摘 要

電動(dòng)飛機(jī)是靠電力驅(qū)動(dòng)的航空飛機(jī)，由于可實(shí)現(xiàn)二氧化碳零排放，因此近年來(lái)廣受關(guān)注。據(jù)有關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，在不久的未來(lái)傳統(tǒng)支線飛機(jī)中的60％至70％將會(huì)被電動(dòng)飛機(jī)取代。

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

近年來(lái)依靠電力作為飛機(jī)清潔推進(jìn)能源的計(jì)劃取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，而電動(dòng)飛機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生任何排放物，這使其在環(huán)保要求越來(lái)越嚴(yán)格的時(shí)代具有一定競(jìng)爭(zhēng)力。顯然，當(dāng)今的電動(dòng)飛機(jī)系統(tǒng)并非無(wú)排放，但可以預(yù)期，得益于全球經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域向可再生能源發(fā)展的強(qiáng)勁趨勢(shì)未來(lái)其排放量將大大減少。

1

電動(dòng)飛機(jī)分類及國(guó)外主要進(jìn)展

按照不同的技術(shù)水平和動(dòng)力系統(tǒng)組成，用于未來(lái)飛機(jī)的電力推進(jìn)架構(gòu)主要可以分為六個(gè)主要類別：全電動(dòng)系統(tǒng)All-electric systems、混合動(dòng)力系統(tǒng)Hybrid-electric systems（又可以分為平行混動(dòng)Parallel-hybrid、系列混動(dòng)Series-hyrid和系列并聯(lián)平行混動(dòng)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(dòng)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(dòng)飛機(jī)，均是基于該6種動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)飛行

全電動(dòng)系統(tǒng)：依靠電池作為飛機(jī)上唯一的推進(jìn)動(dòng)力源。

混合動(dòng)力系統(tǒng)：依靠燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)推進(jìn)發(fā)電并為電池充電，同樣，電池在飛行的多個(gè)階段提供推進(jìn)所需的能量，主要分為以下三種：

•平行混合動(dòng)力：在該系統(tǒng)中，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)都安裝在驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的軸上，因此任何一個(gè)或兩個(gè)組件均可在給定的任何時(shí)間提供推進(jìn)力。

•系列混合動(dòng)力：使用此技術(shù)，僅將電動(dòng)機(jī)機(jī)械地連接到風(fēng)扇。燃?xì)廨啓C(jī)的功能是驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)又驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和/或給電池充電?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)與使用多個(gè)小型電動(dòng)機(jī)和風(fēng)扇的分布式推進(jìn)概念兼容。

•系列/并聯(lián)部分混合動(dòng)力：該系統(tǒng)具有一個(gè)或多個(gè)風(fēng)扇，這些風(fēng)扇可以直接由燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)，而其他風(fēng)扇可以僅由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，這些電動(dòng)機(jī)可以由渦輪驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)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(jìn)動(dòng)力源，而是使用燃?xì)廨啓C(jī)，主要分為以下兩種：

•全渦輪電動(dòng)：在此配置中，渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)用于驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)為逆變器提供動(dòng)力，并因此為驅(qū)動(dòng)單個(gè)分布式電風(fēng)扇的單個(gè)直流（DC）電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)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(jìn)來(lái)提供部分推進(jìn)力，其余部分由燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)的渦輪風(fēng)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(jìn)步來(lái)開發(fā)。

1.1、電動(dòng)空中出租車（Electric air taxis）

許多飛機(jī)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(dòng)空中出租車正在成為現(xiàn)實(shí)。作為當(dāng)前電動(dòng)飛行進(jìn)展的一個(gè)例子，兩個(gè)德國(guó)初創(chuàng)公司開發(fā)了兩種車輛，可以將乘客從一個(gè)地方運(yùn)送到城市內(nèi)部和城市之間，而不會(huì)產(chǎn)生任何排放。電動(dòng)飛機(jī)正在逐漸向市場(chǎng)滲透。

圖2 電動(dòng)飛機(jī)正在逐步向市場(chǎng)滲透

Volocopter于2016年進(jìn)行了首次有人駕駛飛行，并在其2X車輛上獲得了德國(guó)和國(guó)際安全證書，該車輛可容納多達(dá)兩個(gè)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(dòng)VTOL（垂直起降）飛機(jī)，該飛機(jī)最多可容納兩個(gè)人，在一小時(shí)內(nèi)可飛行300公里。無(wú)人駕駛原型機(jī)已于2017年首飛，較大的5人座飛機(jī)版本于2019年5月首次飛行。有人駕駛的原型機(jī)稍后將用于認(rèn)證飛行。根據(jù)Lilium的說(shuō)法，到2025年，旅客將能夠預(yù)訂自己的VTOL。

1.2、混合動(dòng)力飛機(jī)（Hybrid-electric aircraft）

在不久的將來(lái)，混合動(dòng)力飛機(jī)被認(rèn)為是常規(guī)短程和中程飛機(jī)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(xiàng)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(biāo)是開發(fā)和制造計(jì)劃于2020年飛行的混合動(dòng)力電動(dòng)示威飛機(jī)E-FanX（圖3）。該飛機(jī)使用串行混合動(dòng)力技術(shù)為飛機(jī)提供動(dòng)力，采用2兆瓦電動(dòng)機(jī)，安裝在BAe 146飛行試驗(yàn)臺(tái)上，替代了四臺(tái)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)之一。較長(zhǎng)期的目標(biāo)是制造一架搭載E-Fan X技術(shù)的商用飛機(jī)，該飛機(jī)可容納50-100名乘客，并乘坐區(qū)域和短程航線，預(yù)計(jì)在2035年左右投入服務(wù)。

圖3 歐洲空客設(shè)計(jì)的E-FanX型電動(dòng)飛機(jī)

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

美國(guó)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(dòng)力電動(dòng)客機(jī)（圖4）。Zunum計(jì)劃在2019年之前為其初始混合動(dòng)力飛機(jī)駕駛一架演示飛機(jī)，該飛機(jī)可容納15名乘客并飛行600海里。該飛機(jī)預(yù)計(jì)將于2023年投入使用。但是，該公司目前處于財(cái)務(wù)困境。Zunum的進(jìn)一步計(jì)劃包括在2027年推出一種短程混合動(dòng)力飛機(jī)，該飛機(jī)將可容納50名乘客并飛行1000海里。另外，還有一個(gè)發(fā)展計(jì)劃，將生產(chǎn)一架可容納1500海里的100人座飛機(jī)。該飛機(jī)將能夠減少80％的當(dāng)?shù)囟趸寂欧?，并有望?030年代初投入使用。

圖4 美國(guó)Zunum公司設(shè)計(jì)的混合動(dòng)力電動(dòng)客機(jī)

美國(guó)宇航局NASA的X飛機(jī)項(xiàng)目設(shè)計(jì)之一STARC-ABL，是一臺(tái)渦輪電動(dòng)飛機(jī)。STARC-ABL是一架帶有后邊界層推進(jìn)器的單通道渦輪電動(dòng)飛機(jī)。這種設(shè)計(jì)極大地依賴于電力，不僅用于推進(jìn)，而且還用于運(yùn)行機(jī)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(jì)劃在2035年至2040年之間投入使用，并減少10％的排放。

圖5 美國(guó)宇航局NASA X-plane：STARC-ABL

目前國(guó)外正在研發(fā)的幾款混合動(dòng)力飛機(jī)的主要系統(tǒng)參數(shù)如表1所示，飛機(jī)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(guó)外混合動(dòng)力電動(dòng)飛機(jī)主要參數(shù)

1.3、電池動(dòng)力飛機(jī)（Battery-powered aircraft ）

總體而言，由電池驅(qū)動(dòng)的飛機(jī)可實(shí)現(xiàn)最大程度的二氧化碳減排和環(huán)境效益。它們?cè)谶\(yùn)行過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生二氧化碳和污染物排放，不會(huì)影響當(dāng)?shù)氐目諝赓|(zhì)量，并且其產(chǎn)生的噪音遠(yuǎn)低于由內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的飛機(jī)。雖然目前在發(fā)電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生二氧化碳，約0.6千克的二氧化碳/千瓦時(shí)，但隨著可再生能源發(fā)展的進(jìn)步以及各國(guó)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(lái)幾十年內(nèi)大大降低。

一些公司目前正在進(jìn)行電池動(dòng)力飛機(jī)的設(shè)計(jì)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(guò)電池驅(qū)動(dòng)的飛機(jī)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(jì)基于分布式推進(jìn)裝置（圖6），機(jī)翼中集成了許多電風(fēng)扇，并且基于可在機(jī)場(chǎng)周轉(zhuǎn)期間輕松更換的電池。Wright Electric的目標(biāo)飛機(jī)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(jìn)入市場(chǎng)的計(jì)劃。

圖6 Wright Electric電動(dòng)飛機(jī)提出的分布式推進(jìn)概念

鮑豪斯·漢諾威公司（Bauhaus Luftfahrt）在2012年設(shè)計(jì)了一款由電池供電的概念飛機(jī)Ce-Liner（圖7），與傳統(tǒng)的機(jī)身設(shè)計(jì)相比，它具有C型機(jī)翼配置，大大提高了空氣動(dòng)力學(xué)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(duì)電池能量密度的進(jìn)展進(jìn)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(jì)的電池供電概念飛機(jī)Ce-Liner

1.4、電動(dòng)混合機(jī)翼機(jī)身（Electric blended wing body）

電動(dòng)混合機(jī)翼機(jī)身甚至還計(jì)劃將電動(dòng)推進(jìn)的優(yōu)勢(shì)與混合機(jī)翼機(jī)身的機(jī)身設(shè)計(jì)相結(jié)合。在過(guò)去的十年中，美國(guó)宇航局NASA一直在研究帶有分布式渦輪電推進(jìn)系統(tǒng)的BWB（Blended Wing Body）概念，并預(yù)計(jì)可節(jié)省70％的燃料。

圖8 美國(guó)宇航局NASA提出的BWB概念飛機(jī)

小型BWB通常涵蓋100到150個(gè)座位類別，與超大型飛機(jī)相比，它更適合于混合動(dòng)力以及潛在的電池電力推進(jìn)的各種概念。此外，該座椅類別的市場(chǎng)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(dān)。電動(dòng)BWB可以在機(jī)身和推進(jìn)設(shè)計(jì)的綜合進(jìn)步的基礎(chǔ)上發(fā)展，預(yù)計(jì)在未來(lái)幾十年內(nèi)將并行發(fā)生。

2

碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用機(jī)遇

自上世紀(jì)70年代碳纖維商品化以來(lái)，便在飛機(jī)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(jī)中應(yīng)用比例越來(lái)越高，如碳纖維復(fù)合材料在空客A350XWB型飛機(jī)中的應(yīng)用比例已經(jīng)高達(dá)53%（圖9）。

圖9 空客A350中CFRP占比高達(dá)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(qiáng)、比鋁輕性能特點(diǎn)，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(dòng)力學(xué)特性，使其成為飛機(jī)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(qiáng)度、大伸長(zhǎng)。經(jīng)過(guò)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(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)模量級(jí)、高強(qiáng)中模級(jí)和超高強(qiáng)中模級(jí)，有關(guān)航空用第三代超高強(qiáng)中模碳纖維的關(guān)鍵技術(shù)可以參考閱讀《詳細(xì)剖析國(guó)外三代航空級(jí)碳纖維的特點(diǎn)、典型產(chǎn)品以及國(guó)內(nèi)航空級(jí)碳纖維現(xiàn)狀》。

電動(dòng)飛機(jī)作為未來(lái)航空發(fā)展的焦點(diǎn)，也勢(shì)必將為CFRP廣泛應(yīng)用提供發(fā)展機(jī)遇。而實(shí)際上目前國(guó)外在電動(dòng)飛機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，已經(jīng)將成熟的CFRP飛機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)運(yùn)用到電動(dòng)飛機(jī)中。例如，目前空客公司正在研發(fā)的E-FAN2.0電動(dòng)飛機(jī)，作為一款翼展為31英尺的雙座飛機(jī)，采用全碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，因此機(jī)身凈重僅為1100磅。

根據(jù)國(guó)外一家咨詢公司研究，在不久的未來(lái)傳統(tǒng)支線飛機(jī)中的60％至70％將會(huì)被電動(dòng)飛機(jī)取代。如果按照電動(dòng)飛機(jī)中復(fù)合材料用量30-50%，可想而知未來(lái)電動(dòng)飛機(jī)市場(chǎng)用CFRP將會(huì)巨大。

3

結(jié)束語(yǔ)

電動(dòng)飛機(jī)投放市場(chǎng)的時(shí)間仍然存在很大的不確定性，雖然機(jī)身用CFRP技術(shù)相對(duì)比較成熟，但是影響全電池以及混合動(dòng)力電動(dòng)飛機(jī)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(cè)到2023年左右15至20座電動(dòng)飛機(jī)投入使用，2030年代初期將達(dá)到100座飛機(jī)；但另一方面，更為保守的看法則認(rèn)為15-20座電動(dòng)飛機(jī)將投入使用大約在2030年，至于50-100名乘客的地區(qū)混合動(dòng)力飛機(jī)，服務(wù)日期應(yīng)該在2050年左右。這種觀點(diǎn)主要受到電池技術(shù)開發(fā)所需的預(yù)期時(shí)間更長(zhǎng)的影響。

最近幾年，公共資助機(jī)構(gòu)更加重視電動(dòng)航空，將其作為未來(lái)可持續(xù)運(yùn)輸?shù)囊徊糠郑@也勢(shì)必有助于加速電動(dòng)飛機(jī)推進(jìn)器的發(fā)展和成熟。