新能源電動(dòng)飛機(jī)發(fā)展與挑戰(zhàn)

黃俊， 楊鳳田

1. 遼寧通用航空研究院， 沈陽(yáng)　110136

2. 北京航空航天大學(xué)　航空科學(xué)與工程學(xué)院， 北京　100083

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新能源電動(dòng)飛機(jī)發(fā)展與挑戰(zhàn)

黃俊1, 2, *， 楊鳳田1

1. 遼寧通用航空研究院， 沈陽(yáng)110136

2. 北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院， 北京100083

摘要:發(fā)展綠色航空是人類社會(huì)形成的基本共識(shí)，新能源電動(dòng)飛機(jī)為實(shí)現(xiàn)徹底的綠色航空提供了一條光明的技術(shù)途徑。簡(jiǎn)述了航空對(duì)環(huán)境的影響、電在飛機(jī)上的應(yīng)用及電動(dòng)飛機(jī)的發(fā)展歷程，對(duì)新能源電動(dòng)飛機(jī)的能源分類、電推進(jìn)系統(tǒng)及其總體效率進(jìn)行了研究，重點(diǎn)針對(duì)載人輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)，分析了電動(dòng)飛機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀、特征以及能源需求，通過(guò)對(duì)電池作為能源的載人電動(dòng)飛機(jī)的航程和極限航程研究，提出了電池能量密度提升和性能改進(jìn)、高升阻比空氣動(dòng)力設(shè)計(jì)、低成本輕質(zhì)高效復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造、高效率電推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與集成等電動(dòng)飛機(jī)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)，給出了應(yīng)大力發(fā)展電動(dòng)飛機(jī)的建議和本領(lǐng)域未來(lái)的研究方向。

關(guān)鍵詞:綠色航空； 電動(dòng)飛機(jī)； 電推進(jìn)系統(tǒng)； 新能源； 航程； 技術(shù)挑戰(zhàn)

100多年來(lái)，飛機(jī)為改善人類生活、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步發(fā)揮了極其重要的作用，同時(shí)也給人類生存的環(huán)境帶來(lái)了一些負(fù)面的影響。飛機(jī)對(duì)環(huán)境的影響主要體現(xiàn)在3個(gè)方面: ①機(jī)場(chǎng)附近的噪聲污染; ②由于飛機(jī)排放造成的空氣質(zhì)量下降; ③飛機(jī)向大氣排放的CO2等溫室氣體對(duì)區(qū)域和全球氣候造成的影響[1]。此外，數(shù)量上占絕大多數(shù)的活塞式通用飛機(jī)，除上述三方面的影響外，還會(huì)產(chǎn)生超細(xì)顆粒物污染和重金屬鉛污染。按照空中客車公司的統(tǒng)計(jì)和預(yù)測(cè)，從20世紀(jì)70年代開始到現(xiàn)在，世界航空運(yùn)輸旅客周轉(zhuǎn)量(RPK)大約15年翻一番，今后20年將以每年4.6%左右的速率持續(xù)增長(zhǎng)[2]。由此看出，航空運(yùn)輸對(duì)環(huán)境的壓力持續(xù)加大，如何緩解和解決飛機(jī)對(duì)環(huán)境的影響以及對(duì)石油資源的依賴已經(jīng)成為必須考慮的問(wèn)題。

歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家要求改善飛機(jī)環(huán)保性能、營(yíng)造綠色航空的呼聲越來(lái)越高，許多機(jī)構(gòu)在為緩解航空對(duì)環(huán)境的影響而工作，其中美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)對(duì)此問(wèn)題頗為關(guān)注，開展了以達(dá)成能夠減少噪聲、排放和燃料消耗的技術(shù)能力為目標(biāo)的研究工作，提出了生物燃料的使用、先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、先進(jìn)飛機(jī)設(shè)計(jì)、空中加油、先進(jìn)空中交通管理等新思想或技術(shù)方案[1]。中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司也堅(jiān)持發(fā)展綠色航空技術(shù)的戰(zhàn)略，全面開展了先進(jìn)氣動(dòng)、降噪、多電、綠色動(dòng)力、綠色材料和綠色制造等技術(shù)研究，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)[3]。這些努力都會(huì)在一定程度上緩解飛機(jī)對(duì)環(huán)境的影響，但不能從根本上解決問(wèn)題。新能源電動(dòng)飛機(jī)的出現(xiàn)為航空的徹底綠色化提供了一條光明的技術(shù)途徑。

電動(dòng)飛機(jī)是以電機(jī)帶動(dòng)螺旋槳、涵道風(fēng)扇或其他裝置產(chǎn)生前進(jìn)動(dòng)力的飛機(jī)，電機(jī)的電源來(lái)自電池、燃料電池、太陽(yáng)能電池、超級(jí)電容或功率束(無(wú)線功率傳輸(WPT))等。電動(dòng)飛機(jī)大體上可劃分為全電飛機(jī)和多電飛機(jī)[4]2類，本文重點(diǎn)討論全電飛機(jī)。電在飛機(jī)上的應(yīng)用最先用做活塞發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的電點(diǎn)火，接著用于無(wú)線電通信[5]，Kilgore等在20世紀(jì)40年代提出了用發(fā)電機(jī)發(fā)電驅(qū)動(dòng)多個(gè)螺旋槳旋轉(zhuǎn)的飛機(jī)電推進(jìn)系統(tǒng)方案，并申請(qǐng)了美國(guó)專利[6]，1976年Meier等也申請(qǐng)了用燃料電池或蓄電池驅(qū)動(dòng)螺旋槳的電動(dòng)飛機(jī)專利[7]，由于功率重量比不足,這些技術(shù)只能在大展弦比的低速無(wú)人機(jī)上嘗試。1957年世界上第1架用銀鋅電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)模型飛機(jī)試飛成功，1973年德國(guó)人Fred Militky將奧地利生產(chǎn)的一架HB-3電動(dòng)滑翔機(jī)改裝成了電動(dòng)飛機(jī)Militky MB-E1，使用鎳鎘電池和一個(gè)10 kW直流電機(jī)，成功載人飛行了12 min[8]。世界上第1架太陽(yáng)能電動(dòng)飛機(jī)于1974年11月4日首飛成功[9]，1980年5月18日，一個(gè)13歲少年駕駛“Gossamer Penguin”實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能電動(dòng)飛機(jī)的首次載人飛行[10]，2015年瑞士“陽(yáng)光動(dòng)力2號(hào)”太陽(yáng)能飛機(jī)途經(jīng)中國(guó)進(jìn)行環(huán)球飛行。2009年7月7日，由德國(guó)航空航天中心牽頭研制的燃料電池?zé)o人機(jī)DLR-h1試飛成功，由于德國(guó)禁止無(wú)人機(jī)飛行，該飛機(jī)上雖乘坐1人，但不對(duì)飛機(jī)進(jìn)行操控。2003年9月，NASA研制的束能(功率束)電動(dòng)飛機(jī)模型在室內(nèi)試飛成功。2015年2月6日，中國(guó)民用航空局東北地區(qū)管理局向遼寧通用航空研究院研制的電動(dòng)力輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)RX-1E頒發(fā)了型號(hào)設(shè)計(jì)批準(zhǔn)書(TDA)。2015年7月12日，空中客車公司宣布其E-fan技術(shù)驗(yàn)證機(jī)飛越了英吉利海峽。電動(dòng)飛機(jī)的可行性研究、建模和設(shè)計(jì)也受到廣泛關(guān)注[11-13]。

新能源電動(dòng)飛機(jī)零排放、低噪聲、幾乎不對(duì)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響，代表著飛機(jī)發(fā)展的重要方向。目前新能源電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)已經(jīng)在超輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)(ULSA)和輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)(LSA)上應(yīng)用，提供諸如飛行員培訓(xùn)、觀光、航空體育競(jìng)技等實(shí)際用途。隨著新能源能量密度等指標(biāo)的逐步提升，電動(dòng)飛機(jī)在今后的通用航空市場(chǎng)、甚至運(yùn)輸航空市場(chǎng)都有巨大的發(fā)展空間。本文將重點(diǎn)針對(duì)使用蓄電池為能源的電動(dòng)通用飛機(jī)，從新能源電推進(jìn)系統(tǒng)出發(fā)，研究電動(dòng)飛機(jī)的現(xiàn)狀、技術(shù)特征和性能限制，提出電動(dòng)飛機(jī)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)。

1新能源電推進(jìn)系統(tǒng)

電推進(jìn)系統(tǒng)由為電動(dòng)飛機(jī)提供推力的電機(jī)及相關(guān)裝置構(gòu)成。電推進(jìn)系統(tǒng)是電動(dòng)飛機(jī)的核心，電動(dòng)飛機(jī)的性能和用途主要取決于其電推進(jìn)系統(tǒng)。民用飛機(jī)要進(jìn)入市場(chǎng)，必須得到民航當(dāng)局的許可，即取得適航證。對(duì)于10座以下或起飛總重不大于5 670 kg的噴氣式正常、實(shí)用、特技和通勤類飛機(jī),以及19座以下或起飛總重不大于8 618 kg的螺旋槳正常、實(shí)用、特技和通勤類飛機(jī)，按CCAR-23部或FAR-23部適航標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和取證。美國(guó)聯(lián)邦航空局(FAA)將起飛總重不超過(guò)600 kg的陸上航空器和起飛總重不超過(guò)650 kg的水上起降航空器，且最大平飛空速不超過(guò)122 km/h、失速速度不超過(guò)83 km/h的單、雙座飛機(jī)歸類于輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)，并把這類飛機(jī)的適航標(biāo)準(zhǔn)制訂下放給了美國(guó)試驗(yàn)和材料標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(ASTM)，因而輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)的適航取證按CCAR-21部或FAR-21部以及適用的ASTM標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。目前，LSA電推進(jìn)裝置的設(shè)計(jì)與制造一般遵照ASTM F2840-11標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行[14]。

1.1電動(dòng)飛機(jī)新能源的分類

新能源是一個(gè)廣泛的概念，泛指?jìng)鹘y(tǒng)能源之外的各種能源形式，包括太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮?、海洋能、水能以及由可再生能源衍生出?lái)的生物能和氫能。與傳統(tǒng)能源相比，新能源普遍具有污染少、儲(chǔ)量大、分布均勻等特點(diǎn)。電動(dòng)飛機(jī)新能源主要指電池、燃料電池、太陽(yáng)能電池、超級(jí)電容和功率束。

電池泛指能產(chǎn)生電能的裝置。電池的種類很多，早期電池由于能量密度有限，難以在飛機(jī)上作為推進(jìn)動(dòng)力使用。可用于電動(dòng)飛機(jī)的電池主要有鋰電池、空氣電池和石墨烯電池3類。鋰電池分為鋰離子電池和鋰金屬電池，鋰離子電池(含鋰離子聚合物電池)不含金屬態(tài)的鋰，可充放電，是可用于電動(dòng)飛機(jī)的成熟產(chǎn)品，其理論能量密度大于300 W·h/kg，但為防止充放電爆炸，目前能安全使用的能量密度為100～200 W·h/kg，壽命范圍為500～2 000次充放電，能量密度有進(jìn)一步提升的空間；其他處于科研階段的鋰電池(如鋰硫電池等)能量密度遠(yuǎn)大于目前的鋰離子電池[15]?？諝怆姵刂饕袖\空氣電池、鋰空氣電池、鋁空氣電池、鎂空氣電池等，這些電池的實(shí)用能量密度大于300 W·h/kg，國(guó)內(nèi)鋁空氣電池已經(jīng)在汽車上做過(guò)試驗(yàn)，可能近期就能在飛機(jī)上應(yīng)用，不過(guò)與可充電的蓄電池不同，鋁空氣電池通過(guò)加鋁和更換電解液來(lái)產(chǎn)生電能，其自身就是一個(gè)發(fā)電裝置，消耗經(jīng)特殊工藝加工處理的金屬鋁。“充電1 min跑1 000 km”是石墨烯電池留給大家的印象，盡管理論上這種電池的能量密度高，但目前其應(yīng)用前景尚存爭(zhēng)議，在飛機(jī)上的應(yīng)用有待論證。

燃料電池是一種將燃料的能量轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，從環(huán)保角度考慮，目前應(yīng)用于飛機(jī)的主要為氫燃料電池。由于氫氣和液態(tài)氫的密度小，氫燃料的儲(chǔ)存需要大體積或高壓力的容器，使其用作飛機(jī)的動(dòng)力源受到了一定限制，此外氫燃料電池能量密度高，但功率密度較低，一般要與功率密度高的鋰離子電池配合使用。德國(guó)航空航天中心將一個(gè)90 kW的氫燃料電池安裝在一架A320飛機(jī)上，用來(lái)驅(qū)動(dòng)飛機(jī)前輪轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)不開車情況下的地面電動(dòng)滑行，可節(jié)省高達(dá)15%的燃料消耗。

圖1為電池、氫燃料與其他燃料的質(zhì)量能量密度E*和體積能量密度V*，從圖中可以看出，即使最先進(jìn)的鋰電池與煤油相比，其體積能量密度約為煤油的1/18，而質(zhì)量能量密度僅為煤油的1/60[16]。有趣的是乳液、乳霜等“生物燃料”也有比電池更高的能量密度，盡管目前還沒有將其有效轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)，不難推斷電動(dòng)飛機(jī)的航程或續(xù)航時(shí)間等性能指標(biāo)與油動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)飛機(jī)有較大差距。

太陽(yáng)能電池是通過(guò)光電效應(yīng)或光化學(xué)反應(yīng)把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置，目前應(yīng)用于飛機(jī)的主要是以光電效應(yīng)工作的薄膜式太陽(yáng)能電池。光電轉(zhuǎn)化效率是太陽(yáng)能電池的主要代表性指標(biāo)，單晶硅太陽(yáng)能電池是所有太陽(yáng)能電池中光電轉(zhuǎn)化效率最高的，達(dá)到24%。在大機(jī)翼面積、小翼載荷的飛機(jī)上鋪設(shè)太陽(yáng)能電池板，光照條件下獲取的電能足以支持飛機(jī)的飛行，但儲(chǔ)電裝置的能量密度還不足以保證夜間的等高度飛行，因而太陽(yáng)能飛機(jī)有效載荷較小，維護(hù)性差，其實(shí)用性還相當(dāng)有限。

圖1電池、氫燃料與其他燃料的能量密度
Fig. 1Energy density of battery, hydrogen and other fuels

超級(jí)電容是通過(guò)極化電解質(zhì)來(lái)儲(chǔ)能的一種介于傳統(tǒng)電容器和電池之間的特殊電源，儲(chǔ)能過(guò)程不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)且可逆，因而可反復(fù)充放電數(shù)十萬(wàn)次，具有充電速度快、大電流放電能力強(qiáng)、功率密度大等特點(diǎn)，已在電動(dòng)汽車和風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域得到了應(yīng)用，有望在飛機(jī)上與燃料電池配合使用。功率束或無(wú)線功率傳輸，是將電源的電功率不用固體導(dǎo)線或?qū)w傳輸輸送給用電設(shè)備的一種能量傳輸形式，可通過(guò)輻射技術(shù)、磁場(chǎng)共振技術(shù)、電感耦合技術(shù)傳輸能量，也可通過(guò)激光傳輸能量。盡管無(wú)線功率傳輸不是一個(gè)新的概念，但實(shí)用性的功率束尚處于研究的初期階段，在飛機(jī)上的應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走。

1.2電推進(jìn)系統(tǒng)及其效率

電動(dòng)飛機(jī)的電推進(jìn)系統(tǒng)是指產(chǎn)生用于克服阻力使飛機(jī)前飛的動(dòng)力的一系列零部件組件，包括電源、控制器、電機(jī)、減速器、螺旋槳或涵道風(fēng)扇等，如圖2所示。電源可為太陽(yáng)能電池、燃料電池或電池。

圖2電動(dòng)飛機(jī)的電推進(jìn)系統(tǒng)
Fig. 2Power train for electric aircraft

推進(jìn)系統(tǒng)效率η是指把電池的電能轉(zhuǎn)化為螺旋槳拉力或涵道風(fēng)扇推力的總效率。一般情況下，氫氣通過(guò)燃料電池轉(zhuǎn)化為電能的效率約為60%，太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化為可用電能的效率約為12%。這里的推進(jìn)系統(tǒng)效率定義為電池電能100%地轉(zhuǎn)化為拉力或推力的總效率，若控制器效率為98%，電機(jī)效率為95%，減速器效率為98%，螺旋槳效率為80%，則推進(jìn)系統(tǒng)效率為73%。如果不使用減速器，則系統(tǒng)效率可達(dá)75%。

2電動(dòng)飛機(jī)

從1957年誕生第1架電動(dòng)模型飛機(jī)開始，已經(jīng)出現(xiàn)了數(shù)十種電動(dòng)航空器，包括電動(dòng)模型飛機(jī)、電動(dòng)無(wú)人機(jī)、電動(dòng)旋翼機(jī)、電動(dòng)滑翔機(jī)等。嚴(yán)格意義來(lái)說(shuō)，電動(dòng)飛機(jī)是指在飛機(jī)地面滑出、起飛、爬升、巡航、下降、著陸、滑回等運(yùn)行全過(guò)程中其電動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)均處于工作狀態(tài)的飛機(jī)，本文特指載人飛機(jī)。

2.1電動(dòng)飛機(jī)研究現(xiàn)狀

目前的載人電動(dòng)飛機(jī)有單座的超輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)和雙座的輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)兩類，按23部設(shè)計(jì)的四座電動(dòng)飛機(jī)目前還在概念研究或設(shè)計(jì)階段。電動(dòng)飛機(jī)主要型號(hào)包括：ElectraFlyer Trike、ESA、E430、eSpyder、Cessna 172、Elektra One、APEV Pouchelec、Cri-Cri、E-Fan、e-Genius、Taurus G4和RX-1E等。

ElectraFlyer Trike是美國(guó)電動(dòng)飛機(jī)公司生產(chǎn)的一款電動(dòng)超輕型三角翼，由一臺(tái)質(zhì)量為12 kg、功率為13 kW的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電源為兩塊鋰聚合物電池，可持續(xù)飛行90 min，如圖3所示[17]。

圖3電動(dòng)三角翼[17]
Fig. 3ElectraFlyer Trike[17]

ESA是Sonex飛機(jī)公司開發(fā)的一款雙座電動(dòng)運(yùn)動(dòng)飛機(jī)，空機(jī)質(zhì)量為417 kg，起飛總質(zhì)量為600 kg，用17 kW·h的電池帶動(dòng)一臺(tái)60 kW的電機(jī)，續(xù)航時(shí)間為50 min、航程為140 km，乘坐1人時(shí)可通過(guò)多帶一塊14 kW·h的電池，續(xù)航時(shí)間增加到96 min、航程可達(dá)244 km，如圖4所示[18]。

圖4Sonex飛機(jī)公司的ESA[18]
Fig. 4Electric Sport Aircraft (ESA) of Sonex Aircraft[18]

E430是中國(guó)人創(chuàng)建的優(yōu)利國(guó)際公司研發(fā)的雙座、V尾、大展弦比復(fù)合材料電動(dòng)飛機(jī)(圖5[19])，空機(jī)帶電池質(zhì)量為250 kg，起飛總質(zhì)量為470 kg，用鋰聚合物電池驅(qū)動(dòng)一臺(tái)40 kW電機(jī)，巡航速度為90 km/h、航程為227 km。原型機(jī)參加了2009年的美國(guó)實(shí)驗(yàn)飛機(jī)協(xié)會(huì)(EAA)飛來(lái)者大會(huì)，此前該機(jī)已在美國(guó)試飛了22 h。

eSpyder是一款以散件形式在美國(guó)市場(chǎng)銷售的單座超輕型電動(dòng)飛機(jī)，最先也由優(yōu)利國(guó)際公司開發(fā)，目前由GreenWing國(guó)際公司經(jīng)營(yíng)。飛機(jī)裝有一臺(tái)24 kW電機(jī)，可攜帶100 kg有效載荷，經(jīng)濟(jì)巡航速度為60 km/h、最大速度為90 km/h，在保留30 min電量情況下可飛行1 h，單機(jī)散件售價(jià)約4萬(wàn)美元，如圖6所示[20]。

賽斯納172(見圖7[21])是在賽斯納172“天鷹”油動(dòng)飛機(jī)上改裝的一架電動(dòng)驗(yàn)證機(jī)，由位于科羅拉多州的Beyond Aviation公司開發(fā)，2012年10月19日完成首飛。

Elektra One(見圖8[22])是德國(guó)PC-Aero研發(fā)的單座復(fù)合材料電動(dòng)飛機(jī)，該機(jī)由1臺(tái)16 kW電機(jī)驅(qū)動(dòng)，最大速度為161 km/h，空機(jī)質(zhì)量為100 kg、起飛總質(zhì)量為300 kg，最大航程為500 km，2011年初實(shí)現(xiàn)首飛。

圖5優(yōu)利國(guó)際公司的E430雙座電動(dòng)飛機(jī)[19]
Fig. 5Yuneec International E430 two-seat electric
aircraft[19]

圖6GreenWing國(guó)際公司的eSpyder單座電動(dòng)超輕型飛機(jī)[20]
Fig. 6GreenWing International eSpyder sigle-seat electric ultralight[20]

圖7Beyond Aviation公司的全電賽斯納172“天鷹”[21]
Fig. 7Beyond Aviation’s all-electric Cessna 172 “Skyhawk”[21]

圖8德國(guó)PC-Aero公司的Elektra One單座超輕型電動(dòng)飛機(jī)[22]
Fig. 8PC-Aero Elektra One single-seat ultralight electric
aircraft[22]

APEV Pouchelec是法國(guó)在APEV Pouchel輕型飛機(jī)上改裝的電動(dòng)飛機(jī)，裝有一臺(tái)15 kW電機(jī)，用韓國(guó)Kukam公司的鋰離子聚合物電池作電源，可持續(xù)飛行30 min，改裝前的飛機(jī)如圖9所示[23]。

圖9法國(guó)APEV Pouchelec單座超輕型飛機(jī)[23]
Fig. 9French APEV Pouchelec single-seat ultralight
aircraft[23]

Cri-Cri是空中客車集團(tuán)在老式Colomban Cri-Cri超輕型飛機(jī)上改裝的電動(dòng)驗(yàn)證機(jī)，裝4臺(tái)電動(dòng)機(jī)，以111 km/h的速度可飛30 min或在250 km/h的速度下特技飛行15 min。Cri-Cri于2010年9月2日在巴黎附近的一個(gè)機(jī)場(chǎng)試飛成功，如圖10所示[24]?？罩锌蛙嚰瘓F(tuán)稱該機(jī)是支持公司混合動(dòng)力概念直升機(jī)項(xiàng)目電動(dòng)技術(shù)系統(tǒng)集成的一個(gè)低成本試驗(yàn)平臺(tái)。

E-Fan(見圖11[25])是空中客車集團(tuán)研發(fā)的雙座電動(dòng)飛機(jī)，飛機(jī)用機(jī)載鋰電池作為電源，由2個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)涵道風(fēng)扇產(chǎn)生推力，使飛機(jī)的噪聲級(jí)別更低，該機(jī)2014年首飛成功，受到廣泛關(guān)注?？罩锌蛙嚰瘓F(tuán)稱他們計(jì)劃在不久的將來(lái)研發(fā)商用支線電動(dòng)飛機(jī)。

e-Genius(圖12)是德國(guó)斯圖加特大學(xué)飛機(jī)設(shè)計(jì)所研制的雙座電動(dòng)滑翔機(jī)，該機(jī)在美國(guó)加州舉辦的2011綠色飛行挑戰(zhàn)賽中[26]，用34.7 kW·h的電量消耗，帶動(dòng)力飛行了1 h 50 min，飛行距離為315.7 km，取得了第2名的好成績(jī)[26]。該飛機(jī)空氣動(dòng)力設(shè)計(jì)非常成功，升阻比遠(yuǎn)高于一般飛機(jī),如圖12所示[27]。

Taurus G4(見圖13[28])是斯洛維尼亞Pipistrel公司以Taurus G2電動(dòng)滑翔機(jī)為基礎(chǔ)研制的世界上第一架4座電動(dòng)飛機(jī)，該飛機(jī)采用雙機(jī)身結(jié)構(gòu)，事實(shí)上是將兩架Taurus G2飛機(jī)機(jī)翼連接起來(lái)而成，空機(jī)質(zhì)量為632 kg，帶電池空質(zhì)量為1 132 kg，起飛總質(zhì)量為1 500 kg，裝有一臺(tái)150 kW電機(jī)，電池總電量為90 kW·h，巡航飛行所需功率為32 kW，巡航速度為160～201 km/h。在美國(guó)加州舉辦的2011綠色飛行挑戰(zhàn)賽中，該機(jī)用65.4 kW·h的電量，帶動(dòng)力飛行了1 h 44 min，飛行距離為316.7 km，奪取了挑戰(zhàn)賽冠軍和賽會(huì)大獎(jiǎng)[29]。

圖10空中客車集團(tuán)Cri-Cri電動(dòng)飛機(jī)[24]
Fig. 10Airbus Group’s Cri-Cri electric aircraft[24]

圖11空中客車集團(tuán)E-Fan電動(dòng)飛機(jī)[25]
Fig. 11Airbus Group’s E-Fan electric aircraft[25]

圖12德國(guó)斯圖加特大學(xué)e-Genius電動(dòng)飛機(jī)[27]
Fig. 12University of Stuttgart’s e-Genius electric aircraft[27]

圖13Pipistrel公司Taurus G4 4座電動(dòng)飛機(jī)[28]
Fig. 13Pipistrel’s Taurus G4 four-seat electric aircraft[28]

銳翔(RX-1E)是遼寧通用航空研究院全新設(shè)計(jì)和研制的雙座電動(dòng)力輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)，是世界上第1款按CCAR-21部和ASTM標(biāo)準(zhǔn)取得適航證的電動(dòng)飛機(jī)，該機(jī)裝有1臺(tái)40 kW的永磁直流電機(jī)，起飛總質(zhì)量為500 kg，最大飛行速度為160 km/h，巡航速度為110 km/h，在有一定剩余電量情況下可飛行40 min(見圖14)。首批2架飛機(jī)已于2015年6月交付飛行員培訓(xùn)學(xué)校使用，2015年11月取得生產(chǎn)許可證(PC)并開始批生產(chǎn)。

圖14遼寧通用航空研究院RX-1E電動(dòng)力輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)
Fig. 14Liaoning General Aviation Academy RX-1E
electric light sport aircraft

2.2電動(dòng)飛機(jī)特征

與傳統(tǒng)燃料動(dòng)力飛機(jī)相比，電推進(jìn)系統(tǒng)緊湊性好、可靠性和安全性高、動(dòng)力連續(xù)可變傳輸、功率不隨高度和溫度變化,同時(shí)，損失小、噪聲低、零排放、飛機(jī)運(yùn)營(yíng)成本低[19]。電動(dòng)飛機(jī)在飛行過(guò)程中，飛機(jī)重量不會(huì)發(fā)生變化，飛機(jī)的重心位置不變，因而飛機(jī)的飛行性能和操穩(wěn)特性保持不變，飛機(jī)起飛重量和著陸重量相等，對(duì)著陸沒有任何重量限制，可在任意時(shí)刻著陸。

在氣動(dòng)布局方面，電動(dòng)飛機(jī)以提高升阻比來(lái)彌補(bǔ)機(jī)載能源的不足，一般采用大展弦比機(jī)翼來(lái)降低飛機(jī)的誘導(dǎo)阻力，帶來(lái)的負(fù)面效應(yīng)除了機(jī)翼結(jié)構(gòu)重量會(huì)增加外，過(guò)長(zhǎng)的翼展會(huì)影響飛機(jī)的運(yùn)行和應(yīng)用，如美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的T機(jī)庫(kù)大門寬度為40 ft (1 ft=0.304 8 m)，如果飛機(jī)翼展長(zhǎng)超過(guò)該尺寸，則影響飛機(jī)順利進(jìn)出機(jī)庫(kù)，在翼展長(zhǎng)大于機(jī)庫(kù)大門寬度不多的情況下，可采取傾斜飛機(jī)方式推進(jìn)或推出機(jī)庫(kù)，更大翼展時(shí)則需采取折疊機(jī)翼形式，這又會(huì)增加新的機(jī)構(gòu)和重量等問(wèn)題。

在電動(dòng)飛機(jī)的應(yīng)用方面，由于受到電池能量密度的限制，到2015年只有兩座輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)具有實(shí)用價(jià)值，主要用于飛行員培訓(xùn)。美國(guó)、歐洲、澳大利亞、加拿大等通用航空發(fā)展成熟的國(guó)家和地區(qū)，已經(jīng)為電動(dòng)飛機(jī)進(jìn)入飛行學(xué)校做好了準(zhǔn)備，巴西等通用航空發(fā)展中大國(guó)也對(duì)電動(dòng)飛機(jī)的飛行員訓(xùn)練飛行非常感興趣。

此外，電動(dòng)飛機(jī)的推進(jìn)系統(tǒng)具有相對(duì)尺度無(wú)關(guān)的特性，也就是說(shuō)若將一個(gè)100 kW的電機(jī)和控制器分解成100個(gè)1 kW的電機(jī)、或10個(gè)10 kW的電機(jī)，其總的功率重量比和總效率基本保持不變。前文提及的所有電動(dòng)飛機(jī)都是將傳統(tǒng)飛機(jī)設(shè)計(jì)方案的燃料動(dòng)力系統(tǒng)換成電力推進(jìn)系統(tǒng)，僅是傳統(tǒng)飛機(jī)的電動(dòng)改裝。電推進(jìn)系統(tǒng)的尺度無(wú)關(guān)特性，將使電動(dòng)飛機(jī)具有廣闊的發(fā)展空間，并可能實(shí)現(xiàn)大型商業(yè)飛機(jī)的電動(dòng)化[30]。分布式電推進(jìn)(DEP)是尺度無(wú)關(guān)特性在飛機(jī)上的應(yīng)用方式之一，即在機(jī)翼前緣布置多個(gè)電動(dòng)螺旋槳，如圖15所示，利用其滑流效應(yīng)提高空氣動(dòng)力效率并降低機(jī)翼面積和結(jié)構(gòu)重量。NASA在這方面做了大量研究工作，初步研究表明，利用前緣異步推進(jìn)技術(shù)(LEAPTech)可使飛機(jī)升阻比提高一倍，最大升力系數(shù)接近5.0，機(jī)翼面積減少一半，結(jié)構(gòu)重量顯著減輕[31]。DEP技術(shù)還可以降低飛機(jī)阻力[32]，不過(guò)現(xiàn)有的飛機(jī)設(shè)計(jì)與分析工具不能滿足分布式電推進(jìn)飛機(jī)設(shè)計(jì)的要求，需要研發(fā)新的分析軟件。

圖15NASA蘭利研究中心的前緣異步推進(jìn)技術(shù)飛機(jī)
Fig. 15NASA Langley Research Center’s LEAPTech aircraft

2.3電動(dòng)飛機(jī)能源需求

能源是電動(dòng)飛機(jī)的核心。電動(dòng)飛機(jī)飛行時(shí)重量保持不變，巡航飛行時(shí)，飛機(jī)的所需功率為

Pr=TVc

(1)

式中:T為螺旋槳拉力;Vc為巡航飛行速度。

水平巡航飛行時(shí)，拉力與飛機(jī)阻力平衡，則[21]

(2)

式中:L為飛機(jī)升力；D為飛機(jī)阻力；WTO為飛機(jī)起飛重量(飛行中重量等于起飛重量)；L/D為飛機(jī)升阻比。

巡航飛行消耗的電池功率為

(3)

巡航飛行所需的電池能量為

Eb=Pbtc

(4)

式中：tc為巡航飛行時(shí)間。

若已知電池的質(zhì)量能量密度，可算出飛機(jī)巡航飛行的電池質(zhì)量，加上飛機(jī)起飛著陸所需的電池質(zhì)量，即得飛機(jī)所需的電池總質(zhì)量。

3電動(dòng)飛機(jī)發(fā)展的挑戰(zhàn)

3.1性能限制

電動(dòng)飛機(jī)的航程受到人們的廣泛關(guān)注。尤其是對(duì)4座電動(dòng)飛機(jī)而言，如果沒有足夠的航程，就難以在市場(chǎng)上獲得成功，也就是說(shuō)航程是電動(dòng)飛機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性能指標(biāo)。由于飛行過(guò)程中飛機(jī)質(zhì)量保持不變，因而電動(dòng)飛機(jī)的航程R計(jì)算非常簡(jiǎn)單，由飛行速度V和飛行時(shí)間t確定。

R=Vt

(5)

電池作為飛機(jī)能源時(shí)，飛行時(shí)間等于電池放電時(shí)間，理想條件下

(6)

式中：mb為電池質(zhì)量；E*為電池能量密度。將式(2)和式(3)代入式(6)得

(7)

則飛機(jī)巡航飛行時(shí)的航程為

(8)

式中:mTO為飛機(jī)起飛質(zhì)量;g為重力加速度；mb/mTO為電池質(zhì)量比或電池質(zhì)量系數(shù)。

航程一般取決于巡航速度，但從式(8)可看出，電動(dòng)飛機(jī)巡航飛行的航程與巡航速度沒有關(guān)系，事實(shí)上，巡航速度間接地通過(guò)飛機(jī)升阻比和推進(jìn)系統(tǒng)總效率影響飛機(jī)的航程[16]。

圖16為推進(jìn)系統(tǒng)效率和電池質(zhì)量系數(shù)不變的情況下，航程在不同升阻比下隨電池質(zhì)量能量密度的變化。圖17為推進(jìn)系統(tǒng)效率和電池質(zhì)量系數(shù)不變的情況下，航程在不同電池質(zhì)量能量密度下隨升阻比的變化。圖18為推進(jìn)系統(tǒng)效率和電池質(zhì)量能量密度不變的情況下，航程在不同升阻比下隨電池質(zhì)量系數(shù)的變化。

圖16航程在不同升阻比下隨電池質(zhì)量能量密度的變化
Fig. 16Range vs battery mass specific energy at different L/D

圖17航程在不同電池質(zhì)量能量密度下隨升阻比的變化
Fig. 17Range vs L/D with different battery mass
specific energies

圖18航程在不同升阻比下隨電池質(zhì)量系數(shù)的變化
Fig. 18Range vs battery mass fraction at different L/D

從圖16～圖18可明顯看出，電動(dòng)飛機(jī)航程與電池質(zhì)量能量密度、推進(jìn)系統(tǒng)效率、飛機(jī)升阻比和電池質(zhì)量系數(shù)之間呈線性關(guān)系，這些參數(shù)的變化直接影響航程的大小。從數(shù)值上看，電池能量密度增加對(duì)航程影響最大，飛機(jī)升阻比次之，電池質(zhì)量系數(shù)排第三，最后是推進(jìn)系統(tǒng)效率的影響。也就是說(shuō)，電池性能、飛機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)、電池重量和飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及電推進(jìn)系統(tǒng)總效率直接影響并限制了電動(dòng)飛機(jī)的性能提升。

3.2面臨的挑戰(zhàn)

電動(dòng)飛機(jī)的總質(zhì)量由電池質(zhì)量、空機(jī)質(zhì)量和有效載荷質(zhì)量構(gòu)成，則有

mb=mTO-me-mpayload

(9)

式中:me為空機(jī)質(zhì)量;mpayload為有效載荷質(zhì)量。

則飛機(jī)的航程可寫成

(10)

式中:me/mTO為空機(jī)質(zhì)量系數(shù);mpayload/mTO為有效載荷質(zhì)量系數(shù)。在飛機(jī)空載即有效載荷為0時(shí)，可得飛機(jī)極限航程為

(11)

圖19為推進(jìn)系統(tǒng)效率和飛機(jī)升阻比不變時(shí)極限航程在不同電池質(zhì)量能量密度下隨空機(jī)質(zhì)量系數(shù)的變化。圖20為推進(jìn)系統(tǒng)效率和電池質(zhì)量能量密度不變的情況下,飛機(jī)極限航程在不同升阻比下隨空機(jī)質(zhì)量系數(shù)的變化。圖21為電池質(zhì)量能量密度和飛機(jī)升阻比不變的情況下,極限航程在不同推進(jìn)系統(tǒng)效率下隨空機(jī)質(zhì)量系數(shù)的變化。

顯而易見，電池性能對(duì)電動(dòng)飛機(jī)有最直接的影響。目前鋰離子聚合物電池能量密度在200 W·h/kg以下，由圖20可知，設(shè)計(jì)升阻比為15的飛機(jī)，其極限航程不超過(guò)200 km。因而電池性能是電動(dòng)飛機(jī)面臨的最大挑戰(zhàn)，但電池性能的提高主要取決于世界電池業(yè)的進(jìn)步。從飛機(jī)設(shè)計(jì)角度考慮，電動(dòng)飛機(jī)還需攻克以下關(guān)鍵技術(shù)：

1) 高升阻比空氣動(dòng)力設(shè)計(jì)

由圖20可以看出，升阻比對(duì)航程的影響很大，因而從設(shè)計(jì)上提高飛機(jī)的升阻比是電動(dòng)飛機(jī)設(shè)計(jì)的另一挑戰(zhàn)。由 式(10)可導(dǎo)出，在一定航程下，要保證飛機(jī)質(zhì)量為正，升阻比必須滿足

(12)

圖19極限航程在不同電池質(zhì)量能量密度下隨空機(jī)質(zhì)量系數(shù)的變化
Fig. 19Ultimate range vs empty mass fraction with
different battery mass specific energies

圖20極限航程在不同升阻比下隨空機(jī)質(zhì)量系數(shù)的變化
Fig. 20Ultimate range vs empty mass fraction at
different L/D

圖21極限航程在不同推進(jìn)系統(tǒng)效率下隨空機(jī)質(zhì)量系數(shù)的變化
Fig. 21Ultimate range vs empty mass fraction with
different prolusion system efficiencies

要從飛機(jī)布局優(yōu)選、層流翼身組合體設(shè)計(jì)等方面去確定高升阻比飛機(jī)外形，在機(jī)翼展弦比和飛機(jī)浸潤(rùn)面積之間取得平衡，即在飛機(jī)誘導(dǎo)阻力和零升阻力之間找到一個(gè)最優(yōu)設(shè)計(jì)點(diǎn)，同時(shí)在飛機(jī)制造方面盡量提高復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的表面質(zhì)量。

2) 低空機(jī)質(zhì)量系數(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由圖19～圖21可知，飛機(jī)空機(jī)質(zhì)量系數(shù)對(duì)航程的影響也很大，在機(jī)載設(shè)備一定的情況下，空機(jī)質(zhì)量系數(shù)由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平?jīng)Q定，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上降低飛機(jī)空機(jī)質(zhì)量系數(shù)也是電動(dòng)飛機(jī)設(shè)計(jì)的重要挑戰(zhàn)。由式(10)可導(dǎo)出，飛機(jī)空機(jī)重量系數(shù)必須滿足

(13)

要從輕質(zhì)高效復(fù)合材料的機(jī)翼結(jié)構(gòu)、機(jī)身結(jié)構(gòu)、尾翼結(jié)構(gòu)和起落架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，通過(guò)精準(zhǔn)的分析，在保證飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、疲勞性能的前提下，盡量減輕結(jié)構(gòu)重量，同時(shí)還要注意結(jié)構(gòu)的低成本特性，以增強(qiáng)飛機(jī)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

3) 高效率電動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與集成

由圖21可見，推進(jìn)系統(tǒng)效率對(duì)飛機(jī)的航程也有較大影響，即從設(shè)計(jì)上通過(guò)選擇電推進(jìn)系統(tǒng)組件降低推進(jìn)系統(tǒng)總質(zhì)量，提高系統(tǒng)總效率也是電動(dòng)飛機(jī)設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)。電動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)中電機(jī)是關(guān)鍵組件，要研發(fā)或選擇功率滿足設(shè)計(jì)要求的高效高功率密度電機(jī)，設(shè)計(jì)或選擇高效率電機(jī)控制器和高效低噪聲螺旋槳，盡量降低電推進(jìn)系統(tǒng)質(zhì)量、提高推進(jìn)系統(tǒng)效率。

4結(jié)論

1) 盡管目前電動(dòng)飛機(jī)只是飛機(jī)家族的一個(gè)小分支，但它是綠色航空發(fā)展的主要方向，代表飛機(jī)發(fā)展的未來(lái)。不過(guò),在今后可預(yù)見的一段時(shí)間內(nèi)，只有19座以下的電動(dòng)飛機(jī)在技術(shù)上具有可行性，因而電動(dòng)飛機(jī)主要用于通用航空。

2) 通用航空產(chǎn)業(yè)是中國(guó)新常態(tài)下重要的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，也是一個(gè)社會(huì)成熟、進(jìn)步的重要標(biāo)志，中國(guó)通航產(chǎn)業(yè)的發(fā)展不能再走汽車業(yè)“發(fā)展-污染-治理”的老路，應(yīng)借電動(dòng)汽車的東風(fēng)大力發(fā)展電動(dòng)通用飛機(jī)，從源頭控制通用航空對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響。

3) 新能源電動(dòng)飛機(jī)是中國(guó)與世界領(lǐng)先水平發(fā)展同步的少數(shù)領(lǐng)域之一，關(guān)心支持電動(dòng)飛機(jī)在技術(shù)、產(chǎn)業(yè)和市場(chǎng)等方面的進(jìn)步將有助于我們利用后發(fā)優(yōu)勢(shì)，占領(lǐng)世界通用航空新技術(shù)領(lǐng)域及產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新高地，提高科技創(chuàng)新能力。

4) 電動(dòng)飛機(jī)的發(fā)展還面臨一些挑戰(zhàn)，需要攻克一系列關(guān)鍵技術(shù)：①電池的能量密度、充放電性能和循環(huán)壽命需進(jìn)一步提升；②高升阻比空氣動(dòng)力設(shè)計(jì)技術(shù)需繼續(xù)挖潛并實(shí)現(xiàn)分析的精細(xì)化；③低成本的輕質(zhì)高效復(fù)合材料結(jié)構(gòu)需在安全和壽命約束下深化減重優(yōu)化設(shè)計(jì)；④努力提升電推進(jìn)系統(tǒng)的總體效率。

5) 目前的電動(dòng)飛機(jī)基本上是傳統(tǒng)飛機(jī)方案上的改裝設(shè)計(jì)，即用電推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)取代消耗燃料的往復(fù)式動(dòng)力裝置，沒有利用電推進(jìn)系統(tǒng)的尺度無(wú)關(guān)特性，分布式電推進(jìn)系統(tǒng)和飛機(jī)空氣動(dòng)力特性的綜合設(shè)計(jì)是存在巨大技術(shù)潛力的研究和發(fā)展方向。

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黃俊男， 博士， 教授， 博士生導(dǎo)師。主要研究方向： 飛機(jī)總體設(shè)計(jì)， 隱身技術(shù)。

Tel： 010-82317347

E-mail: junh@china.com

楊鳳田男， 中國(guó)工程院院士， 博士生導(dǎo)師。主要研究方向： 飛機(jī)設(shè)計(jì)。

Tel： 024-89895555

Received： 2015-08-28; Revised: 2015-09-25; Accepted: 2015-10-09; Published online: 2015-10-2616:40

URL： www.cnki.net/kcms/details/11.1929.V.20151026.1640.004.html

Development and challenges of electric aircraft with new energies

HUANG Jun1, 2, *, YANG Fengtian1

1. Liaoning General Aviation Academy, Shenyang110136, China 2. School of Aeronautic Science and Engineering, Beihang University, Beijing100083, China

Abstract:To develop green aviation is the common understanding of the society of human beings and new energy electric aircraft provides a bright technological approach to achieve a complete green aviation. The impacts of aviation on environment, applications of electricity in airplane and development history of electric aircraft have been briefly described at the beginning of this paper. The energy classification and the electric propulsion system with its overall efficiency of new energy powered electric aircraft are more deeply studied. Focusing on manned light sport aircraft, the development status, characteristics and energy demand of electric airplane are analyzed. Through researches of range and ultimate range of manned electric aircraft with energy of battery, challenges or key technologies faced by the electric aircraft, which include battery energy density upgrade and performance improvement, high lift-to-drag ratio aerodynamic aircraft design, low-cost lightweight efficient composite aircraft structure design and manufacture, high efficiency electric propulsion system design and integration, are put forward. Finally, the recommendations of striving to develop electric aircraft and future research directions in this field are provided.

Key words:green aviation; electric aircraft; electric propulsion system; new energy; range; technical challenge

*Corresponding author. Tel.： 010-82317347E-mail: junh@china.com

作者簡(jiǎn)介：

中圖分類號(hào)：V221.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-6893(2016)01-0057-12

DOI：10.7527/S1000-6893.2015.0274

*通訊作者.Tel.： 010-82317347E-mail: junh@china.com

收稿日期：2015-08-28; 退修日期: 2015-09-25; 錄用日期: 2015-10-09; 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間: 2015-10-2616:40

網(wǎng)絡(luò)出版地址： www.cnki.net/kcms/details/11.1929.V.20151026.1640.004.html

引用格式： 黃俊， 楊鳳田． 新能源電動(dòng)飛機(jī)發(fā)展與挑戰(zhàn)[J]． 航空學(xué)報(bào), 2016, 37(1): 57-68. HUANG J, YANG F T. Development and challenges of electric aircraft with new energies[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2016, 37(1): 57-68.

http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn