混合系统与分布式推进概念相匹配,即其可支持使用多个小型电动机和风扇。部分串联/并联混合系统有一个或多个能由燃气涡轮直接驱动的风扇,同时其他风扇单独由电动机驱动,这些电动机所需的电力可来自电池或涡轮驱动的发电机。第三类是涡轮电,包括完全涡轮电、部分涡轮电这两种形式。完全和部分涡轮电构型在任何飞行阶段均不依赖于电池作为推进能源,而是使用燃气涡轮驱动发电机,由发电机驱动换流器和最终的独立直流(DC)电动机,后者再驱动独立分布式电动风扇。部分涡轮电系统是全涡轮电系统的变形,使用电推进提供部分推进动力,剩余推力由燃气涡轮驱动的涡轮风扇提供。因此,比起完全涡轮电系统,部分涡轮电系统的电子部件可在当前水平基础上做少量改进后研发获得。

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图 1按推进形式的电动飞机分类

针对某种飞机,不同电推进形式(如并联混合电、全电、涡轮电)对电系统的要求不同。对于上述三种电推进类型来说,涡轮电系统允许使用最小的电机,将降低技术开发风险、缩短进度。串联/并联混合电系统可用相对小的电机和电池。因为将电力传送到不同地点的多个电动机方案实现相对容易,涡轮电和其他电推进概念非常适合于更高涵道比的分布式推进,它们能提供使风扇边界层吸入(BLI)收益最大化的飞机设计方案。

另一种是结合了飞机构型和用途的分类,共分为六类,分别是矢量推力(通过推进器倾转等方式提供升力和推力)、悬停滑板/私人飞行装备(飞行员站着或坐在马鞍之类的座上,基本都是多旋翼无机翼构型)、升力+巡航复合构型(完全独立的推进装置和升力装置)、多旋翼无机翼构型、电动直升机、电动非垂直起降固定翼飞机。其中,前五种都属于电动垂直起降飞行器(eVTOL),最后一种属于电动常规或短距起降飞行器(CTOL/STOL)。

 

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图2按构型分类的典型代表产品(从第一行按顺时针):1、矢量推力(美国ASX公司的MOBi;2、悬停滑板/私人飞行装备(加拿大Horus Hoverbike公司的Hoverbike);3、升力+巡航复合构型(美国巴航创新公司EmbraerX的DreamMaker);4、多旋翼无机翼构型(德国Volocopter公司的VC200);5、电动直升机(法国Aquinea公司的Volta);6、电动非垂直起降固定翼(英国罗·罗公司的ACCEL)

 

2 全球电动飞机发展现状和趋势

2.1 全球迎来电动飞机研发热潮

从2018年初开始,罗兰贝格咨询公司(1967年在德国建立,已经发展成为欧洲最大的战略管理咨询公司)持续针对飞机电力推进领域开展了跟踪研究,其发布的研究报告显示,全球范围内目前有约200型电推进飞机正处于开发阶段,其中超过一半是2017年以来宣布的。报告认为,如果对该领域的兴趣持续攀升,电推进将会对机场、航空公司、飞机租赁公司和制造商带来巨大的影响。罗兰贝格的合伙人罗伯特·汤姆森说:“电力推进开启了航空航天新的创新时代,这是几十年来从未见过的。”

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图 3罗兰贝格咨询公司2019年5月发布的电动飞机研发项目全球分布(当时的数量是169个)

罗兰贝格公司对全球电推进飞机项目的统计结果从不同角度进行了分析,包括使用模式(城市空中出租车、通用航空运输、支线运输、商用运输),项目来源地区(欧洲、北美和其他),飞机动力源(电池、混合和太阳能),推进类型(螺旋桨、涵道风扇、螺旋桨+涵道风扇、推进器+风扇),投资方(创业企业&独立投资人,现有航空航天巨头,其他现有航空航天中小企业,大学/政府,大型非航空航天企业。例如卡拉什尼科夫康采恩集团、西门子和健将等)。

从项目投资方来看,约有60%的项目是由创业公司和独立人士投资,现有航空航天公司占了30%(其中航空航天巨头占一半),其他10%左右的是由学术和政府机构,如NASA,以及包括西门子和卡拉什尼科夫康采恩在内的大型非航空航天公司。这些数据突显出来自传统航空航天和国防领域外的兴趣与航空航天业内相比是更强的。

从使用模式来看,大多数电动飞机都在朝着通用航空(GA)或城市空中出租车(UAM)方向发展;从项目来源地区看,大部分的开发都发生在传统的航空市场,即欧洲(45%)和美国(40%)。但在其他地方也有一些值得注意的动向,特别是中国的亿航电动垂直起降飞机,以色列Eviation支线飞机,巴西航空工业公司与优步合作提出的空中出租车概念等;从技术上来说,大多数项目都是全电动的,电池是唯一的动力来源,主要目标是GA和UAM市场。罗兰贝格公司表示,针对区域和大型商用飞机市场的更大的开发项目大多是混合动力的,并使用传统的基于碳氢化合物的燃料来提高功率输出和/或扩展航程。目前大部分的项目都是使用螺旋桨,大约有三分之一的项目使用涵道风扇。

除了罗兰贝格咨询公司,美国垂直飞行协会(VFS,成立于1943年,前身为美国直升机协会,是世界上唯一一个由工程师、科学家和其他致力于推进垂直飞行技术的人组成的国际技术协会)也关注到了电动飞机的发展热潮,并于2016年底开始编制世界eVTOL飞机目录(www.eVTOL.news),2017年正式推出。当时eVTOL对于工业界还是一个陌生的名词,最初收录了6种飞行器。该目录于2018年1月收录了第50项条目,2018年7月收录第100项,2019年1月则升至150项。目前已经收录了约200项eVTOL。

综合罗兰贝格咨询公司以及美国垂直飞行协会的研究成果,并结合我们对电动飞机发展动态的跟踪,中国航空工业发展研究中心统计,截至2019年10月底,全球共有电动飞机项目约240项(部分已取消项目未包含)。按照上文中电动飞机的六个类别,矢量推力有75项,悬停滑板/私人飞行装备38项,升力+巡航复合构型28项,多旋翼无机翼构型44项,电动直升机12项,电动非垂直起降固定翼飞机43项。

上述项目中,已经作为产品取证交付的仅有辽宁锐翔RX1E(获得CAAC的适航证,交付用户14架)和斯洛文尼亚Alpha Electro(获得澳大利亚CASA适航证,已向澳大利亚、美国、法国、挪威、加拿大等国用户交付作为飞行训练机,该项目已落户江苏句容,计划明年启动CAAC的PC证申请工作);由谷歌创始人拉里•佩奇投资成立的Kitty Hawk公司研制的2座复合推进式电动飞机Cora获得了新西兰民航局CAA和美国FAA的实验类飞机适航证,目前正在试飞;其余项目中,至少有100个项目的原型机或者缩比验证机已经首飞,几乎占总数的一半。

2.2 典型项目/产品介绍

由于电动飞行项目数量多,且成熟度不一,限于篇幅,本文将从每一种类别中选择1-3个典型项目进行介绍。

2.2.1矢量推力电动飞机

(1)空客伐诃那验证机

伐诃那(Vahana)空客位于美国硅谷的A3分部开发的一款单座、自动驾驶eVTOL验证机,该机宽6.2米、长5.7米、高2.8米,重745千克,计划于2020年推出量产版。

伐诃那验证机拥有两组倾转机翼,每组机翼上装载有4个45千瓦的电机,配装3桨叶的螺旋桨。该机于2018年1月31日成功完成首次悬停飞行测试,9月开展悬停-巡航转换飞行试验。2019年5月3日,Vahana在第58次飞行测试中完成了首次垂直和前向飞行之间完整过渡;2019年6月,Vahana在巴黎航展进行了展示;2019年11月14日完成的第138次飞行测试标志着项目结束。

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图 4伐诃那原型机首飞场景

作为空客进军UAM市场的第一款验证机,空客成功实现了全电动垂直起降飞行和自主飞行,并加深了对eVTOL商业模式的理解,为空客继续深耕UAM市场奠定了良好的基础,同时也给其他相关方提供了有益的借鉴。想详细了解伐诃那项目的读者可以点击查看我中心穆作栋博士1月14日在本号发表的文章《穆作栋丨空客Vahana演示验证计划详解(上)》。

(2)德国百合喷气电动飞机

德国创业公司百合航空(Lilium,2017年,百合公司在B轮融资中获得了由腾讯领投的9000万美元的资金)设计的百合喷气(Lilium Jet)电动飞机于2016年10月获得了欧洲“你好,明天”挑战赛大奖。该机使用36个小型倾转涵道电动风扇(主翼24个,鸭翼12个)作为推进系统,商载200千克,巡航速度300公里/时,航程300公里。百合喷气的2座版本于2017年4月首飞。随后,公司的工作重心转移至加大版5座电动飞机的设计和生产。2019年5月16日5座百合喷气首飞,公司计划2025年将5座型号投入商业运营。

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图 5 5座百合喷气已经测试了垂直飞行向前向飞行的过渡,但风扇尚未在飞行中倾斜至完全水平状态。

百合喷气的36个电动涵道风扇每组三个安装在机翼和鸭翼上,共12组,飞机由1兆瓦的锂离子电池供电。风扇安装在襟翼上,襟翼向下倾斜可提供升力,位于水平位置可提供前飞动力。在翼载飞行中,仅需要不到其最大功率(2000马力)的10%就可维持巡航。

截至2019年10月底,百合喷气在试飞中达到了100公里/小时的前飞速度,试飞员还进行了与实际操作中相似的25度滚转角的转弯飞行以及高速率爬升和下降。此外,该团队还进行了高偏航角速度的悬停转弯,并展示了侧向平移。百合公司表示,进行的安全测试包括风扇和襟翼故障以及保险丝烧断,所有这些都可以通过飞行和电气控制系统来缓解。

百合公司将其未来发展定位为空中出租车运营商,不仅在全球范围内制造飞机并提供服务。乘客将使用百合应用程序APP并乘坐百合品牌的飞机飞行。公司希望至少在服务的最初5至10年内,采用有人驾驶方式运营,直到监管制度和乘客接受允许自主飞行为止。

作为投资者最支持的eVTOL初创公司之一,百合公司正在建设一个新设施,以扩大其工程能力并为生产铺平道路。如今,它在慕尼黑基地拥有约350名员工。借助新设施,百合预计到2025年将创造约500个就业机会。

(3)乔比航空S2/S4电动飞机

美国乔比航空是目前城市空运领域获得最大一笔投资的企业。该公司成立于2009年,总部位于加州圣克鲁兹。公司已经秘密地对其全尺寸eVTOL——2座的S2进行了1年左右的试飞。

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图 6乔比航空2015年公布的S2飞机于2017年首飞

乔比航空最初在2015年推出的2座级S2飞机采用了12倾转/折叠旋翼提供升力(部分旋翼在巡航阶段可以折叠以降低阻力),在机翼和尾翼梢部再增加4个推进桨提供推力。而最新推出的5座级S4采用了6倾转旋翼。据较早向乔比投资的品趣志联合创始人保罗·斯艾拉介绍, S4的飞行速度比直升机快,并且能够单次充电飞行240公里。据悉,S4最大起飞重量为1815千克。

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图 7鲜有的乔比航空S4设计图像

2.2.2悬停滑板/私人电动飞行器

(1)匈牙利Flike电动悬浮飞行器

Flike 个人飞行器由匈牙利湾佐尔坦非营利公司(BayZoltán Nonprofit)设计,能在数米高空悬停。该机设计时速100公里,最大起飞重量400千克,航时1小时。

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图 8 2015年3月,Flike电动悬浮飞机首飞

2015年3月7日,Flike首次载人试飞在匈牙利东北部的米什科尔茨机场举行,当时 Flike 搭载 210 千克的重量起飞,并飞行了几秒钟。2015年4月30日的第二次试飞中,Flike 搭载 240 千克的重量起飞,并能够在空中悬停和机动,完成了超过1分钟的首次载人飞行。

(2)法国Flyboard飞行滑板

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图 9 2017年3月,Flyboard悬浮滑板创造了滑板飞行的最远世界纪录

法国喷气滑雪冠军和世界摩托赛艇冠军弗兰克·扎帕塔2016年 4月份推出了喷气动力“悬浮滑板”Flyboard Air,它可以时速150公里的速度飞行。2017年3月,扎帕塔再次惊爆世人眼球,他操控Flyboard Air飞行了2252米,打破了滑板飞行的最远世界纪录。

2.2.3升力+巡航复合电动飞机

(1)Kitty Hawk的2座Cora空中出租车

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图 10 Kitty Hawk公司Cora空中出租车

谷歌联合创始人拉里·佩奇投资的Kitty Hawk公司开发了2座的Cora空中出租车。Cora于2018年3月发布,该机采用12旋翼复合推进构型,最大速度约为180公里/时,航程约100公里,飞行高度为150至910米之间,飞行时间20分钟。Cora首架测试机已于2017年10月运往新西兰,并获得了FAA和新西兰适航当局的试验类适航证,目前正在新西兰开展飞行试验(试验由新西兰西风飞机公司负责)。

(2)波音公司的2座自主客运飞机(PAV

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图 11极光自主客运飞机(PAV)首飞场景

波音公司旗下激光科学公司开发了2座自主客运飞机(PAV)。该公司已在其位于弗吉尼亚州马纳萨斯的总部进行了全面的eVTOL测试。该机由全电推进系统提供动力,设计目标是具备从起飞到着陆的全自主飞行能力,最大起飞重量800千克,巡航速度180公里/小时,航程80公里。2017年4月,1/4缩比验证机首飞;2019年1月22日,全尺寸原型机首飞。

(3)EmbraerX公司的DreamMaker城市空运飞行器

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图 12造梦者(DreamMaker)城市空运飞行器

EmbraerX是巴西航空工业公司的颠覆性创新子公司,总部位于美国,负责为城市空运开发eVTOL飞机。2018年5月8日,EmbraerX在第二届优步提升峰会上公布了eVTOL概念图,该机采用8旋翼加1个尾部涵道推进桨构型。目前,经过优化的方案为4座,最大起飞重量1吨,采用第五代电传系统,8旋翼加2个推进涵道风扇的构型。

2.2.4多旋翼无机翼构型(略,典型产品如Volocopter公司VC200和中国亿航184/216等)

2.2.5电动直升机

(1)法国Aquinea公司Volta直升机

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图 13 Volta电动直升机

Volta电动直升机由Aquinea公司和法国国家民用航空学院共同研发;设计最大起飞重量520千克,最长航时40分钟。2016年12月3日,它创造了15分钟载人试飞的世界纪录。该机采用的电动机由Enstroj(现在的EMRAX)生产,功率为122马力(90千瓦),所带电池容量22千瓦时。

(2)美国Jaunt Air Mobility公司电动直升机

 

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图 14 Jaunt Air Mobility LLC电动直升机

美国Jaunt AirMobility是一家成立于2018年5月的初创公司。该公司使用由Carter Aviation开发的减速旋翼技术来参与优步提升计划。该机旋翼为可变转速,当飞行速度达到278公里/时,旋翼转速为0,升力全部由机翼提供。

2.2.6电动非垂直起降固定翼飞机

(1)以色列Eviation 公司Alice电动通勤飞机

 

爱丽丝(Alice)电动通勤飞机由以色列初创公司Eviation研制,公司计划到2021年底获得该机型号合格证。爱丽丝是一款由三个电动机驱动推进螺旋桨的9座全复合材料飞机,三个推进螺旋桨中一个安装在飞机尾部,另外两个安装在机翼翼尖,螺旋桨在翼尖涡流中旋转,可提高推进效率。该机最大起飞重量为6350公斤,机身内安装有3800公斤电池,可提供900千瓦时的能量(特斯拉最高可达100千瓦时),电池重量占飞机总重60%。可使爱丽丝飞机的航程达1000公里,巡航速度达到444公里/时。

Eviation已经吸引了几家风险分担合作伙伴。这些公司包括生产电传操纵系统计算机和驾驶舱的供应商霍尼韦尔公司,以及生产螺旋桨的哈策尔公司。韩国的Kokam(2018年11月被以色列智能能源和逆变器提供商Solar Edge以8800万美元收购75%的股份)已被指定为锂离子电池的原始供应商。西门子eAircraft部门为爱丽丝原型机提供260千瓦SP260D电机,同时MagniX提供了Magni250电机作为选装配置。

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图 15 Alice电动支线飞机

(2)美国安飞公司电动EEL

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图 16安飞基于赛斯纳337“天空大师”改装的混合电动飞机

位于加利福尼亚州的电动飞机公司安飞在塞斯纳337“天空大师”的基础上,经过改装研制的混合电动飞机“安飞电动EEL(AmpaireElectric EEL)”已于2019年6月进行了首次试飞,目标是在2021年完成适航认证。该公司已计划在年底前开始对夏威夷莫库勒勒支线航空公司(Mokulele Airlines)旗下的航线进行测试。以莫库勒勒公司为代表的很多航空公司对电动化的期望是希望保留公司机队的飞机,并将其动力系统改进为电推进。在目前的塞斯纳337试验台中,电动机取代了机身后部的活塞发动机;安飞和MagniX公司下一步的目标则是利用电动机取代PT6A等涡桨发动机,从而为塞斯纳凯旋和双水獭等飞机提供动力。

2019年6月,安飞公司透露,已与来自美国的PAX(Personal Airline Exchange)公司签订协议,PAX公司订购了50架安飞混合电动飞机,另外还预留了50架该款飞机的意向订单。此外,安飞已与挪威支线航空运营商温德勒航空公司(Wideroe)签署了合作意向书,同时还与挪威机场网络规划开发和运营公司Avinor开展合作,预计在2040年之前将可再生充电基础设施纳入机场。

(3)空客E-FAN X混合电动支线飞机验证机

 

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图 17罗•罗与空客和西门子公司合作推出混合电动E-Fan X验证机

空客和罗·罗有望在2020年开始将BAe 146 / RJ100客机改装为E-Fan X混合电推进验证机,从而进入兆瓦级电气系统时代。随着罗·罗对西门子电推进部门的收购,在发电系统、电力电子设备之外,罗·罗还将完全负责电推进系统的研发工作,包括2兆瓦电动机和逆变器。空客公司则负责将混合电推进系统与飞机进行集成,同时负责锂离子电池组以及3千伏交流/直流配电系统。两家公司共同负责热管理和控制架构。

E-FAN X验证机中央位置的2.5兆瓦发电机基于罗·罗AE2100涡桨发动机,该发电机为座舱地板下方的电池组供电。使用1台电动机替换了原有4台霍尼韦尔LF507涡扇发动机中的1台,用于驱动罗·罗AE3007螺旋桨提供推力。E-FAN X的飞行测试计划于2021年开始。

2.3 全球电动飞机研发主要特点

纵观全球电动飞机研发现状,有以下五大特点值得关注。

(1)大量企业/机构跨界参与

近年来,电动航空已经吸引了包括波音、空客、罗·罗、通用电气、洛马、贝尔、西科斯基、巴西航空工业、德世隆等传统主要航空厂商以及西门子、博世、英特尔、谷歌、优步、丰田、戴姆勒、大众、吉利等在内的大量机电、软件和汽车等相关企业,以及美国的NASA、DARPA、德国DLR、日本JAXA等大量各国研究机构和院校。

(2)多国政府大力支持

欧洲、美洲和亚洲多国已将电动航空作为产业融合创新发展的重点领域进行大力扶持,包括美国、德国、日本、瑞士、法国、挪威、加拿大、阿联酋、印度、澳大利亚、新西兰等,美国洛杉矶市、达拉斯市宣布与优步合作eVTOL试点。包括阿姆斯特丹、日内瓦、汉堡、奥迪总部所在地英戈尔施塔特等在内的欧洲13个城市已开展17个eVTOL试点项目,欧盟已将城市空中交通试点项目纳入智慧城市总体规划。

(3)eVTOL电动垂直起降机型备受关注

eVTOL电动垂直起降机型由于其新颖的设计、与相关技术最直接的跨界应用、与空地一体化城市发展最紧密的联系,成为在研机型最多、技术发展最快、吸引投资最多的电动机型(占项目总数的80%以上)。空客、波音、戴姆勒、大众、奥迪、保时捷、丰田、阿斯顿马丁、吉利等多家汽车企业已经通过股权投资、技术合作等方式参与eVTOL项目,几十个eVTOL原型机/缩比验证机已开始试飞。

(4)受技术限制能源形式相对单一

纵观目前的全部电动飞机项目,受限于电池技术发展,全尺寸原型机已经首飞或者产品已经交付的纯电动飞机最大起飞重量基本在1.5吨以内(4座以内),且能源存储绝大多数采用锂离子电池,极少数采用其他电池种类。美国Bye航宇公司的eFlyer采用锂硫电池,以色列城市航空的城市鹰、德国DLR的HY4等采用氢燃料。其中, HY4是世界上第一架由氢燃料电池驱动的四座客机,该飞机已于2016年首飞。研究团队目前正在开展新一阶段的研究工作,计划至少将燃料电池的性能提高一倍,并将氢气的存储效率提高三倍。

(5)电动短途通勤机型发展迅速

随着电池技术的快速发展,四座以上电动飞机的技术成熟度已逐渐具备商业运营可行性,很有可能是最先实现规模化、商业化运营的电动飞机。北欧地区国家已经先后宣布了雄心勃勃的电动航空运输计划。瑞典政府计划到2030年,所有国内航班不再采用化石燃料,而是改用生物燃料或电动飞机,计划到2045年往返瑞典的国际航班也不再采用化石燃料。挪威目标到2040年,所有国内航班采用电动飞机,电动航空成为挪威的电动大交通战略的组成部分,届时挪威国内全部交通方式实现零排放。2019年9月25日,北欧电动航空联盟在挪威成立(The Nordic Network for Electric Aviation ,简称NEA),该联盟由北欧六国部长联席会议下属的 “北欧创新机构”牵头组建并提供启动资金,创始发起单位包括北欧航空(SAS)、芬兰航空、挪威机场管理集团等。

2.4典型企业的电动飞机发展策略

本节将主要分析三家典型企业/机构在电动飞机方面的研发策略。我们选取的典型企业/机构分别是:NASA(科研机构代表)、空客(飞机制造商代表)、赛峰(发动机制造商代表)。

2.4.1 NASA——干支线、城市空运、通用飞机三条路线同步推进

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图 18 NASA推动电动飞机发展的路线图(NASA和航空密切相关的四大研究中心全部参与)

NASA对电动飞机的研究起步较早、项目设置系统全面。电动飞机整机关键技术研究方面,NASA同时推动干支线电动飞机、垂直起降电动飞机(载客1人以上,用于城市空运)、传统短距起降电动飞机(载客4人以上,用于通勤)三类产品的关键技术研发。在干支线飞机方面,开展了STARC-ABL、ECO-150、N3X等飞机关键技术和概念方案研究;在垂直起降小型飞机方面,开展了GL-10倾转分布式电推进机翼、5座eVTOL关键技术和概念方案研究;在传统短距起降电动飞机,开展X-57麦克斯韦分布式电推进验证机研制以及联合初创企业开展9座级通勤飞机方案设计。

X-57麦克斯韦是NASA近十年内重新推出的X系列航空新技术验证平台,于2016年6月公开,由NASA综合航空系统计划(IASP)飞行试验能力(FDC)计划支持发展,用于试验高度集成的分布式电推进技术。该机改装自一架意大利泰克南 P2006T双发轻型飞机,飞机原有机翼改装成大展弦比机翼,原有的2台活塞发动机取而代之以分布在机翼上的14台电机,这些电机通过驱动螺旋桨为飞机提供动力。其中,12台9千瓦小型电机嵌装于机翼前缘,用于起飞和着陆;2台60千瓦大型电机安装于两个翼尖,在飞机巡航阶段提供动力。X-57将采用电池为电机供电,双余度电池系统将安装在机舱内,每个电池系统包括16个由320个单元组成的模块。X-57的最大航程约161千米,飞行时间为1小时甚至更短。X-57项目将通过4个阶段(对应MODⅠⅡⅢⅣ四个构型)最终实现分布式电推进试验飞行,每个阶段这架P2006T飞机将进行不同内容改装。2019年12月,NASA开始对第一架X-57验证机(MOD Ⅱ构型)的各系统进行地面测试,为2020年第三季度开展飞行测试铺平道路。

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图 19 X-57最终的ModIV构型

除了整机关键技术方面,在部件关键技术方面,NASA正在投资提高轻型、高效电机、发电机和配电系统的技术成熟度,确定中期概念桶状机身和机翼布局所需的最佳涡轮系统和边界层抽吸系统。其中, NASA资助开发的兆瓦级电动机正在伊利诺伊大学(1兆瓦,功重比13千瓦/千克,效率大于96%,永磁同步)和俄亥俄州立大学(2.7-10兆瓦,功重比13千瓦/千克,效率大于96%,感应异步)进行。NASA格伦研究中心在设计一台1.4兆瓦(功重比16千瓦/千克,效率大于98%,绕线异步)的电动机。

在基础设施方面,NASA格伦研究中心正在建设电推进飞机试验台(NEAT),NASA阿姆斯特朗飞行研究中心建造了电动机试验台天空伏特(AirVolt,功率为100千瓦,同时能承受500磅的推力,能对电压、电流、功率、扭矩等方面进行测试)、电动飞机控制系统测试设施(混合动力电推进综合系统试验台(HEIST,功率可达到200千瓦级别,能提供涡轮电分布式飞机真实的交互、延迟、动态响应、故障条件和其他相互依赖性试验)。可以说,NASA电推进飞机研制所需要的各模块都已准备就绪,预计2025年前对大型电动飞机构型进行测试,并有望于2035年投入使用。其中,NEAT试验台用于实现未来单通道飞机全尺寸、实际飞行重量下的电推进系统地面试验。NEAT的设计采用了可重构的架构,工业界、学术界和政府都可以利用这种架构进一步开发成熟的电动飞机技术。该试验台旨在与现有的其他设施互补,将电推进系统的技术成熟度(TRL)提高到6级,为飞行试验做好准备,NEAT的测试功率水平高达24兆瓦、汇流条电压高达4500伏。

王元元丨全球电动飞机发展概览(一)

图 20 NASA电动飞机试验台(NEAT)

2.4.2 空客——全谱系产品覆盖,以eVTOL为切入点进入UAM

空客很早就开始关注电推进技术,从小型通用飞机入手,逐渐提高功率等级,研制验证机,同时提出了远期产品发展规划。

小型通用飞机方面,空客已经研制了Cri-Cri单座电动飞机(2010年9月7日首飞)、与西门子联合研制的E-FAN1.1(30千瓦级别电动机)在2015年实现跨英吉利海峡飞行、与钻石飞机公司合作开发了基于DA40的混和电动飞机。

支线飞机方面,空客2017年公布了支线飞机级电推进飞行验证机E-Fan X。该机作为开发混合电推进单通道客机的前期探索,可能在3年内试飞。空客的方案是改装一架BAe 146支线客机,用一个2兆瓦级涡轮发电机和电池为电推进器提供动力,替代飞机上的4个涡扇发动机中的1个或2个发动机。E-Fan X将研究热管理、电磁干扰以及高空大功率电系统有关的电弧、局部放电和辐射效应。

大型飞机方面,空客与西门子还在开发空客A320级别的飞机用的混合电推进技术。这需要巡航阶段产生20兆瓦电,最大功率为40兆瓦。此外,空客与罗•罗合作提出的E-Thrust混合电单通道概念飞机有望在未来20年内成为现实。

近几年来,随着全球城市空运概念的兴起,空客也开始重点研发eVTOL,试图以其为切入点率先进入UAM市场。空客目前正在推进2个城市空运飞行器计划,分别是位于美国硅谷A3分部(2015年成立)负责的单座伐诃那(Vahana)以及位于德国多瑙沃尔特的空客直升机负责的4座城市空客(City Airbus),均为全电推进形式。为了协调城市空运计划的研发,空客于2018年创建了城市空运部门(UAM),该部门位于德国奥托布伦市,靠近空客公司技术办公室和无人驾驶航空系统部,空客直升机位于多瑙沃尔特的工厂也在附近。空客目前正在将所有城市空运的研发活动集成到UAM部。

空客伐诃那已在上文介绍,此处不再赘述。另一款四座eVTOL飞行器City Airbus是一型四座垂直起降飞行器,2019年5月3日在德国空中客车直升机飞行测试中心进行了首次无人系流飞行。据空客集团德国地区总裁沃尔夫冈·肖德(Wolfgang Schoder)介绍,City Airbus的巡航速度为120公里/小时,其动力由四组同轴反转涵道风扇提供,风扇由8个100千瓦的电动机驱动。City Airbus选用了纯电动设计,以满足低噪音、零排放的环保要求,其储能系统为4枚总能量为140 千瓦时的动力电池,可各自提供140千瓦峰值功率,设计最大航程为50公里,具备全自动驾驶功能。City Airbus的电机、电力电子设备由西门子公司提供。

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图 21空客City Airbus

根据空客亚太城市空运战略负责人德里克·程(Derek Cheng)介绍,City Airbus目前面临着3个设计方面的困难,一是能量存储技术,需要开发高能量密度的电池,以支持超过15分钟的飞行;二是自动飞行控制系统的成熟度;三是噪音水平,空客正在开展相关工作,旨在控制飞行器的噪音水平,噪音上限为65分贝,与过往的地铁噪音水平接近。空客估计最早到2025年在慕尼黑等大城市进行商业运营。

2.4.3赛峰——大力发展多电和混合电推进技术

(1)全面规划,发布推进系统技术路线图

随着航空电气化的发展,对于多电、全电飞机的技术探索步伐不断加快,已经成为航空航天技术发展的重要趋势。电动飞机投入使用的实际时间表取决于多种因素。赛峰集团正为实现这些长期市场变革做提前计划,从较短航程和相对局限的解决方案开始,同时等待能够存储和提供飞机推进所需电力的足够成熟的技术。

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图 22赛峰预测的飞机电气化发展趋势

2017年10月,赛峰集团公布了其电推进技术发展路线图。该路线图认为:2030年前实现初步混合电推进(起飞、爬升和慢车推力的10%为电力提供);2035年实现带边界层吸入的混合分布式电推进(推力的20%~50%为电力提供);2040年实现100%电推进;近期关注更高涵道比涡扇发动机和更高的飞发集成。

(2)开放式创新推进多电技术发展

多电与全电飞机是赛峰集团开放式创新政策的核心。赛峰是一家公私合作技术研究中心IRT Saint-Exupery的资助企业,该中心致力于将多电飞机作为其三大研究领域之一;赛峰于2017年与阿尔斯通签署了一份技术合作协议,根据该协议,两家合作伙伴将结合各自电推进相关的技术和专业知识,并与学术机构和创新型小企业进行合作;赛峰与汽车零部件巨头法雷奥达成协议,使赛峰能够进一步扩大其对适用于电动机生产的工业设施的研究。根据一些研究,这些电动机的生产率必须比目前喷气发动机的交付率提高十倍;集团旗下的赛峰企业风险投资公司收购了英国公司OXIS Energy(高能量密度电池中锂硫电芯的领导者)的股权,以及Turbotech(由四位前赛峰员工创建的法国初创公司,正在为通用航空开发一系列创新的涡桨发动机和电动涡轮式发电机)的股权。

目前,赛峰在“多电”技术方面已经做出了显著的成绩。赛峰已提供能够取代传统气动和液压系统的各种电气系统,包括除冰、飞控作动器、反推装置和刹车等。

典型的成果包括电滑行生产步入正轨和多电辅助动力装置(eAPU)。赛峰集团提供的首个电滑行解决方案。该方案在起落架上装有一个由APU提供动力的电动机,让飞行员不再需要通过启动喷气发动机进行滑行。目前赛峰集团正与空中客车公司合作开发这一创新解决方案,以用于A320neo/ceo。目标投入使用时间为2022年。

赛峰集团的主要研究重点之一是如何转变APU的角色,以优化飞机的能源系统和发动机性能。若将推进和非推进电源管理看作是一个整体,APU可通过在不同的飞行阶段处理更多功能来发挥越来越大的作用。赛峰的eAPU向此方向迈出了第一步,公司正在研究更先进的概念,即PODS(按需供电系统),这是一款智能第二发电机,当飞机从APU获取动力比从喷气发动机获取动力更具优势时,它将自动启动。

(3)大力发展混合电推进系统

赛峰目前探索的混合动力推进解决方案为多旋翼垂直起降航空器提供了有效方法,公司致力于在2025年前成为混合动力推进系统技术的市场领导者。

赛峰位于法国中西部尼奥尔(Niort)的工厂拥有全球最卓越的电气系统测试设施之一。该设施占地约26000平方米,用于测试和认证当今领先飞机(空客A350、波音787等)的电气系统和设备,同时也为赛峰集团R&T团队测试未来多电与全电解决方案提供优质资源。

2018年10月,赛峰集团被Zunum Aero公司(波音和捷蓝航空合作投资)选中为混合动力小型支线客机ZA10提供动力系统解决方案。2019年1月7日,赛峰混合动力推进系统的首次应用产品贝尔“空中出租车”Nexus正式在拉斯维加斯的国际消费类电子产品展览会上亮相。该机推进解决方案能够输出600多千瓦的功率。在2018年6月进行的地面测试中,该系统的供电功率已达到100千瓦,并将在明年开展进一步的测试。

赛峰正在开发功率输出从45到500千瓦的一系列电动机。EngineUS 45(效率超过94%,功重比达到2.5千瓦/千克,转速为2500转/分)电动机的效率超过94%,2500转/分时的功重比为2.5千瓦/千克,该电动机的应用包括法国支线飞机初创公司VoltAero的卡西欧1混合电推进试验平台,大合集团、空中客车和赛峰联合开发的基于TBM涡轮螺旋桨飞机的EcoPulse分布式混合电力推进验证机等。

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图 23 VoltAero基于塞斯纳337天空大师改装的混合电推进验证机——卡西欧(与安飞公司不同的是,卡西欧将天空大师前部的活塞发动机取消,替换为两台机翼撑杆安装的赛峰EngineUS 45电动机)

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图24 2019年巴黎航展上大合、空客和赛峰联合推出EcoPulse分布式混合电推进验证机

2.5电动飞机发展趋势

2.5.1技术发展趋势

电动飞机技术也和电动汽车技术发展一样,经历了一个漫长的发展过程,其核心技术大致可以总结为4 项:总体设计技术、高效高功重比电推进技术、能量综合管理技术、能源系统技术。

(1)总体设计技术

电动飞机总体设计可突破传统架构的限制,具有广阔的设计空间,具体包括气动-结构-推进一体化设计技术和气动布局创新设计技术。未来的发展趋势是分布式电推进与机体的更佳融合、采用更多的新构型,气动效率和推进效率更高。

(2)高效高功重比电推进技术

主要包括电动机、电机控制器、螺旋桨等技术。其中,电动机功重(功率密度)比直接决定电动飞机的性能,目前应用的电机主要有永磁电机和交流异步电机等。根据推进电机的种类、额定转速和冷却方式的不同,电机的功重比也有很大的差别。目前,电机的最大功重比在10千瓦/千克以下。在电动飞机中,要想继续增加电机的功重比,就需要在推进电机的热设计、磁性能设计、结构冷却设计等方面要有技术创新,这样才能提升推进电机功重比。预计在2030年代可以达到20千瓦/千克。

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图 25罗·罗公司描述的电动机/发电机、电力电子设备(整流器、逆变器等)、能源存储设备功率密度的发展趋势

(3)能量综合管理技术

能量综合管理技术是推动飞机由传统架构向电动飞机发展的关键因素。飞机电网容量迅速提升、负载特性日趋复杂,对配电系统的性能和可靠性提出了更高的要求,综合电力电子控制技术将在电动飞机发展中发挥重要作用;同时电动飞机的电源、电力电子设备、电机等对热管理提出了极高的需求。为了满足电动飞机对配电和热管理的需求,应当开展飞机电网架构、电力电子技术、热管理技术等的研究。

(4)能源系统技术

能源系统是电动飞机的供能组件,其性能从根本上决定了飞机的续航时间、航程以及运营成本。能源系统的能量密度是决定电动飞机性能的重要参数。当前,电动飞机多采用三元锂离子电池,它的能量密度在300-350瓦时/千克,未来预计以每年5%的速度缓慢提高,预计2030年可以达到500瓦时/千克;但更高的能量密度预计需要新的化学介质,锂硫磺、锂金属、锂空气是不错的选择,其中锂空气电池的理论重量能量密度可以超过10000瓦时/千克,与航空煤油的当量能量密度基本相当。氢燃料电池也有着广阔的发展前景,它具有清洁、能量密度高(航空煤油3倍,三元锂离子电池100倍)、加注燃料快捷等优点,未来发展需要解决高压存储、重量、成本等问题。此外,美国NASA和阿贡国家实验室联合研制的纳米电燃料液流电池(NEF)也具有相比当前锂离子电池更高的能量密度(1.5-2倍)和安全性。预计NEF电池2023年能量密度可达750瓦时/千克。

2.5.2市场展望

根据美国NASA、优步、摩根斯坦利等各类机构的多个分析,预计电动航空2025年实现商用化,2030年规模化应用,预计到2035年,包括制造、运营、载人城市交通、物流等总体市场规模将达5000-15000亿美元。2018年12月,摩根斯坦利发布了一份85页的电动垂直起降机型市场分析报告,认为到2040年,电动垂直起降市场总体规模有望达到近1.5万亿美元,其中8510亿美元是载人城市空中交通市场,4130亿美元是城市物流市场,120亿美元是军用市场,另有1980亿美元是价值链市场,包括电池、软件等,报告列出了“eVTOL 50”的推荐企业名单,涵盖整机制造、软件、运营商等,既包括波音空客这样的传统航企,也有许多初创企业,既有亚马逊这样的运营商,也有苹果、佳明、微软、保险公司等价值链企业。

在用于城市运输的电动无人驾驶飞机方面,据保时捷管理咨询有限公司(创立于1994年的一家德国领先的管理咨询公司)2018年的预测,面向巡检、货运和客运无人机(多位电动飞机)以及支持服务的整体市场将在2035年达到大约740亿美元的规模。巡检无人机将占据高达340亿美元的市场,其次是客运无人机的320亿美元(城市内部和城市之间的市场分别为210亿美元和110亿美元)、货运无人机的40亿美元以及支持服务的40亿美元的市场。对于城市客运无人机,其市场将从2025年(10亿美元、500架VTOL飞行器)开始起步,以35%的年复合增长率(CAGR)快速发展,2030年达到40亿美元和2000架,2035年达到210亿美元和1.5万架。

(航空工业发展中心 王元元)

 

 

 

原文始发于微信公众号(民机战略观察):王元元丨全球电动飞机发展概览(一)

 

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