制造商的新能源轉型

董幗熊

近年來，為了有效應對航空業面臨的環境挑戰，降低碳排放與噪聲，無論是飛機制造商還是發動機制造商都在積極布局未來。這其中既有ATR、巴航工業這樣的支線飛機制造商，也有空客、波音這樣的干線飛機制造商，除此之外，普惠、羅羅等動力系統供應商也積極參與其中?？梢哉f，飛機制造商正與動力系統供應商等一起，加速推進一場新能源轉型的革命。

通用電動飛機加速投入商運

相對干線飛機和支線飛機，通用飛機有結構簡單、適航認證過程相對簡單的優點，因此也成為了飛機制造商和發動機制造商新能源轉型發展的前沿陣地。一方面，在通用飛機平臺上進行驗證可以快速投入商業運營、降低成本，另一方面也可以作為關鍵技術的驗證平臺，為后續在更大型飛機平臺上使用積累經驗。

從全球范圍來看，目前已有一些通用飛機制造商完成了初步的探索，相應產品獲得了適航證，并已計劃投入商業運營。如加拿大海港航空公司與MagniX公司合作完成了全球首架商用飛機改裝電動飛機。這架飛機由一個功率為560千瓦的電機替換原有活塞發動機。目前，這款飛機正在開展補充取證（STC）工作，計劃于2022年投入短途商業運營。在完成了新能源轉型之后，全新經過改裝的采用電推進系統的飛機能夠有效降低能源消耗與維護成本。據估計，采用全新動力裝置的飛機在5年內的運營成本較傳統飛機可降低70%～80%。

作為技術驗證平臺典型代表的還有NASA的X-57驗證機與羅羅公司的“創新精神”驗證機。X-57項目是NASA在2015年提出的，旨在研究分布式電推進布局及相關技術。目前，該項目已經完成了基線飛機推進系統電動化試飛研究，正在開展分布式電推進改裝。2019年11月，NASA展示了首款X-57電動原型機，預計其巡航狀態能量效率較基線飛機提高4倍以上。未來如果這款飛機獲得技術突破并投入市場，或將改變全球民用飛機市場格局。

“創新精神”驗證機是羅羅在英國政府資助下開展的“加速飛行電氣化”平臺，采用全電推進系統和固定翼構型，設計功率400千瓦、速度480千米/小時。2021年，“創新精神”驗證機完成首飛，并打破了全電動飛機最快飛行速度。

渦扇支線飛機的演示驗證

縱觀全球，正在推進中的小型支線飛機的新能源轉型項目有很多，有一些是計劃采用混合電推進系統，也有一些則計劃“一步到位”，采用氫能等清潔能源，但總體來看，所有項目基本都處于演示驗證階段。

聯合技術公司正在開展的支線飛機混合電推進計劃是基于龐巴迪沖-8支線飛機進行的，使用了2兆瓦級混合電推進系統替換一側的PW121渦槳發動機，根據計劃，這一項目將在2022年首飛。發動機制造商羅羅公司開展了一個2.5兆瓦級混合電推進系統的研發工作，是當前航空領域容量最大的混合動力系統，目前已進入地面試驗階段。

老牌的渦槳支線飛機制造商ATR公司計劃在ATR42和ATR72飛機上進行新能源轉型計劃。在2021年11月的迪拜航展上，ATR公司與加普惠公司簽署了一項針對ATR42和ATR72-600飛機的升級計劃。該計劃將在這兩款機型中采用加普惠公司最新的PW127XT新型發動機取代之前傳統的渦槳發動機。

加普惠公司的PW127XT新型發動機已實現了50%的可持續航空燃料（SAF）的支持，并計劃在2022年第二季度之前實現100%采用SAF。加普惠的PW127XT發動機是公司“下一代支線客機渦扇發動機（NGRT）”項目下研發的一款全新產品。這款產品通過提高壓氣機、渦輪機的功率和效率，挖掘傳統動力形式渦槳發動機的效率極限。相比上一代PW127發動機，這款新發動機提高了40%左右的在翼時間、降低了20%的維護成本、提高了3%的燃油效率，并將發動機大修時間間隔延長至2萬小時，每10年僅需要安排兩次發動機例行檢修。根據計劃，全新的PW127XT發動機將在2022年第四季度之后裝配所有ATR公司新生產的ATR42和ATR72-600飛機。

巴航工業的提前布局

2021年11月8日，巴航工業在創新大會上正式向業界發布了一款名為Energia的新能源飛機，引發業界關注。Energia系列包括4款飛機，其中兩款9座級小型商務機（E9-HE和E9-FE）、一款19座級小型客機（E19-H2FC）和一款35～50座級小型客機（E50-H2GT）。4款飛機采用的動力形式雖各不相同，但都以電能或氫能作為主要或輔助動力來源，來實現減少碳排放的目標。

Energia系列的4款飛機在總體和氣動布局上具有很高的相似性，例如都采用常規氣動布局、T形尾翼和置于機身后部的螺旋槳發動機，但采用了4種不同的動力系統方案。截至當前，巴航工業已公布Energia系列四款飛機的外形概念圖和主要目標性能，但仍未披露具體的外形設計尺寸。

根據巴航工業公布的計劃，未來最先投入運營的是9座級小型商務機E9-HE，又名“混動號”（Hybrid），該機設計航程為500英里（約926公里），計劃于2030年前投入運營。E9-HE采用混合電推進系統，一對置于機身側后方的螺旋槳發動機可同時利用航空燃油和電池產生推力。電池在飛機起飛和爬升階段供電，使發動機獲得額外推力，在飛機巡航狀態停止供電。電池的輔助功率可保證發動機在整個飛行過程中保持最佳工作狀態，從而提高燃油利用率、減少碳排放。E9-HE飛機的發動機可支持100%的可持續航空燃料（SAF），以進一步減少碳排放。

據巴航工業官方公布數據，當E9-HE飛機采用100%的SAF或JetA1航空燃料時，相比于傳統純動力方案，能夠分別減少90%或60%的二氧化碳排放;后置螺旋槳發動機將比傳統機翼下方吊掛方案減少60%外部噪聲。根據目前的測試結果，發動機的電機部分僅靠風冷就可以保持理想工作狀態，無須額外增加電機熱管理系統?？紤]到在電機輔助下，燃油發動機的峰值功率大幅降低，發動機的熱管理復雜度也可有效降低，從而提升飛機飛行性能和穩定性。

9座級小型商務機E9-FE，又名“電動號”（Electric），設計航程為200英里（約370公里），計劃于2035年前投入運營。E9-FE采用純電推進系統，配備單臺電機，置于T形垂尾正上方，電機采用兩組反向旋轉的螺旋槳，電池位于機頭處。巴航工業計劃為E9-HE定制可拆卸電池組，以減少電池的更換時間、降低電池的使用和維護成本。E9-HE的典型特征是接近滑翔機的大展弦比，該機具有“專為滑翔而設計（glider-inspired）的機翼”，從而可盡可能地提升飛機的氣動性能，彌補電推進系統在能量密度方面的不足。據巴航工業官方公布數據， E9-FE飛機能夠實現整個飛行過程零排放，后置電機能夠減少80%的外部噪聲，是Energia系列中減噪效果最好的飛機，更適合靠近市中心的機場使用。

19座級小型客運飛機E19-H2FC，又名“氫燃料電池號”（H2 Fuel Cell），設計航程為200英里（約370公里），與E9-FE同樣計劃于2035年前投入運營。E19-H2FC飛機采用氫燃料電池電推進系統，采用一對置于機身側后方的電機，機身內安裝有儲氫罐和能量轉換裝置，為電機提供電能。該機航程可以根據客戶需求進行增程，但目前巴航工業未公開披露實現增程的具體技術細節。據巴航工業官方公布數據，E19-H2FC飛機能夠實現整個飛行過程零排放，后置電機能夠減少70%的外部噪聲。

計劃最晚投入運營的是35～50座級小型客機E50-H2GT，又名“氫渦輪號”（H2 Gas Turbine），該機設計航程為350～500英里（約648～926公里），計劃于2040年前投入運營。E50-H2GT采用一對置于機身側后方的渦輪螺旋槳發動機提供動力，該機最具特色的是，能夠同時支持以液氫或航空燃油作為燃料。當執行短距離任務時，E50-H2GT飛機將采用100%液氫作為燃料，設計航程為350英里（約648公里）;當執行遠距離任務時，則可換為100%SAF作為燃料，設計航程為500英里（約926公里）。

中國企業的探索

在國內，一些通航企業和科研院所對電動飛機的研發并不晚，并且以億航為代表的企業已經取得了一些階段性成果。除此之外，高校和科研院所在電動飛行領域的積極性也頗高。

以億航為例，其生產的垂直起降產品（eVTOL）不僅在2020年獲得了中國民航局型號適航審定的受理，同時還獲得了美國、挪威、加拿大等多個國家適航當局的特許飛行許可。

2021年，億航發布了一款名為VT-30的eVTOL，這款雙座飛機為混合動力結構，并采用了復合材料的機翼，設計航程達到300公里，設計續航時間100分鐘。VT-30尾部設有組合升降方向舵面，兩側分布有8個螺旋槳和一對固定的機翼，尾部設有推進螺旋槳，采用三余度電傳操縱系統。根據億航公司的規劃，這款產品將與公司現有的EH216產品相互補充，并進一步針對城際間空中交通運輸使用，從而進一步打造城市空中交通生態系統。

此外，在電動飛機的研發方面，作為國內唯一一所系統開展新能源電動飛機研制的科研機構——遼寧通航研究院充分發揮沈陽航空航天大學航空特色教育科研資源優勢，積極探索推動新能源航空設計、制造、試驗、適航、運營和人才培養的全產業鏈發展，使我國小型、輕型新能源飛機產業化水平處于全球領跑地位。該研究院研發的銳翔RX1E是國內首個具有自主知識產權并率先完成適航取證并進入市場的電動輕型運動飛機。目前已廣泛用于飛行員培訓、觀光旅游飛行、高精度航拍航測等用途，相關產品已率先完成適航取證并進入市場，獲得148架訂單，已經交付14架，累計運行3430小時。在此基礎上，遼寧通航研究院正在全力推進電動飛機譜系化發展，加快形成從雙座到四座、陸上到水上、固定翼到旋轉翼的新能源通用航空飛機發展格局。

此外，國家層面也高度重視新能源飛機的發展，工信部正著手制定“綠色能源航空器發展路線圖”，針對電動、混合動力、氫能源和生物燃料等不同能源模式開展研究，形成綠色能源航空器發展路線圖。與此同時，我國電動飛機標準規范和適航規章也在制定中。作為我國商用飛機項目研制主體的中國商飛公司近年來也十分關注綠色飛行技術。2021年，中國商飛公司下屬的北京民用飛機研發中心公布了一款采用復合材料機翼的i-eVTOL垂直起降飛機。但客觀來說，在這一領域我國無論是在原始技術積累、產業鏈提前布局和專業人才培養方面都還存在短板，面對轉型升級，還需要產業鏈上下游企業認真思考和提前謀篇布局。