電推進(jìn)飛機(jī)：開啟航空業(yè)的新時(shí)代

陳培儒

近日，美國《航空周刊》發(fā)布了歐洲最大的戰(zhàn)略管理咨詢公司羅蘭貝格咨詢公司針對飛機(jī)電推進(jìn)系統(tǒng)研發(fā)的最新市場研究報(bào)告。報(bào)告顯示，全球約有100個(gè)電推進(jìn)飛機(jī)項(xiàng)目正處于研發(fā)階段，其中有近一半的項(xiàng)目是2017年左右啟動(dòng)的。

與以往飛機(jī)項(xiàng)目大多由幾家知名的飛機(jī)制造商和研發(fā)機(jī)構(gòu)主導(dǎo)不同，在如今的電推進(jìn)飛機(jī)項(xiàng)目中，新興的創(chuàng)業(yè)型公司成為了主力軍。羅蘭貝格咨詢公司指出，從制造商們參與的熱情來看，電推進(jìn)飛機(jī)有望開啟航空業(yè)的新時(shí)代。

小微企業(yè)成主角

2017年年底，羅蘭貝格咨詢公司發(fā)布了第一份關(guān)于電推進(jìn)領(lǐng)域研究項(xiàng)目的調(diào)查報(bào)告。在當(dāng)時(shí)統(tǒng)計(jì)的70個(gè)項(xiàng)目中，航空航天領(lǐng)域巨頭所主導(dǎo)的項(xiàng)目占18%，航空航天供應(yīng)商主導(dǎo)的項(xiàng)目占31%，新興創(chuàng)業(yè)型公司和獨(dú)立投資人主導(dǎo)的項(xiàng)目占46%，非航空航天企業(yè)主導(dǎo)的項(xiàng)目占5%。

時(shí)隔近一年后，此次羅蘭貝格咨詢公司發(fā)布的這份涉及近100個(gè)電推進(jìn)飛機(jī)項(xiàng)目的研究報(bào)告中，新興創(chuàng)業(yè)型企業(yè)的占比再次提高。目前，約有60%的電推進(jìn)飛機(jī)項(xiàng)目是由新興創(chuàng)業(yè)型公司和獨(dú)立投資人所主導(dǎo)，約30%由航空航天企業(yè)主導(dǎo)，10%由學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和政府主導(dǎo)，如NASA、歐盟等，另外還有少部分項(xiàng)目由西門子、卡拉什尼科夫康采恩等大型非航空航天公司所主導(dǎo)。

在不到一年的時(shí)間里，從兩組數(shù)據(jù)的對比能看出，越來越多的新興創(chuàng)業(yè)型公司熱衷于研發(fā)電推進(jìn)飛機(jī)，這些新鮮血液的加入為電推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展注入了活力。

羅蘭貝格咨詢公司發(fā)布的報(bào)告顯示，正在進(jìn)行的電推進(jìn)飛機(jī)研發(fā)項(xiàng)目中，從飛機(jī)的使用模式來看，大多數(shù)電推進(jìn)飛機(jī)都朝著通用航空和城市空運(yùn)的方向發(fā)展。美國和歐洲的企業(yè)依舊是電推進(jìn)飛機(jī)項(xiàng)目的主力軍，但是中國、以色列等國的企業(yè)也開始涉足這一領(lǐng)域。如中國智能無人機(jī)公司億航就是這個(gè)領(lǐng)域的后起之秀。在2016年CES國際消費(fèi)類電子產(chǎn)品展覽會上，億航公司發(fā)布了全電力低空自動(dòng)駕駛載人飛行器——億航184。如今，公司正在研制更大的垂直起降電動(dòng)飛機(jī)。

從技術(shù)層面來看，這些新興創(chuàng)業(yè)型公司所研發(fā)的飛機(jī)基本上都是全電動(dòng)的，電池是飛機(jī)唯一的動(dòng)力來源。因此，羅蘭貝格咨詢公司預(yù)測，盡管全電動(dòng)飛機(jī)的商業(yè)化運(yùn)營還為時(shí)過早，但是電池作為飛機(jī)動(dòng)力來源的趨勢正在逐步形成，這將對產(chǎn)業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展產(chǎn)生重要的影響。

首先，電池供應(yīng)商未來將成為繼飛機(jī)主制造商、發(fā)動(dòng)機(jī)制造商之后的又一個(gè)重要的飛機(jī)制造領(lǐng)域的參與者。誰能成為主流的電力系統(tǒng)供應(yīng)商將是業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。而對于電池供應(yīng)商而言，要想在商用航空市場立足，首先要攻克的是美國聯(lián)邦航空局和歐洲航空安全局的適航認(rèn)證。目前，已有電力系統(tǒng)供應(yīng)商開始了這方面的嘗試，但是距離真正的取證還有很大的差距。

其次，對于機(jī)場來說，如果全電動(dòng)飛機(jī)未來在通用航空領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的話，那么機(jī)場就需要建造新的基礎(chǔ)設(shè)施來容納這些新能源飛機(jī)。

羅蘭貝格咨詢公司在報(bào)告中指出，盡管新興創(chuàng)業(yè)型公司對電推進(jìn)飛機(jī)的研發(fā)熱情十足，但是未來具有投入商業(yè)運(yùn)營價(jià)值的項(xiàng)目卻并不太多。

成立于2015年的以色列Eviation飛機(jī)公司正在研發(fā)的Eviation Alice全電動(dòng)飛機(jī)是目前業(yè)內(nèi)較為看好的一款機(jī)型。這款飛機(jī)有三個(gè)螺旋槳，其中兩個(gè)分別安裝在翼尖，另一個(gè)安裝在機(jī)身后方。這款飛機(jī)擁有全電力推進(jìn)系統(tǒng)，95%的機(jī)身用復(fù)合材料制成。

在這款飛機(jī)的研制過程中，制造商大量采用了3D打印技術(shù)。Eviation飛機(jī)公司用3D打印機(jī)和ABS材料在20個(gè)小時(shí)內(nèi)制造出機(jī)翼電機(jī)的原型，還利用ULTEM材料（一款可用于嚴(yán)苛環(huán)境中的熱塑性材料）制造了一款復(fù)合鋪設(shè)工具，3D打印的部件被覆蓋在碳纖維材料中，用于支撐光滑、氣動(dòng)的飛機(jī)表面結(jié)構(gòu)。3D打印技術(shù)不僅幫助公司節(jié)省了數(shù)十萬美元的研發(fā)經(jīng)費(fèi)，還縮短了飛機(jī)的研制周期。根據(jù)計(jì)劃，這架全電動(dòng)飛機(jī)將在2018年年底首飛，2021年前后投入商業(yè)運(yùn)營。

作為“城市空運(yùn)計(jì)劃”的倡導(dǎo)者，優(yōu)步公司則專注于研發(fā)全電動(dòng)垂直起降（eVTOL）飛機(jī)，這類飛機(jī)從“體格”上看介于大型無人機(jī)和小型飛機(jī)之間。憑借多個(gè)小型轉(zhuǎn)子和電動(dòng)推進(jìn)器，優(yōu)步的垂直起降飛機(jī)將比傳統(tǒng)的直升機(jī)安靜得多，飛行效率也更高。此外，優(yōu)步還與NASA合作，后者將為其開發(fā)空中交通管理系統(tǒng)。優(yōu)步希望，未來這些垂直起降飛機(jī)能夠在更加嚴(yán)格的空中交通管制標(biāo)準(zhǔn)下運(yùn)行。

總部位于新加坡的HES能源系統(tǒng)公司在2018年10月公布了4座氫燃料電推進(jìn)飛機(jī)研發(fā)計(jì)劃，并將該飛機(jī)命名為“元素一號”（Element One）。“元素一號”的續(xù)航能力遠(yuǎn)超由普通電池供電的電動(dòng)飛機(jī)，具有安靜、零碳排放、個(gè)性化、按需、分散化等特點(diǎn)，適用于鄉(xiāng)村城鎮(zhèn)之間的支線飛行。

據(jù)悉，HES公司提出的氫-電推進(jìn)系統(tǒng)支持模塊化方案，可以在不改變現(xiàn)有無人機(jī)尺寸的情況下，直接安裝到機(jī)翼下方的吊艙內(nèi)。“元素一號”在機(jī)翼上安裝14個(gè)電動(dòng)機(jī)，通過多系統(tǒng)冗余增加了安全性，如果一個(gè)系統(tǒng)發(fā)生故障，還有13個(gè)可以正常工作。每個(gè)吊艙內(nèi)都有一個(gè)獨(dú)立的電動(dòng)機(jī)，且配備了可插拔更換的燃料電池和氫儲存罐，這種方法帶來的不僅是分布式的推進(jìn)能力，還有分布式的存儲能力。因?yàn)樵陲w機(jī)內(nèi)部儲存氫的量是有限制的，這會占用機(jī)身的大量空間，將它分成若干個(gè)部分，在每個(gè)電機(jī)后面安裝一個(gè)氫儲存罐，能有效提升燃料攜帶量。

在理想狀態(tài)下，如果采用壓縮氣態(tài)氫作為燃料，“元素一號”足以搭載4名乘客飛行5個(gè)小時(shí)，航程達(dá)到500公里。如果使用液態(tài)氫作為燃料，有可能將續(xù)航時(shí)間增加到15～20小時(shí)，航程可達(dá)5000公里。

老牌勁旅不甘人后

盡管與新興創(chuàng)業(yè)型公司相比，以波音、空客等為代表的老牌勁旅可能在新技術(shù)的敏感度方面略遜一籌，但憑借深厚的技術(shù)儲備和雄厚的財(cái)力，這些航空巨頭在電動(dòng)飛機(jī)的研制方面也取得了不俗的成績。

波音公司早在1990年就開始了對電動(dòng)飛機(jī)的研發(fā)工作。當(dāng)時(shí)波音的設(shè)想是用14年左右的時(shí)間來制造混合電推進(jìn)的787飛機(jī)。但在2013年的試飛中，由于鋰電池沒有適當(dāng)?shù)亩搪繁Ｗo(hù)措施導(dǎo)致電池?zé)龤А４撕螅ㄒ暨M(jìn)行了保護(hù)性措施方面的改進(jìn)。

根據(jù)波音的設(shè)想，使用混合電推進(jìn)技術(shù)能夠?yàn)楹娇展居脩艄?jié)省約20%的燃油，這已經(jīng)是目前所有同級別飛機(jī)中的最低油耗，但是在燃油價(jià)格上漲、航空碳排放管制的背景下，全電動(dòng)飛機(jī)才是波音乃至所有航空公司真正追求的“夢想飛機(jī)”。

因此，波音2017年與易捷航空一起投資了電動(dòng)飛機(jī)制造商Zunum Aero公司，合作研發(fā)電動(dòng)飛機(jī)ZA10。在這款飛機(jī)上，傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)引擎消失了，取而代之的是飛機(jī)尾部的兩個(gè)電力驅(qū)動(dòng)的引擎。從目前來看，電池依舊是最核心的難題。

目前的可充電鋰電池能量密度不足燃油的1%。以特斯拉的18650電池為例，如果要將波音747的燃料箱全部塞滿這種電池，則需要將電池的能量密度提高138倍，才能提供充足的能量讓飛機(jī)起飛。然而，近20年電池生產(chǎn)商只是將鋰電池的能量密度從200瓦時(shí)/千克提升到接近550瓦時(shí)/千克，并且未來提升能量密度的難度越來越大。

正是因?yàn)殡姵啬芰棵芏鹊钠款i難以逾越，以ZA10飛機(jī)為例，Zunum Aero公司計(jì)劃在運(yùn)營初期為這款飛機(jī)配備小型燃油發(fā)動(dòng)機(jī)作為備用動(dòng)力。在2020年推向市場時(shí)，如果使用全電模式的話，這款12座的飛機(jī)的航程約為700公里。因此，波音在進(jìn)行電動(dòng)飛機(jī)研發(fā)的同時(shí)，也將目光投向了電池制造領(lǐng)域。

2018年2月，波音投資了美國電池生產(chǎn)商Cuberg公司，這是波音第一次直接對能源領(lǐng)域的企業(yè)進(jìn)行投資。波音表示，目前Cuberg公司生產(chǎn)的電池能量密度是所有鋰電池中最高的，盡管還沒有實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，但前景看好。

與波音偏向于投資創(chuàng)新型公司不同，空客選擇了與其他老牌勁旅進(jìn)行合作，共同研發(fā)電推進(jìn)飛機(jī)。2016年，空客與西門子公司就合作開發(fā)混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)簽署協(xié)議，雙方希望能夠在2020年前完成多樣化的混合/電力推進(jìn)系統(tǒng)的技術(shù)可行性論證。雙方計(jì)劃組建一支200人左右的研發(fā)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行相關(guān)研發(fā)工作，以保持歐洲在電動(dòng)飛機(jī)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。

在具體項(xiàng)目上，空客早前曾進(jìn)行過全電動(dòng)飛機(jī)E-Fan項(xiàng)目的研發(fā)，相繼推出過E-Fan 1.0、E-Fan 2.0、E-Fan X等多個(gè)項(xiàng)目，但在未來的商用飛機(jī)市場，空客務(wù)實(shí)地選擇了混合電推進(jìn)技術(shù)方案。

目前，空客正在與西門子、羅羅合作研發(fā)基于分布式混合電推進(jìn)系統(tǒng)的“E-Airbus”100座級支線客機(jī)，并計(jì)劃在歐盟“航跡2050”的框架下開展深入研究。E-Airbus采用6臺電動(dòng)風(fēng)扇，每個(gè)機(jī)翼上沿展向分布3臺，通過一個(gè)燃?xì)鈩?dòng)力單元（即渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)連接到發(fā)電機(jī)，以產(chǎn)生電力）為6臺風(fēng)扇提供電力，并為電能存儲裝置充電，推進(jìn)系統(tǒng)的等效涵道比預(yù)計(jì)將超過20。

雖然空客集團(tuán)目前并沒有公布E-Airbus飛機(jī)方案在2030年將會處于什么水平以及與“航跡2050”計(jì)劃中（歐盟“航跡2050”計(jì)劃的目標(biāo)是以2000年的水平為基點(diǎn)，在2050年前實(shí)現(xiàn)將二氧化碳排放降低75%、氮氧化物排放降低90%、噪聲降低65%）環(huán)保目標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系，但是作為“航跡2050”計(jì)劃的中期動(dòng)力解決方案，分布式混合電推進(jìn)系統(tǒng)將大量采用“航跡2050”計(jì)劃所發(fā)展的新技術(shù)，預(yù)計(jì)其具備足夠的技術(shù)優(yōu)勢，能夠使歐盟在實(shí)現(xiàn)“航跡2050”計(jì)劃所定環(huán)保目標(biāo)的征途中邁進(jìn)一大步。

美國國家航空航天局（NASA）已經(jīng)批準(zhǔn)了一項(xiàng)為期3年、總投資1500萬美元的項(xiàng)目。該項(xiàng)目旨在研制一種采用分布式電推進(jìn)（DEP）技術(shù)的X驗(yàn)證機(jī)。X驗(yàn)證機(jī)基于輕型通用飛機(jī)，一旦證明技術(shù)可行，NASA將在一型9座的通勤飛機(jī)驗(yàn)證機(jī)上進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)，為將來在60～90座級混合電推進(jìn)支線飛機(jī)上的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

這一計(jì)劃下正在研發(fā)的X-57項(xiàng)目迄今為止遇到的最大問題依舊是電池的問題。據(jù)NASA最新公開的信息，雖然目前的電池組能夠?yàn)轱w機(jī)提供47kW.h的能量，但是電池重量已經(jīng)接近408公斤，比設(shè)計(jì)目標(biāo)超重了10%，幾乎用盡了當(dāng)初設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留的增重空間。在2017年12月進(jìn)行的一次地面試驗(yàn)中，電池組曾發(fā)生過熱失控等問題。考慮到電池組在機(jī)艙內(nèi)的安裝位置在飛行員座椅的后方，為了確保安全，NASA對設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了更改，這也是造成電池超重的一個(gè)原因。

此外，X-57項(xiàng)目的另一個(gè)使命是幫助NASA建立分布式混合電推力飛機(jī)的取證標(biāo)準(zhǔn)。目前，NASA正與標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)機(jī)構(gòu)如ASTM國際等開展合作，以推進(jìn)新的能同時(shí)用于電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)和通用飛機(jī)取證的一致標(biāo)準(zhǔn)。X-57飛機(jī)將只是向FAA提交虛擬取證申請，借此了解取證面臨的挑戰(zhàn)，這將有助于新規(guī)則的制定。

除了主制造商之外，商用飛機(jī)市場的主流供應(yīng)商也在積極布局電推進(jìn)飛機(jī)市場。

GE公司希望在其“數(shù)字化工業(yè)戰(zhàn)略”中融入電推進(jìn)技術(shù)。公司前任總裁杰夫·伊梅爾特曾多次公開表示，希望能夠在2030年左右推出幾款小型混合電推進(jìn)飛機(jī)。美國聯(lián)合技術(shù)公司總裁戴維·吉特林表示，無論用10年、20年甚至30年的時(shí)間，電推進(jìn)技術(shù)終究會投入使用，因?yàn)樗砹诵袠I(yè)的發(fā)展方向。