航空科学技术mistletoe什么意思
Aeronautical Science&Technology Nov.252019Vol.30No.1130-35
电推进技术在航空业的应用
2020年全国一卷语文
穆作栋*，程文渊，宋刚
中国航空工业发展研究中心，北京100029
摘要：本文分析了电推进技术在城市空运、短途运输和支/干线运输等主要领域内的应用情况，介绍了美国国家航空航天局（NASA）、空中客车公司等主要研究机构和企业在电推进领域的重要研究计划，梳理了相关的关键技术。在新兴的城市空运领域和传统的短途运输领域，主要应用了电池作为主要能源的全电推进技术；在长航程的支线和干线运输领域，混合电推进技术是未来主要解决方案。
关键词：电动飞机；全电推进；混合电推进；绿色航空；城市空运
中图分类号：V19文献标识码：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2019.11.005
继多电飞机（More Electric Aircraft）技术后，电推进（Electric Propulsion）技术为飞机设计及能量系统设计带来了颠覆性的发展，将电力能源从飞机二次能源系统引入飞机一次能源推进系统。
早在二战期间，美国空军就提出了“基于电力的飞机”（Electrically-bad Aircraft）概念。随着电力电子等相关基础技术的发展，20世纪70—80年代，洛克希德-马丁公司率先提出了“全电飞机”概念，相关主要航空制造商开展了相关技术及设备研究，民用及军用飞机的电网容量及用电负载不断提升。波音787与F-35作为多电飞机发展的代表，减少发动机引气、液压系统等，机载二次能源向电能收敛。
相较于多电飞机，电推进技术将电能引入推进系统，飞机的动力部分或全部由电能提供。采用电推进技术，能够有效降低能量消耗、碳排放与噪声，是应对航空业日益严峻的环境挑战的重要手段，因而得到了航空业的广泛关注。在2019年巴黎航展上，来自波音公司、空中客车公司、达索公司等飞机制造商，赛峰集团、罗尔斯-罗伊斯公司、通用电气公司（GE）等发动机制造商，以及联合技术公司（UTC）等机载系统制造商的多名专家共同强调了电推进技术发展的重要性，将其称为航空业“第三时代”的重要标志。
电推进技术在航空业的应用主要包括城市空运、短途运输及支/干线长途运输，其中以全电推进技术主导的城市空运行业正处于快速发展阶段；基于现有飞机平台改装的电动飞机即将投入短途运输运营；而技术难度更大的支/干线运输领域，电推进技术尚处于演示验证和概念设计阶段，距离投入应用还有很大差距。
1电推进技术推动城市空运行业发展
相较于传统推进系统，电推进系统具有效率高、噪声及污染物/碳排放低等显著特点，催生了城市空运（Urban Air Mobility，UAM）等新型运输范式的兴起。垂直飞行协会(VFS)的《世界电动垂直起降(eVTOL)飞行器目录》显示，目前全球范围内处于开发中的eVTOL项目已超过200项。
1.1Uber Elevate计划
来自美国的传统交通运营企业优步公司（Uber）于2016年提出了Uber Elevate计划及白皮书，随后于2017—2019年组织召开了三届峰会。优步希望与政府、企业和学术界合作，在2023年推出适用于城市空运的共享电动垂直起降飞行器交通服务Uber Air。
在该计划中，优步公司的自身定位是建立城市空运生态环境，推进相关技术标准、运营体系与适航的发展。在飞行器设计方面，优步选取了6家飞行器合作伙伴企业，分别是极光飞行科学公司（波音）、贝尔公司、Embraer X公司（巴
收稿日期：2019-09-30；退修日期：2019-10-10；录用日期：2019-10-18
*通信作者.Tel.：010-********E-mail：muzuodong@cae.ac
引用格式：Mu Zuodong，Cheng Wenyuan，Song Gang.Application of electric propulsion technology in aviation industry［J］.Aeronautical Science&Technology，2019，30（11）：30-35.穆
作栋，程文渊，宋刚.电推进技术在航空业的应用［J］.航空科学技术，2019，30（11）：
30-35.
穆作栋等：电推进技术在航空业的应用
西航空工业）、卡莱姆飞机公司、蝙蝠飞机公司，以及2019年新加入的Jaunt 空运公司。卡莱姆飞机公司开发了速度优化倾转翼技术方案[1]（Optimum Speed Tiltrotor ，OSTR ），通过倾转旋翼技术提供悬停能力与固定翼高速巡航能力；蝙蝠飞机公司自2011年开始关注电动飞机技术，其Alpha Electro 是第一架完成取证的全电动飞机；Jaunt 公司基于2010年美国国家航空航天局（NASA ）提出的慢速复合式直升机技术概念开发了慢速转子复合技术[2]（Slowed-Rotor/Compound ，SR/C ）并进行了演示验证，在该领域处于领先地位。
在上述飞行器概念中，仅有贝尔公司的Nexus 飞行器采用混合电推进系统，其余企业均采用全电力推进系统。
1.2空客公司的城市空运发展计划
为了协调管理城市空运计划的研发，空客公司于2018年创建了城市空运部门，并计划将所有与城市空运相关的研发活动集成到该部门。空客公司目前正在推进两个城市空运研究计划，分别是由A3部门开展的Vahana 计划以及空客直升机部门负责的4座City Airbus 计划，均为电推进形式。
Vahana 为单座飞行器，采用了电推进、机器视觉等新技术，于2018年1月31日以完全自动驾驶方式完成首飞，并
于2018年内进行了50多次试飞。
City Airbus 是一款4座垂直起降飞行器，采用4组涵道风扇提供动力，巡航速度为120km/h 。其储能系统为4枚110kW•h 的电池，设计最大航程为50km ，具备全自动驾驶功能。其电机、电力电子设备由西门子公司提供。
1.3城市空运面临的技术困难
城市空运面临的主要技术困难有三个方面：（1）能量存储技术，全电推进飞行器航程的提高很大程度上依赖于高能量密度电池技术，能量存储是这一行业最为关键的技术；
（2）噪声控制技术，飞行器的噪声等级会影响其在城市内的运营，需要开展相应的螺旋桨、电机设计研究，进行有效的噪声控制；（3）自动飞行控制技术，城市空运的未来发展方向为无人自动驾驶，相关技术的成熟度还不足以支持其应用。
在推进系统形式这一问题上，城市空运行业具有两种判断：初创企业以及运营企业（如优步等公司）认为电池技术的发展能够满足城市空运航程的需求，2023年电池的能量密度能够保证城市空运飞行器执飞城市内航线；传统工业企业（如赛峰集团、罗尔斯-罗伊斯公司等）则更加关注混合电推进技术，认为短时间内电池能量密度的发展不足以满足飞行器需求，
发展混合电推进技术一方面可以满足城
图1Uber Elevate 2018年公布的5合作伙伴及其飞行器概念Fig.1
Partners and the UAM vehicle concepts of Uber Elevate
2018
图2
Jaunt 公司于2019年提出的飞行器概念
Fig.2
UAM vehicle concept of
Jaunt
图3空客Vahana 飞行器Fig.3
Vahana of
Airbus
图4空客City Airbus 飞行器Fig.4pint
City Airbus of Airbus
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市空运飞行器的航程需求，另一方面也可以推动支线、干线
运输飞机的电动化进程，但相比于全电推进系统，混合电推
进系统及其平台复杂度更高。ticket
此外，监管与空管技术也是未来城市空运投入运营的
关键因素。欧洲航空安全局（EASA）于2019年7月针对小
型垂直起降飞行器运行安全发布了专用条款。德国
V olocopter公司于2019年8月开展了有人驾驶飞行测试，将
城市空运飞行器集成到空中交通管理（ATM）和无人驾驶交
通管理（UTM）系统内，以验证在包括机场的城市环境内可
实现安全、高效的城市空运服务运营。
2电推进技术应用于短途航空运输
考虑到目前电推进技术的发展情况，特别是电池能量
密度与混合电推进平台成熟度的限制，在传统航空运输业
内电推进技术有望首先应用于短途航线，通过改装传统飞
机的方式、以全电或混合电推进系统替代现有的活塞或涡
轮发动机，以减少飞机的燃料消耗和碳排放量，降低维护
成本。
2.1现有平台电推进改装难度较低
基于现有飞机平台进行电推进系统改装的技术复杂度
较低，其改装后飞机的适航认证流程也较为简单，因而能够
swear是什么意思实现电推进技术的快速应用。
（1）技术方面：电推进改装过程只需要将原有活塞发
动机或喷气发动机替换为电动机和电力电子变换器，将油
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箱替换为电池组即可。例如，加拿大水上飞机运营公司海港航空与专注电机及电推进系统的初创公司MagniX开展合作，采用Magni500电动机替换DHC-2飞机原有的活塞发动机。美国莫库勒勒航空公司与Ampaire公司开展合作，采用赛斯纳337飞机作为基线平台，将其三台活塞式发动机中位于尾部的一台改装为电池驱动的电机，构成简单的并联混合电推进系统，计划于2019年底在夏威夷短途商业航线上开展试飞。
（2）认证方面：基于成熟平台的改装无须进行全机重新取证，只需开展补充取证即可。
目前的技术水平下，电推进技术在运输业的应用多基于传统飞机平台进行改装，聚焦于推进系统的改进，而不是基于电推进架构开展飞机设计。这一途径有效降低了技术难度和适航认证困难，充分发挥电推进技术节能、高效、减排、维护性良好的优点，加快了电推进技术的应用。
2.2短途运输任务与电推进系统契合
据MagniX公司开展的市场研究，短途航线的运营商数量超过2000家，由于载客数量有限、航程较短，其单位距离成本较高。采用电推进系统有望降低短途航空的运营成本。
以海港航空为例，该公司经营12条通往加拿大西南部地区的航线，航程约为110km，飞行时间为10~20min。海港航空的运营模式很适合电推进技术的应用，采用当前技术水平的电池即可满足其航程
需求。短距离飞行意味着频繁的起降，在降落停靠期间可以对电池充电。海港航空的航班运营周转时间为30~60min，电推进的应用可以契合现有商业运行模式。
2.3短途运输飞机电推进改装收益显著
短途运输飞机的电推进改装收益十分显著。一方面，相比于复杂的活塞式发动机，电推进系统结构简单、维护性良好，电动机活动部件少，其磨损和故障率大大降低；另一方面，能源成本大幅下降，对于10名乘客、160km的飞行，活塞发动机需消耗约400美元的燃油，
而电推进系统耗电图5MagniX开展电推进系统改装地面测试Fig.5Ground test of MagniX electric propulsion
children的复数
system
图6Ampaire公司改装的赛斯纳337尾部电推进装置Fig.6Cessna337electric propulsion device
modification of Ampaire
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仅12美元。此外，电机的效率基本不受海拔高度的影响，而传统发动机效率则与飞行高度密切相关。上述优点能够显著降低航空公司的运营成本，据MagniX估计，改装后飞机5年内生命周期成本较当前可以降低70％~80％。
3混合电推进技术是未来支/干线飞机发展的关键技术
u a head start多电技术已经经历了数十年的发展，军、民用飞机的二次能源正在逐步向电力收敛，以波音787为代表的大型多电飞机全机电载荷已达到兆瓦级，采用了高压变频交流电力体制、大功率起动/发电机、固态配电等先进技术，为电推进技术的应用打下基础[3]。
对于支/干线飞机而言，电推进系统特别是电池的功率密度与能量密度成为全电推进技术应用的瓶颈。混合电推进技术成为支/干线飞机未来发展的关键技术，目前空中客车公司、联合技术公司等传统航空业制造商已开始推进相关演示验证计划与概念设计研究。
3.1混合电推进技术的潜在收益
混合电推进技术应用的潜在收益主要表现在两个方面：
（1）混合电推进技术采用储能装置与电机的组合提供额外的推力，运行模式灵活，能够有效提高飞机能量使用效率。对于传统发动机而言，巡航阶段能够维持较高的效率，但起飞和降落阶段，由于需要提供额外的推力或推力过剩，其能量利用效率较为低下。采用混合电推进技术，发动机能够维持在高效率工作的状态，在起飞阶段由电机提供额外的推力，而降落阶段发动机的过剩功率能够转化为电能进行存储。
（2）混合电推进为飞机构型设计带来了极大的灵活性，能够采用翼身融合、联接翼等新型布局。相比于内燃机，电机具有功率密度与体积关联性较小的特点，为了满足一定的推力需求，可采用多个小型电机代替单个大型电机，因而推进系统布局灵活，可采用分布式布局，为飞机构型设计提供了广阔的空间。
3.2混合电推进支线飞机演示验证计划
由空中客车公司、罗尔斯-罗伊斯公司、西门子公司共同开展的E Fan X演示验证计划是最具代表性的混合电推进支线飞机研究计划[4]。该计划选取BAe146支线客机作为基线平台，将其4台霍尼韦尔公司
LF507涡扇发动机中的一台改装为基于罗罗AE2100涡桨发动机的混合电推进系统。E Fan X的发电机功率高达2.5MW，采用3kV的高压
配电系统，均远远高于以波音787为代表的多电飞机的技术水平，面临着诸如电弧防护等多项技术困难。该机预计于2021年开始飞行测试。
联合技术公司（UTC）启动了名为804计划的混合电推进研究计划[5]，基于庞巴迪Dash8支线涡桨飞机进行混合电推进改装，其一侧的PW121涡桨发动机由普惠开发的2MW级混合电推进系统替换，由一台功率为1MW的涡轮发动机和一台功率为1MW的电动机组成，通过同一个变速箱驱动螺旋桨。该机预计于2022年进行飞行测试。为了支撑相关研究，联合技术公司投资5000万美元建立名为“电网”呵呵如何翻译
（The Grid）的电动飞机技术实验室[6]，将具备测试高达2MW和1kV的电动机、发电机、电力电子变换器和电力系统的能力。
3.3混合电推进干线飞机概念研究
由于功率和能量需求大、平台复杂，目前混合电推进干线飞机尚处于概念研究阶段。
NASA与GE公司在航空推进系统研究与技术（RTAPS）项目框架下，合作提出了针对未来宽体客机的N3-X涡轮电推进概念[7,8]，采用分布式涡轮电推进（TeDP）架构，由两台安装在翼尖的涡轮发动机
输出轴功率，通过超导发电机产生电能，驱动15台分布嵌入机身的超导电动机-风扇动力装置产生推力。
分布式电推进架构和新型气动布局的应用有效改善了N3-X的气动特性，其设计耗油率比波音777-200LR飞机降低70%以上[9]。但由于推力完全由电推进系统产生，其电网容量将远超现有飞机水平，需要突破高压配电系统、大功率发电机及电动机、电弧防护等关键技术；相较于传统推进系统，增加了机械能-电能-机械能的转化环节，
需要采用图7由空客、罗罗、西门子研发的E Fan X
Fig.7E Fan X(Airbus,Rolls Royce and Siemens)
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超导发电机、超导电机和超导输配电等技术以保证推进系统高效、轻质。
针对技术难度略低的单通道干线飞机，NASA 提出了应用“边界层吸入”技术的STARC -ABL 混合电推进概念[10]。采用传统构型，机身尾部安装2.6MW 电机驱动的风扇，吸入边界层气流并对其加速，能够有效降低阻力[11]；电能由涡轮发动机驱动的发电机提供，由于电机输出了部分推力，涡轮发动机的尺寸可相应减小，进一步降低了全机阻力。与常规结构相比，STARC ABL 阻力可降低7%～12%。
4结束语
近年来，电推进技术和电动飞机概念成为航空业的焦点，美国和欧洲主要航空研究机构与航空制造商均高度关注这一领域的发展，同时涌现了一批初创企业。电推进技术能够有效应对航空业面临的环境挑战，降低碳排放与噪声。一方面提高了航空运输业的效率，另一方面催生了城
市空运等新型航空运输业态的发展。
电机、电力电子等技术的发展推动了电推进技术的发展，但相关技术在航空业应用还面临着诸多技术挑战，如高能量密度储能系统、高功率密度电推进系统、能量综合管理技术等。
在电推进和电动飞机领域，目前国内外均处于起步阶段，以这一技术革新为契机，我国航空业有望迅速达到或赶超世界先进水平，同时带动我国多个相关产业的整体发展。参考文献
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图8N3-X 涡轮电推进概念
Fig.8
N3-X turbo-electric
concept
图9采用尾部边界层吸入技术的STARC-ABL 混合电推进飞机Fig.9
STARC-ABL hybrid electric concept
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