王元元丨全球电动飞机发展概览(二)

【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发展机遇和挑战、国外电动飞机发展给我们的启示,提出对我国发展电动飞机的建议。最后,将附上全球电动飞机研发项目一览表。

1 电动飞机发展面临的机遇和挑战

1.1 机遇

1.1.1 三大因素可能“引爆”全球商用电动飞机市场

商用电动飞机已具备“引爆”市场的基本条件。一是科技明星成为电动飞机的代言人。近几年的电动飞机项目的发起者和代言人多是科技明星和商界巨头,他们具有极大的影响力和号召力,可以激发全社会对电动飞机强烈的兴趣。二是丰富的产品类型增强了电动飞机的产品黏性。电动飞机具有结构轻巧、响应快速、易于智能控制等特性给各种应用设计打开了一片极为广阔的新天地,产品覆盖垂直起降多旋翼、倾转旋翼、飞行汽车、分布式固定翼等多种类型。三是重视环保、鼓励创新的社会环境利于电动飞机发展。欧洲近年来对环保和降噪的要求越来越严。欧盟2012年已率先开展了民航业的碳排放交易。电动飞机是航空业实现减排目标的必然选择。此外,美国硅谷一大批富有创新精神的年轻新贵成为了推动美国电动飞机发展的最重要的力量。

1.1.2 我国发展电动飞机面临难得机遇

(1)国家高度重视

国家制定的通航十三五规划中专门提出要“推动新能源飞机发展”。科技部和交通运输部联合发布的《“十三五”交通领域科技创新专项规划》中也指出两个发展重点,一是发展新构型新能源通用航空飞机技术;二是发展新概念新布局无人运输机及现有机型无人化技术,包括针对翼身融合布局/支撑翼布局等新构型与燃料电池、氢燃料、混合动力等新能源无人运输机概念方案。

(2)管理部门积极制定相关政策

2019年以来,我国民航总局先后发布eVTOL相关的重要文件,走在了世界前列,包括《基于运行风险的无人机适航审定的指导意见》和《无人机试运行管理规程》,从政策上为eVTOL的适航和运行建立了框架,eVTOL机型已经可以依照这两个文件在我国开展试运行。

2019年10月16日,在石家庄举行的电动航空论坛上,有多家单位联合发起、在中国民航局航空适航审定司司长徐超群先生的见证下,“电动航空适航标准专业委员会”成立。2019年11月26日,电动航空适航标准专业委员会第一次会议在北京召开,会议审议通过了《电动航空适航标准专业委员会章程》,标志着专委会的正式成立。

(3)顺应电动大交通发展趋势

电动交通业在我国发展迅速,自2015年以来我国已成为世界上最大的电动汽车市场,我国发展成熟的巨大的电动交通市场为电动航空发展奠定了良好的政策、技术、用户心理、社会舆论和市场基础。电动航空特别是垂直起降机型引领的城市空中交通应用符合电动汽车产业提倡的电动大交通和空地一体化发展方向,以及智慧城市总体规划。

1.2 挑战

尽管电动飞机展现了极大的潜在优势以及业界对电动飞机表现出明显的热性,但电动飞机距离真正商业化应用还存在诸多障碍,主要包括技术和监管障碍。

1.2.1 多项关键技术还有待突破

电动飞机的关键技术包括长寿命、高可靠、高能量密度储能技术,轻质、高效、高功率密度发电机/电动机技术,高压、大功率、高安全电力系统技术,电动系统和飞机一体化设计与集成技术等。在储能技术方面,目前的锂离子电池能量密度仅能达到300瓦时/千克左右,距离行业公认的商用电动飞机入门标准(500瓦时/千克)还有较大差距,电池的寿命和安全性设计能力也亟待提高;发电机、电动机、电力电子设备的功率密度也需要实现3~4倍的提高才可在大型商用飞机上应用;飞机电力系统架构需要适应从当前最大的540伏增加到几千伏,还面临绝缘设计、防电弧设计、机上电磁耦合、防宇宙辐射设计等难题;电动飞机总体设计方面,如何发挥分布式电推进与机体的集成收益还需要开展深入研究。

1.2.2 新的市场监管法规有待制定

为了发挥电动飞机的潜力,需要对新技术、新运营系统制定新的、有效的监管法规。新技术方面,相关使能技术(大容量电池、高压输配电、翼身融合新型布局等)必须通过适航认证,这需要对现有的法规进行更新。2017年,FAA和EASA已经发布了修订的23部规章,初步考虑了包括电动飞机在内的新技术的采用,并还在持续完善,而针对25部规章的修订还有很多工作要做。运营方面,如果电动飞机进入城市空运领域,则需要进行广泛的监管改革,一方面是对城市空运系统本身进行适航和监管,另一方面也要使城市空运系统与其他城市基础设施(如电网、路网、建筑物等)进行结合和综合监管。

2 国外电动飞机发展分析和国内发展建议

2.1 电动飞机或将变革传统航空业格局

电动飞机不是简单地将传统飞机燃油动力替换为电动力,而是对传统飞机设计理念的颠覆,将对飞机设计、研制、运营的产业链各阶段产生重要影响。

(1)飞机架构的改变将影响飞机制造业格局

目前飞机生产格局是围绕着飞机制造商和发动机制造商展开的,但在未来的电动飞机中,电力系统供应商的地位将凸显出来。一方面,飞机系统架构会发生大的变化,供电、配电、用电将成为新的飞机三大主要系统,围绕三大系统的生产布局也将随之发生较大变化,现有产业格局或将重新洗牌。二是电动飞机的设计将更加一体化,现有的发动机和飞机相对独立的发展路线将不复存在,未来可能会出现行业内的纵向整合,包括飞机和发动机企业的整合、飞机制造商和机电供应商的整合等。

(2)新的运营模式将对航空运输体系产生重要影响

商用电动飞机进入航空运输市场后,将对现有机场的保障设施、维修设施等提出新的要求,目前基于燃油动力飞机的基础设施需要进行大规模改造。电动飞机也可能会率先进入城市空运领域,催生新的运输模式,即城市内短距离(50公里内)、高频次(每次飞行10分钟、充电5分钟后立即起飞)、高密度(城市内1000架空中出租车)运营,这对城市空中交通管理、地面基础设施建设等提出了新的课题。此外,另一个可能被严重影响的行业是飞机租赁公司,如果飞机制造商大量投资于新一代电动飞机,传统飞机的剩余价值将会崩溃,可能会导致现有飞机租赁企业破产。

2.2 我国发展建议

正如罗兰贝格咨询报告中所描述的那样,种种迹象表明,电动飞机时代正在向我们走来,“这并不是假设,而只是时间问题”。未来已来,唯变不变,我们只有以创新的思维积极应对上述挑战,才可能在未来的市场竞争中不被淘汰。

当前,我国在商用电动飞机研发方面基本与国外同步,由辽宁通航研究院研发的双座锐翔电动飞机是全球第一款同时获得型号设计批准书和生产许可证的电动飞机,现已开始交付航校进行飞行培训,深圳亿航公司研发的亿航184/216单/双座多旋翼载人无人驾驶飞机也已经开始进行演示飞行。但总体上看,我国电动飞机研发力量相对薄弱、研发项目少、研究的系统性和深度不够、以我为主的创新性研究较少,基本上还处于跟踪研究的阶段。为此,提出以下发展建议。

(1) 顶层规划,制定电动飞机发展路线图

在国家层面制定电动飞机发展战略规划,同时参考中国制造2025中的电动汽车,编制电动飞机发展技术路线图。此举一方面可以引导广大企业和科研、教育等专业机构在充分进行市场调研、审慎考虑自身条件和特点的基础上,确定发展方向和重点;另一方面也可以引导金融投资机构利用自己掌握的金融手段,支持从事研发、生产和使用技术路线图中所列产品和技术的企业和项目,引导市场和社会资源向国家的战略重点有效聚集。

(2)加大研发投入,掌握电动飞机核心技术

高度重视电动飞机发展,加大研发投入,针对供电、配电、用电等环节的关键技术进行持续攻关,形成自主创新成果,做好技术储备。建议加强在电动飞机总体架构设计方面的研究,电动飞机的电力系统架构有多种,包括纯电、串联混合电、并联混合电、串联涡轮电、并联涡轮电等,国外在这方面的技术路线并没有收敛,对于哪种架构更适合什么类型的飞机也没有定论,而这恰恰是电动飞机的核心技术,建议国内在这方面开展深入研究。

作为国家级航空科研代表机构,中国航空研究院应组织国内优势力量开展关键技术研究,同时积极利用国际合作渠道,保持与国外先进电动飞机研发团队的沟通和交流,争取开展更多的国际合作。

(3) 加强仿真软件工具和试验设施建设

仿真是电动飞机研发的重要技术手段。目前在电力系统建模,电气特性、负载管理模拟等方面都面临较大挑战,建议加大这方面的研究力度,早日形成自主可控的电动飞机设计软件工具。此外,工欲善其事,必先利其器。NASA在开展电动飞机关键技术研究的同时,还建立了功率等级覆盖100千瓦~24兆瓦的三个不同层次的试验台(电机级、电推进系统级、整机级)。对此,我们应充分借鉴国外经验,同步规划,加快电动飞机试验设施建设步伐。

(4) 积极参与电动飞机标准制定

积极推动电动航空适航标准专业委员会工作,加速电动飞机中国标准制定;同时积极参与FAA、EASA、SAE等国际、地区和国家组织的相关电动飞机标准编制工作,争取发出更多的中国声音,抢占电动飞机标准制高点。

(5) 积极培育中国电动飞机市场

鼓励有基础的地方和锐翔、亿航等电动飞机企业合作,开展电动飞机在飞行培训、旅游观光、客货运输等领域的运营或试点运营,建立公众信心,积累运营数据,制定相应政策措施,构建必要基础设施,为迎接电动航空时代打好基础。

(航空工业发展中心 王元元)

以下将附上本人整理的全球电动飞机研发项目一览表(截至20191204,不完全统计,部分取消项目未包含),按照上文6个分类(1、矢量推力:所有推进器都可提供升力和推力(多为通过倾转方式);2、悬停自行车/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);3、升力+巡航复合构型,完全独立的推进装置和升力装置;4、多旋翼无机翼构型;5、电动直升机;6、电动非垂直起降固定翼飞机),从项目名称、主制造商及国别、主要参数、典型图片、目前状态等给出了各项目的基本信息,希望对感兴趣的读者有所帮助。

王元元丨全球电动飞机发展概览(二)

王元元丨全球电动飞机发展概览(二)

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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(二)

 

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