美國NASA  X-57全電動飛機(jī)

德國宇航中心的平流層太陽能無人機(jī)

eFlyer 800全電動雙渦槳飛機(jī)

法國奧拉航空公司研發(fā)的19座電動飛機(jī)

電動飛機(jī)技術(shù)是一項跨時代的高精尖新技術(shù)，與新能源電動汽車技術(shù)是一對孿生“兄弟”，有著相同的發(fā)展軌跡，已成為世界航空工業(yè)發(fā)展的核心技術(shù)之一。它改變了傳統(tǒng)飛機(jī)設(shè)計理念，從飛機(jī)綠色環(huán)保、高效節(jié)能、智能互聯(lián)的理念出發(fā)，來優(yōu)化整個飛機(jī)的設(shè)計，在很大程度上提高了飛機(jī)的可靠性、實用性、環(huán)保性、舒適性和可維護(hù)性，是未來飛機(jī)的發(fā)展方向。
　　所謂全電動飛機(jī)，是指飛機(jī)上的全部元器件都是以電能驅(qū)動的。電動飛機(jī)技術(shù)發(fā)展的核心是電力推進(jìn)技術(shù)。當(dāng)今電力推進(jìn)技術(shù)的進(jìn)步非?？?，飛機(jī)燃油的能量密度約為12.7kWh/kg，而目前電池能量密度最大也只能達(dá)到0.5kWh/kg，相差甚遠(yuǎn)，但可以分步走，先從小飛機(jī)開始。據(jù)媒體報道，美國全電動飛機(jī)賽斯納208B于2020年6月28日在摩西湖完成首飛。與汽油發(fā)動機(jī)相比，電推進(jìn)系統(tǒng)具有極大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，30min僅消耗6美元的電力。
　　2020年6月上旬，歐洲航空監(jiān)管部向一架名為Velis Electro的全電動全鋁雙座教練機(jī)頒發(fā)了全球首份認(rèn)證，為電動飛機(jī)投入商業(yè)飛行掃清了障礙。
　　為了降低飛機(jī)的凈質(zhì)量，電動飛機(jī)用了盡量多的鋁材，除了飛機(jī)結(jié)構(gòu)是用鋁合金制造的外，電池系統(tǒng)也幾乎全是鋁材打造的。
　　現(xiàn)在中國、美國以及歐洲國家的大型飛機(jī)制造公司都在追求用新能源飛機(jī)替代造成碳排放的大型飛機(jī)。這是未來航空鋁材應(yīng)用的市場“藍(lán)海”。鋁加工廠宜與飛機(jī)公司一同開發(fā)鋁材在未來電動飛機(jī)上的應(yīng)用。
　　混合動力飛機(jī)時代開始啦
　　雙座的韋利斯全電動輕型飛機(jī)從2022年開始已悄然在歐洲各地上空盤旋。加拿大不列顛哥倫比亞省于2022年8月開始測試電動水上飛機(jī)，而且更大型的電動飛機(jī)即將面世。加拿大航空公司2022年9月15日宣布，將從瑞典哈特飛機(jī)公司購買30架混合動力支線飛機(jī)。哈特公司計劃在2028年前推出30座的混合動力飛機(jī)。美國國家可再生能源實驗所有關(guān)人士指出，首款50～70座的混合動力通勤飛機(jī)可能會于今年起飛。據(jù)推測，在本世紀(jì)30年代，電動航空時代可能會真正到來，這對全球減排降碳非常重要。當(dāng)前，全球約有3%的碳排放來自航空業(yè)，隨著人口的增長，航班將越來越多，到2050年，航空業(yè)的CO2排放量可能會是2020年的3～5倍。飛機(jī)是最復(fù)雜的交通工具之一，要使其實現(xiàn)電動化，存在一定難度，比如要讓現(xiàn)有飛機(jī)電動化，最大的問題是電池質(zhì)量。如果用現(xiàn)有的電池驅(qū)動一架B737客機(jī)，就必須撤下所有的乘客和貨物，然后用電池把騰出的空間塞得滿滿的，這樣僅能飛行不到1h。為了縮小這之間的差距，我們要么使鋰電池變得更輕，要么開發(fā)儲更多電能的新型電池。
　　由于電池重量的問題不能解決，使得電動大飛機(jī)目前無法完全實現(xiàn)，但可以先用混合動力飛機(jī)，通過使用混合動力推進(jìn)系統(tǒng)，在大客機(jī)上用電池替代一部分燃油。美國和澳大利亞一些公司正在試圖在短期內(nèi)實現(xiàn)這一點，目標(biāo)是在2030—2035年在小型飛機(jī)上試用。因為飛行中燃燒的油越少，溫室氣體排放就越少。
　　飛機(jī)對零件的質(zhì)量要求是非常嚴(yán)格的，因此，必須非常明智地確定混合動力系統(tǒng)的混合方式和混合程度。在飛機(jī)起飛和爬升階段可以用電池作為動力輔助，也有人建議，飛機(jī)在跑道上滑行時僅使用電力，也能節(jié)省不少燃油并減少在飛機(jī)場的碳排放?；旌蟿恿夹g(shù)是大型噴氣式飛機(jī)的中期選擇，但對支線飛機(jī)來說是近期解決方案。
　　2025年召開的日本大阪世博會
　　將有空中出租車服務(wù)
　　據(jù)日本共同社2023年3月17日報道，日本計劃在2025年大阪世博會期間將空中飛行汽車列為主要亮點之一，這些“飛車”將成為進(jìn)入大阪灣一個人工島上的活動場館的交通工具。日本丸紅公司于2023年3月14日用美國制造的單座機(jī)在大阪城公園進(jìn)行了測試。測試時，空中飛行汽車在螺旋槳轉(zhuǎn)動約10s后垂直升空，在約高8m的上空重復(fù)了前后左右移動和轉(zhuǎn)向動作，隨后平平穩(wěn)穩(wěn)著陸。試飛員說，試飛感覺良好，就像玩游戲機(jī)。據(jù)稱，日本大阪世博會所使用的飛行汽車每輛可搭載2～5人，將把世博會舉辦地大阪人工島——夢洲島上的3個場館區(qū)域連接起來。另外，提供空中飛行汽車服務(wù)的還有全日空控股公司與美國初創(chuàng)企業(yè)喬比航空公司合作運營5座垂直起降機(jī)、日本航空公司計劃部署德國沃洛科普特公司開發(fā)的雙座機(jī)和位于日本中部地區(qū)的天空駕駛公司也打算利用自己開發(fā)的產(chǎn)品提供雙座機(jī)服務(wù)。
　　據(jù)日本經(jīng)濟(jì)新聞網(wǎng)站2020年9月22日報道，日本石川島播磨重工集團(tuán)（IHI）航空航天公司開發(fā)出可以讓飛機(jī)設(shè)備的電動化比例進(jìn)一步提升至最大超過90%的系統(tǒng)，力爭2030年中期投入使用。IHI開發(fā)的是在使用普通飛機(jī)引擎的情況下，實現(xiàn)空調(diào)等其他設(shè)備電動化的系統(tǒng)。該公司開發(fā)了用于燃料泵的高輸出功率馬達(dá)和空冷式散熱技術(shù)等，并將其結(jié)合起來，設(shè)想以此取代以往使用燃料的設(shè)備，如果用于B787飛機(jī)上，可使燃料效率提高4%以上。雖然只有4%，但對航空公司來說，卻是一筆不可勿視的成本削減。燃料費占航空公司成本的20%，飛機(jī)飛行時，引擎消耗燃料較多，而在地面上和降落時，其他設(shè)備的燃料消耗約占95%。
　　IHI力爭最早于2030年中期實現(xiàn)該系統(tǒng)的實用化，并向波音公司等企業(yè)提供。2020年，波音B787的空調(diào)等諸多設(shè)備已實現(xiàn)電動化，飛機(jī)系統(tǒng)的電動化水平已達(dá)77%，在行業(yè)處于領(lǐng)先水平。通過引進(jìn)IHI此次開發(fā)的技術(shù)，B787飛機(jī)電動化比例可以提高到94%。IHI的競爭對手法國賽峰集團(tuán)和美國柯材斯航空航天公司也在開發(fā)電動空調(diào)和電力推進(jìn)系統(tǒng)，但I(xiàn)HI研究進(jìn)度更快一些。
　　電動飛機(jī)距離我們并沒有那么遙遠(yuǎn)，尤其適用于短途運輸。雙座的韋利斯電動輕型飛機(jī)已經(jīng)悄然在歐洲各地上空掠過，加拿大不列顛哥倫比亞省正在測試水上飛機(jī)，而且更大型的飛機(jī)即將問世。加拿大航空公司于2022年9月15日宣布，將從瑞典哈特公司購買30架混合動力支線飛機(jī)。哈特公司預(yù)計將在2028年前推出30座的混合動力飛機(jī)。美國國家可再生能源實驗所的分析人士指出，首款50～70座的混合動力通勤飛機(jī)可能很快就會問世，或?qū)⒃诒臼兰o(jì)30年代，電動航空可能會真正起飛。
　　美國NASA的X-57
　　全電動飛機(jī)通過種種測試
　　美國國家航空航天局（NASA，National Aeronautics and Space Administration）的X-57麥克斯韋全電動飛機(jī)達(dá)到了其首次飛行的另一個里程碑，其巡航電機(jī)控制器的熱測試確認(rèn)已成功。熱測試是關(guān)鍵的一步，很重要，因為它驗證了控制器的設(shè)計、可操作性和工藝質(zhì)量，是為X-57的實驗性電機(jī)提供動力的關(guān)鍵部件。這些復(fù)雜系統(tǒng)有對溫度敏感的部件，必須能夠承受飛行中的極端條件。
　　巡航電機(jī)控制器將儲存在飛機(jī)鋰離子電池中的能量轉(zhuǎn)換為飛機(jī)電機(jī)的動力，從而驅(qū)動螺旋漿。控制器使用碳化硅晶體管，在高功率起飛和巡航期間提供98%效率，這意味著它們不會產(chǎn)生過多的熱量，可以通過流經(jīng)電機(jī)的空氣冷卻消納。
　　X-57是在意大利泰克蘭飛機(jī)制造公司的P2006T雙引擎螺旋槳飛機(jī)基礎(chǔ)上改造的，自2015年以來一直處于研發(fā)階段。這款飛機(jī)的最終機(jī)型也就是4階段機(jī)型，具有更窄、更輕的機(jī)翼，總共有14臺電動發(fā)動機(jī)，兩個機(jī)翼前緣各分布6臺較小的升力發(fā)動機(jī)，兩個翼尖上各有1臺比較大的巡航發(fā)動機(jī)。
　　為了取得適航認(rèn)證，該公司從2021年起就正式開展試驗。新興企業(yè)可能躋身此前大企業(yè)占主導(dǎo)的飛機(jī)市場。航空公司本來就對可降低燃油費的高燃效機(jī)型存在需求。近年來，環(huán)保限制越來越嚴(yán)格，各家航空公司都在引進(jìn)電動化技術(shù)。
　　有人認(rèn)為，從中長期看，電動化將提前實現(xiàn)。航空公司一方面推遲采購大飛機(jī)；另一方面繼續(xù)引進(jìn)支線飛機(jī)等小型飛機(jī)，而小飛機(jī)的電動化技術(shù)有可能提高。另一個推動電動化的因素是歐盟的政策。歐盟將“綠色復(fù)蘇”（考慮到減少碳排放的經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇）作為新冠疫情后經(jīng)濟(jì)重建的核心。法國政府在針對航空公司的救濟(jì)條件中要求減少CO2排放。作為融資條件，要求法國航空—荷蘭皇家航空集團(tuán)在2024年前將CO2排放量削減50%。此類動向在歐盟范圍內(nèi)將越來越普遍。
　　2020年5月，航空技術(shù)有限公司和馬尼克斯公司在美國華盛頓州完成了塞斯納公司大蓬車飛機(jī)電動改裝機(jī)eCaravan的首次飛行，證明可以解決較大飛機(jī)的電池重量問題。
　　由于功率和能量需求大、平臺復(fù)雜，干線電動飛機(jī)尚處于概念研究階段。NASA與通用電氣公司、波音公司等聯(lián)合提出了N3-X、STARC-ABL等多項概念方案。美國空軍研究實驗室也提出了電推進(jìn)運輸機(jī)概念方案，通過超導(dǎo)電機(jī)、邊界層吸入、分布式推進(jìn)等技術(shù)大幅提升效率。
　　電動超聲速民機(jī)企業(yè)艾里翁公司（Aerion）在2050年愿景中提出了發(fā)展全電及混合電推進(jìn)超聲速/高超聲速民用飛機(jī)計劃。該公司認(rèn)為，到2040年，航空運輸業(yè)的飛行速度可能高達(dá)3.8～4.5Mach，甚至大于5Mach，洛杉磯到東京的飛行時間可在2h內(nèi)完成；到2050年，則可能實現(xiàn)全電推進(jìn)的超聲速飛行，目前還有多項技術(shù)困難亟待解決。熱管理是一個關(guān)鍵問題，需要開發(fā)主動冷卻、非燒蝕高溫蒙皮等新技術(shù)予以解決；需要新型高能量密度電池及相應(yīng)的能量管理技術(shù)。此外，全電推進(jìn)飛機(jī)重心無法像傳統(tǒng)飛機(jī)一樣通過燃油進(jìn)行調(diào)整，也需要相應(yīng)的解決方法。
　　艾里翁公司（Aerion）已提出AS2超速公務(wù)機(jī)方案。該機(jī)由3臺GE（通用電氣公司）發(fā)動機(jī)提供動力，設(shè)計max航程在1.4Mach速度下為7780km，在0.95Mach時為1萬km。該公務(wù)機(jī)計劃2024年首飛，并在2026年投入服務(wù)。目前已有多家公司提出超聲速飛機(jī)方案，但還面臨一些障礙。首先，美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）為代表的監(jiān)管機(jī)構(gòu)禁止開展陸地上空超聲飛行，因為會帶來噪聲；其次，在起飛和降落階段，超聲速飛機(jī)的噪聲必須滿足相關(guān)限制。
　　AS2將使用“馬赫截止”（Mach Cutoff）技術(shù)，將引爆引導(dǎo)向上方投射，從而降低其對下方陸地的影響。該機(jī)的發(fā)動機(jī)采用新型“空氣直接捕獲”合成燃料技術(shù)，可從空氣中捕獲CO2并通過新技術(shù)將其與H2合成清潔燃料，供發(fā)動機(jī)使用。
　　由于功率和能量需求大，平臺復(fù)雜，干線電動飛機(jī)尚處于概念研發(fā)階段。NASA與通用電氣公司和波音公司等聯(lián)合提出了N3-X、STARC-ABL等多種概念方案，美國空軍研究實驗室也提出了電推進(jìn)運輸機(jī)概念方案，通過超導(dǎo)電機(jī)、邊界層吸入、分布式推進(jìn)等技術(shù)大幅提高效率。
　　近年來，電動飛機(jī)成為航空業(yè)發(fā)展的焦點，能夠有效應(yīng)對航空業(yè)面臨的環(huán)境挑戰(zhàn)，降低碳排放與噪聲，一方面提高了航空運輸業(yè)的效率，另一方面催生了城市空運等新型航空運輸業(yè)的發(fā)展。
　　德國宇航中心平流層
　　太陽能無人機(jī)
　　2021年5月，德國宇航中心推出了由其17個研究所共同研發(fā)的名為“HAP─阿爾法”的平流層太陽能無人機(jī)。該機(jī)重36kg，有效載荷5kg，翼展27m，飛行高度可上升到20km，可根據(jù)不同的設(shè)備執(zhí)行各種任務(wù)。此外，該機(jī)升至平流層后，便不受氣象和續(xù)航時間限制。該機(jī)已于2022年底首飛，最初的試飛為幾百米的低空飛行。
　　Bye航宇公司的全電動雙渦槳飛機(jī) eFlyer 800
　　由Bye航宇公司研發(fā)的全電動雙渦槳飛機(jī)eFlyer 800于2021年5月面世。該機(jī)設(shè)有8座，可有效地滿足支線客運、貨運日益增長的需求，且具有性能好、實用性強(qiáng)、運營成本低等突出優(yōu)勢。得益于先進(jìn)的電動機(jī)和高能量密度電池技術(shù)，eFlyer 800可實現(xiàn)雙發(fā)渦槳高動性能、高安全性能、零碳排放、低噪聲和極低運營成本等目標(biāo)。飛機(jī)max巡航速度583km/h，max飛行高度10.67km，如果以常規(guī)巡航速度519 km/h飛行，單次充電飛行時間約45 min，航程約926km。
　　eFlyer 800飛機(jī)安全性強(qiáng)，配備的典型安全保障裝備有機(jī)翼上的ENGINeUS電動機(jī)，由4組冗余鋰電池組提供動力；完整降落傘系統(tǒng)；緊急自動著陸系統(tǒng)；基于智能算法的飛機(jī)包線防護(hù)；內(nèi)置地形規(guī)避的緊急自動著陸引導(dǎo)系統(tǒng)；可選維持電池組電量的太陽能電池和用于滑行的車輪上電動馬達(dá)等。
　　Bye航宇公司目前正在進(jìn)行專業(yè)飛行訓(xùn)練用eFlyer 2平臺，空中出租/貨運/訓(xùn)練用eFlyer平臺的美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）第23部標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證。據(jù)該公司粗略估計，隨著eFlyer系列平臺的逐步如期交付/替換應(yīng)用，全球總碳排放量有望降低數(shù)百萬噸，這對環(huán)保事業(yè)的貢獻(xiàn)十分突出。
　　電動飛機(jī)技術(shù)是當(dāng)前英國制造業(yè)發(fā)展的重點方向，英國首相鮑里斯表示將發(fā)展電動飛機(jī)作為英國經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇和維持航空業(yè)全球領(lǐng)先地位的重要舉措，提出將在全球范圍內(nèi)率先完成零排放遠(yuǎn)程客機(jī)研制。FlyZero電動飛機(jī)計劃是重點研究領(lǐng)域，對電動飛機(jī)研發(fā)提供了廣泛的資助，涉及電推系統(tǒng)、平臺集成、基礎(chǔ)設(shè)施等多個領(lǐng)域。
　　歐盟主要國家（德國、法國、荷蘭等）航空研究機(jī)構(gòu)積極開展合作，在氫動力系統(tǒng)、分布式電推進(jìn)技術(shù)等領(lǐng)域開展了大量的工作。歐洲航空安全局建立健全適航法規(guī)，針對電推進(jìn)系統(tǒng)、電動重直起降飛行器等技術(shù)發(fā)布認(rèn)證框架、符合性方法征求意見稿。
　　法國奧拉航空公司19座電動支線飛機(jī)。早在2021年3月，法國奧拉航空公司（Aura Aero）就宣布研發(fā)一型19座電動支線飛機(jī)，爭取2024年實現(xiàn)首飛，2026年投入使用。該機(jī)配有電動發(fā)電機(jī)和專門開發(fā)的電池，并計劃推出貨運機(jī)。該項目得到了當(dāng)?shù)卣?00萬～500萬歐元支持。
　　賽斯納全電動208B飛機(jī)。該機(jī)于2020年5月28日從摩西湖的跑道上起飛，完成首飛，搭載5名乘客，航行160km，由馬尼克斯公司（Magni X）的Magni 500提供動力。這是到2020年為止最大的全電動運輸飛機(jī)。長期以來，受電池能量密度相對較低的困擾，飛機(jī)航程與有效載荷受到限制，但這次首飛證明全電動飛機(jī)可以在經(jīng)濟(jì)可行的前提下運行短途航線。項目在2021年實現(xiàn)了搭載9名乘客、航程160km的目標(biāo)。與汽油發(fā)動機(jī)相比，電推進(jìn)系統(tǒng)具有顯著的成本優(yōu)勢，30min僅消耗6美元的電力。馬克尼克斯公司是全電推進(jìn)系統(tǒng)領(lǐng)域的明星初創(chuàng)公司，其推出了Mgni250與Mgni 500兩型電機(jī)，前者功率280kW，已應(yīng)用于以色列愛麗絲分布式電推進(jìn)飛機(jī)；后者功率560kW。
　　蝙蝠飛機(jī)制造公司2020年推出歐洲首架電動飛機(jī)，用于培訓(xùn)飛行員的雙座飛機(jī)，歐洲監(jiān)管部門為其頒發(fā)了世界上電動飛機(jī)首份安全認(rèn)證證書，是歐洲航空安全局認(rèn)證的第一架電動飛機(jī)。它名為Velis Electro，與傳統(tǒng)輕型教練機(jī)相似，其螺旋槳由電機(jī)驅(qū)動，巡航速度161km/h，不排放任何尾氣，幾乎沒有噪聲，但它的電池只能讓它在空中飛行1h，它的冷卻系統(tǒng)可預(yù)防電機(jī)和電池過熱。此機(jī)一面世，就受到用戶的歡迎，僅2020年收到的訂單就超過130架，客戶主要為飛行學(xué)校，2020年計劃生產(chǎn)31架。
　　英國羅羅公司于2020年開始研發(fā)電力驅(qū)動的飛機(jī)樣機(jī)，巡航速度480km/h，是全球最快的電動飛機(jī)之一。如乘坐1人，充1次電可飛行約320km，可從倫敦飛到巴黎。
　　挪威的威德羅航空公司提出的目標(biāo)是：2030年前將實現(xiàn)短程飛機(jī)的電動化。瑞典的機(jī)場企業(yè)計劃在2030年把國內(nèi)航班限定為不含化石燃料的機(jī)型。