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电推进飞机:开启航空业的新时代

发布时间:2020-06-02 08:33:16 浏览数:

近日,美国《航空周刊》发布了欧洲最大的战略管理咨询公司罗兰贝格咨询公司针对飞机电推进系统研发的最新市场研究报告。报告显示,全球约有100个电推进飞机项目正处于研发阶段,其中有近一半的项目是2017年左右启动的。

与以往飞机项目大多由几家知名的飞机制造商和研发机构主导不同,在如今的电推进飞机项目中,新兴的创业型公司成为了主力军。罗兰贝格咨询公司指出,从制造商们参与的热情来看,电推进飞机有望开启航空业的新时代。

小微企业成主角

2017年年底,罗兰贝格咨询公司发布了第一份关于电推进领域研究项目的调查报告。在当时统计的70个项目中,航空航天领域巨头所主导的项目占18%,航空航天供应商主导的项目占31%,新兴创业型公司和独立投资人主导的项目占46%,非航空航天企业主导的项目占5%。

时隔近一年后,此次罗兰贝格咨询公司发布的这份涉及近100个电推进飞机项目的研究报告中,新兴创业型企业的占比再次提高。目前,约有60%的电推进飞机项目是由新兴创业型公司和独立投资人所主导,约30%由航空航天企业主导,10%由学术机构和政府主导,如NASA、欧盟等,另外还有少部分项目由西门子、卡拉什尼科夫康采恩等大型非航空航天公司所主导。

在不到一年的时间里,从两组数据的对比能看出,越来越多的新兴创业型公司热衷于研发电推进飞机,这些新鲜血液的加入为电推进技术的发展注入了活力。

罗兰贝格咨询公司发布的报告显示,正在进行的电推进飞机研发项目中,從飞机的使用模式来看,大多数电推进飞机都朝着通用航空和城市空运的方向发展。美国和欧洲的企业依旧是电推进飞机项目的主力军,但是中国、以色列等国的企业也开始涉足这一领域。如中国智能无人机公司亿航就是这个领域的后起之秀。在2016年CES国际消费类电子产品展览会上,亿航公司发布了全电力低空自动驾驶载人飞行器——亿航184。如今,公司正在研制更大的垂直起降电动飞机。

从技术层面来看,这些新兴创业型公司所研发的飞机基本上都是全电动的,电池是飞机唯一的动力来源。因此,罗兰贝格咨询公司预测,尽管全电动飞机的商业化运营还为时过早,但是电池作为飞机动力来源的趋势正在逐步形成,这将对产业的长远发展产生重要的影响。

首先,电池供应商未来将成为继飞机主制造商、发动机制造商之后的又一个重要的飞机制造领域的参与者。谁能成为主流的电力系统供应商将是业界关注的焦点。而对于电池供应商而言,要想在商用航空市场立足,首先要攻克的是美国联邦航空局和欧洲航空安全局的适航认证。目前,已有电力系统供应商开始了这方面的尝试,但是距离真正的取证还有很大的差距。

其次,对于机场来说,如果全电动飞机未来在通用航空领域得到广泛应用的话,那么机场就需要建造新的基础设施来容纳这些新能源飞机。

罗兰贝格咨询公司在报告中指出,尽管新兴创业型公司对电推进飞机的研发热情十足,但是未来具有投入商业运营价值的项目却并不太多。

成立于2015年的以色列Eviation飞机公司正在研发的Eviation Alice全电动飞机是目前业内较为看好的一款机型。这款飞机有三个螺旋桨,其中两个分别安装在翼尖,另一个安装在机身后方。这款飞机拥有全电力推进系统,95%的机身用复合材料制成。

在这款飞机的研制过程中,制造商大量采用了3D打印技术。Eviation飞机公司用3D打印机和ABS材料在20个小时内制造出机翼电机的原型,还利用ULTEM材料(一款可用于严苛环境中的热塑性材料)制造了一款复合铺设工具,3D打印的部件被覆盖在碳纤维材料中,用于支撑光滑、气动的飞机表面结构。3D打印技术不仅帮助公司节省了数十万美元的研发经费,还缩短了飞机的研制周期。根据计划,这架全电动飞机将在2018年年底首飞,2021年前后投入商业运营。

作为“城市空运计划”的倡导者,优步公司则专注于研发全电动垂直起降(eVTOL)飞机,这类飞机从“体格”上看介于大型无人机和小型飞机之间。凭借多个小型转子和电动推进器,优步的垂直起降飞机将比传统的直升机安静得多,飞行效率也更高。此外,优步还与NASA合作,后者将为其开发空中交通管理系统。优步希望,未来这些垂直起降飞机能够在更加严格的空中交通管制标准下运行。

总部位于新加坡的HES能源系统公司在2018年10月公布了4座氢燃料电推进飞机研发计划,并将该飞机命名为“元素一号”(Element One)。“元素一号”的续航能力远超由普通电池供电的电动飞机,具有安静、零碳排放、个性化、按需、分散化等特点,适用于乡村城镇之间的支线飞行。

据悉,HES公司提出的氢-电推进系统支持模块化方案,可以在不改变现有无人机尺寸的情况下,直接安装到机翼下方的吊舱内。“元素一号”在机翼上安装14个电动机,通过多系统冗余增加了安全性,如果一个系统发生故障,还有13个可以正常工作。每个吊舱内都有一个独立的电动机,且配备了可插拔更换的燃料电池和氢储存罐,这种方法带来的不仅是分布式的推进能力,还有分布式的存储能力。因为在飞机内部储存氢的量是有限制的,这会占用机身的大量空间,将它分成若干个部分,在每个电机后面安装一个氢储存罐,能有效提升燃料携带量。

在理想状态下,如果采用压缩气态氢作为燃料,“元素一号”足以搭载4名乘客飞行5个小时,航程达到500公里。如果使用液态氢作为燃料,有可能将续航时间增加到15~20小时,航程可达5000公里。

老牌劲旅不甘人后

尽管与新兴创业型公司相比,以波音、空客等为代表的老牌劲旅可能在新技术的敏感度方面略逊一筹,但凭借深厚的技术储备和雄厚的财力,这些航空巨头在电动飞机的研制方面也取得了不俗的成绩。

波音公司早在1990年就开始了对电动飞机的研发工作。当时波音的设想是用14年左右的时间来制造混合电推进的787飞机。但在2013年的试飞中,由于锂电池没有适当的短路保护措施导致电池烧毁。此后,波音进行了保护性措施方面的改进。

根据波音的设想,使用混合电推进技术能够为航空公司用户节省约20%的燃油,这已经是目前所有同级别飞机中的最低油耗,但是在燃油价格上涨、航空碳排放管制的背景下,全电动飞机才是波音乃至所有航空公司真正追求的“梦想飞机”。

因此,波音2017年与易捷航空一起投资了电动飞机制造商Zunum Aero公司,合作研发电动飞机ZA10。在这款飞机上,传统的内燃机引擎消失了,取而代之的是飞机尾部的两个电力驱动的引擎。从目前来看,电池依旧是最核心的难题。

目前的可充电锂电池能量密度不足燃油的1%。以特斯拉的18650电池为例,如果要将波音747的燃料箱全部塞满这种电池,则需要将电池的能量密度提高138倍,才能提供充足的能量让飞机起飞。然而,近20年电池生产商只是将锂电池的能量密度从200瓦时/千克提升到接近550瓦时/千克,并且未来提升能量密度的难度越来越大。

正是因为电池能量密度的瓶颈难以逾越,以ZA10飞机为例,Zunum Aero公司计划在运营初期为这款飞机配备小型燃油发动机作为备用动力。在2020年推向市场时,如果使用全电模式的话,这款12座的飞机的航程约为700公里。因此,波音在进行电动飞机研发的同时,也将目光投向了电池制造领域。

2018年2月,波音投资了美国电池生产商Cuberg公司,这是波音第一次直接对能源领域的企业进行投资。波音表示,目前Cuberg公司生产的电池能量密度是所有锂电池中最高的,尽管还没有实现量产,但前景看好。

与波音偏向于投资创新型公司不同,空客选择了与其他老牌劲旅进行合作,共同研发电推进飞机。2016年,空客与西门子公司就合作开发混合动力推进系统签署协议,双方希望能够在2020年前完成多样化的混合/电力推进系统的技术可行性论证。双方计划组建一支200人左右的研发团队进行相关研发工作,以保持欧洲在电动飞机领域的领先地位。

在具体项目上,空客早前曾进行过全电动飞机E-Fan项目的研发,相继推出过E-Fan 1.0、E-Fan 2.0、E-Fan X等多个项目,但在未来的商用飞机市场,空客务实地选择了混合电推进技术方案。

目前,空客正在与西门子、罗罗合作研发基于分布式混合电推进系统的“E-Airbus”100座级支线客机,并计划在欧盟“航迹2050”的框架下开展深入研究。E-Airbus采用6台电动风扇,每个机翼上沿展向分布3台,通过一个燃气动力单元(即涡扇发动机连接到发电机,以产生电力)为6台风扇提供电力,并为电能存储装置充电,推进系统的等效涵道比预计将超过20。

虽然空客集团目前并没有公布E-Airbus飞机方案在2030年将会处于什么水平以及与“航迹2050”计划中(欧盟“航迹2050”计划的目标是以2000年的水平為基点,在2050年前实现将二氧化碳排放降低75%、氮氧化物排放降低90%、噪声降低65%)环保目标的对应关系,但是作为“航迹2050”计划的中期动力解决方案,分布式混合电推进系统将大量采用“航迹2050”计划所发展的新技术,预计其具备足够的技术优势,能够使欧盟在实现“航迹2050”计划所定环保目标的征途中迈进一大步。

美国国家航空航天局(NASA)已经批准了一项为期3年、总投资1500万美元的项目。该项目旨在研制一种采用分布式电推进(DEP)技术的X验证机。X验证机基于轻型通用飞机,一旦证明技术可行,NASA将在一型9座的通勤飞机验证机上进行进一步试验,为将来在60~90座级混合电推进支线飞机上的应用打下基础。

这一计划下正在研发的X-57项目迄今为止遇到的最大问题依旧是电池的问题。据NASA最新公开的信息,虽然目前的电池组能够为飞机提供47kW.h的能量,但是电池重量已经接近408公斤,比设计目标超重了10%,几乎用尽了当初设计时预留的增重空间。在2017年12月进行的一次地面试验中,电池组曾发生过热失控等问题。考虑到电池组在机舱内的安装位置在飞行员座椅的后方,为了确保安全,NASA对设计结构进行了更改,这也是造成电池超重的一个原因。

此外,X-57项目的另一个使命是帮助NASA建立分布式混合电推力飞机的取证标准。目前,NASA正与标准研发机构如ASTM国际等开展合作,以推进新的能同时用于电动推进系统和通用飞机取证的一致标准。X-57飞机将只是向FAA提交虚拟取证申请,借此了解取证面临的挑战,这将有助于新规则的制定。

除了主制造商之外,商用飞机市场的主流供应商也在积极布局电推进飞机市场。

GE公司希望在其“数字化工业战略”中融入电推进技术。公司前任总裁杰夫·伊梅尔特曾多次公开表示,希望能够在2030年左右推出几款小型混合电推进飞机。美国联合技术公司总裁戴维·吉特林表示,无论用10年、20年甚至30年的时间,电推进技术终究会投入使用,因为它代表了行业的发展方向。

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