來源 | 航空科學技術
智庫 | 云腦智庫(CloudBrain-TT)
云圈 | 進“云腦智庫微信群”,請加微信:15881101905,備注您的研究方向
當地面上的電動汽車越來越普及時，天空上的“電動飛機”也在緊鑼密鼓的研究著，嘗試著，推進著。
電動飛機以電能作為推進系統的全部或部分能源，是“第三航空”時代的重要標志。它將開啟航空領域新一輪創新與變革熱潮，引領航空技術創新、推動綠色航空發展，將對世界航空業產生革命性的影響。由中國航空研究院組織國內優勢力量，從電動飛機發展必要性、定義與分類、重點產品、關鍵技術、措施建議等方面，研究提出《電動飛機發展白皮書》。白皮書提出我國應重點發展城市空運、輕型運動、通勤運輸、干支線運輸等4類電動飛機；聚焦總體設計技術、高效高功重比電推進技術、能量綜合管理技術、能源系統技術等重點領域關鍵技術發展；建議制訂電動飛機發展戰略規劃、加大研發投入，同時關注適航能力建設與人才培養，從而推動我國電動飛機發展。航空研究的戰略推動力包括全球機動、環境挑戰、技術聚焦三個方面，通過替代燃料和先進低碳推進技術實現向低碳航空動力的過渡，是應對環境挑戰的主要舉措。在電動飛機領域，目前國內外均處于起步階段，以電動飛機技術引發的技術革新為契機，我國航空業有望迅速達到或趕超世界先進水平，同時帶動我國多個相關產業的整體發展。電動飛機是指以電能作為推進系統的全部或部分能源的飛機，其電能全部或部分來自蓄電池、燃料電池、發電機等供電裝置。
按照應用場景，電動飛機可分為輕型運動電動飛機、城市空運電動飛機、通勤運輸電動飛機、干支線運輸電動飛機4類。按照推進系統架構，電動飛機可分為全電飛機、混電飛機和渦輪電飛機三類。目前國內的典型產品有億航公司的億航184/216自動駕駛載人飛行器，以及遼寧通用航空研究院擬研發的輕型電動直升機。目前產品尚不能滿足城市空運市場需要，應當進一步發展有效載荷更大、航程更遠的城市空運飛行器。遼寧通用航空研究院已研發銳翔系列雙座電動輕型運動飛機，RX1E與RX1E-A產品已獲得型號合格證與生產許可證，后續重點發展水上電動輕型運動飛機。中國航空研究院提出了4～5座全電推進CAE-X1 通勤飛機概念，用于驗證分布式電推進關鍵技術。設計重量約為1100kg，采用機翼前緣分布式電機提供動力，巡航速度約240km/h。預計2025年技術成熟度達到6級。
遼寧通用航空研究院在銳翔（RX）雙座系列電動飛機基礎上，開展了四座電動飛機研制，已于2019年10月成功首飛。中國航空研究院提出了未來60～90 座混合電推進CAE-X2支線飛機概念，航程約1200km。采用機身尾部螺旋槳邊界層抽吸技術、混合電推進飛機能量管理和分配方案。預計2030年技術成熟度達到6級。
針對未來干線運輸需求提出了超綠色混合電/渦輪電推進飛機概念，采用分布式推進、超導發電和超導電機等技術，載客250人以上，航程達到3500km。預計2050年技術成熟度達到6級。與傳統動力形式相比，電推進系統具有一定程度的功率相對尺度無關性，電動飛機總體設計可突破傳統架構的限制，具有廣闊的設計空間。另一方面，受限于電池等部件功率密度水平，與采用傳統動力形式的常規布局飛機相比，電推進系統會影響航程和有效載荷等性能指標，對氣動-結構-推進一體化設計和氣動布局創新設計提出了需求。與傳統燃油飛機相比，電動飛機的氣動布局、推進系統設計等具有較高的自由度，且高度耦合，采用傳統的獨立設計方式限制了飛機綜合優化設計，開展氣動-結構-推進一體化設計能夠有效地提高飛機性能。電動飛機氣動-結構-推進一體化設計技術對飛機的電機、螺旋槳、機翼、短艙開展綜合權衡分析和迭代優化設計，綜合考慮飛機的幾何參數、氣動力參數、重量參數、動力系統參數，開展關鍵參數的敏感性分析與協調，進行方案評估，支撐布局方案選型。為滿足電動飛機氣動布局設計需求，在常規布局基礎上，還需要重點開展翼身融合布局、桁架支撐翼布局、分布式推進布局等新型氣動布局技術研究，優化飛機氣動特性，改善飛機飛行性能。翼身融合布局將傳統的機身與機翼結構融合，通過一體化設計制造，提高升力、降低結構重量與阻力，從而提高燃油效率，大幅改善飛機的飛行性能。桁架支撐翼布局與傳統機翼相比，由于桁架承擔了部分載荷，減輕了翼根彎矩，有利于減輕重量，在同等重量下可增加機翼面積，有利于降低阻力，提高升阻比。分布式電推進布局在機翼或機身上分布安裝多個螺旋槳/涵道風扇，可提高氣動效率、降低阻力。其中，邊界層抽吸技術在飛機尾部安裝嵌入式風扇，通過加速抽吸機身邊界層降低阻力，改善氣動性能。
電推進技術通過高功率密度電動機帶動，為飛機提供部分或全部飛行推力，有效解決傳統飛機推進系統帶來的噪聲和污染排放問題。與其他電機相比，永磁同步電機（無刷直流電機）具有高效率、高功重比、高可靠性等優點，成為電動飛機電機的首選。永磁同步電機研究包括以下內容：高溫高速電機、電機電磁場-溫度場-流場-應力場多場耦合設計方法、余度/容錯控制等。超導電機是采用超導體代替常規導電材料來實現電磁能與機械能之間能量轉換的裝置。具有體積小、效率高、重量輕、同步電抗小等特點，在相同重量和相同能量輸入下，可產生遠高于普通電機的扭矩，在電動飛機的應用方面具有極高潛力，將會成為代替燃油噴氣發動機的新型飛行動力裝置的關鍵部件。目前研究的超導電機絕大部分為半超導電機，全超導電機是未來超導電機的重要發展方向。超導電機研究包括電機拓撲結構、超導體載流能力、超導永磁體技術、超導交流繞組繞制技術、電機的強度/可靠性/壽命試驗等。電機驅動控制器是保證永磁同步電機和超導電機高效可靠運行的必要設備，主要由控制模塊和驅動模塊兩部分組成，控制電機速度、角度和方向。電動飛機電推進系統對電機驅動控制器提出了大功率、高效率、高可靠性和高功重比的要求。采用新一代碳化硅和氮化鎵功率器件的電機驅動控制器是未來的發展方向，主要研究內容包括：高低溫極限環境下寬禁帶功率器件動態特性變化機理，高溫高頻下電機損耗變化規律及其內在機理，多電平模塊化拓撲結構以及余度/容錯驅動控制，基于相變材料驅動器散熱等。低噪高效螺旋槳是分布式電推進飛機重要動力部件，可在同等輸出功率下提高飛機氣動性能、降低噪聲。主要研究內容包括：先進螺旋槳專用翼型研究、高效率螺旋槳槳葉氣動布局設計技術、螺旋槳氣動/噪聲機理及數值仿真方法、三維槳葉參數化建模與氣動/噪聲一體化設計與優化技術等。由于將電能作為電動飛機的一次能源，飛機電網容量迅速提升、負載特性日趨復雜，對配電系統的性能提出了更高的要求；電動飛機的電力電子設備、用電設備的熱管理問題更加突出，為此需要在能量綜合管理方面開展以下研究（見圖3）。飛機電網架構包含供電體制、配電系統及拓撲結構、配電容錯及保護，是影響飛機安全性、可靠性、系統質量、效率的關鍵因素。同時，電動飛機電力系統面臨的多種約束條件（如重量、體積、飛機推進系統工況變化等）是配電系統設計的重要影響因素，需要采用多目標優化思路，滿足電動飛機系統要求。電力電子技術是飛機電能傳遞、變換、控制的基礎，電動飛機的電力系統包含大量整流器、逆變器及控制器件等。電力電子器件的功率密度、效率等指標決定了電力系統的性能，對飛機的安全性、可靠性具有重要影響。在高壓、高功率、高效率電力電子器件方面，主要開展如下研究：電力電子設備拓撲設計技術，功率轉換技術，基于碳化硅、氮化鎵等新型材料的高功率、耐高溫功率器件（如固態功率控制器、超導故障限流器），模塊封裝設計等。熱管理技術用于飛機各部件及系統散熱、冷卻，是保障電動飛機各部件及系統（特別是電動機、電力電子設備）正常、高效工作的必要條件。此外，超導電機需要低溫環境以維持超導狀態，采用熱管理技術能夠保障超導系統的隔熱能力，避免外部熱量影響超導低溫環境。飛機系統日益復雜且高度耦合，采用傳統的各系統獨立能量管理方式無法實現飛機能量的高效利用。能量智能管理從飛機整體層面研究能量綜合優化設計和控制管理，可有效提高能量利用效率。
能源系統是電動飛機的供能組件，其性能從根本上決定了飛機的續航時間、航程以及運營成本。隨著鋰電、燃料電池和超級電容等新型能源，以及超導發電和超導電機技術的進步，電推進技術將逐步應用于通用飛機、通勤飛機、干支線客機。長壽命高可靠的能源系統具有更穩定的供電能力、更低的維修和更換頻率，能有效提高電動飛機的使用率。純電力能源系統僅由電池為飛機動力和機載系統提供能量。混合電力能源系統由燃油和電池共同為飛機動力和機載系統提供能量。在國家層面制定電動飛機發展戰略，規劃發展路線。電動飛機的設計思想和設計理念不同于傳統飛機，其技術研發投入大、風險高。建議成立電動航空委員會，統籌國內優勢資源，啟動我國電動飛機發展戰略與規劃研究，組織相關單位研究制定我國電動飛機發展路線，引導電動飛機健康、快速、有序發展從國家層面高度重視電動飛機發展，加大投入力度。電動飛機具有廣闊的市場潛力，歐美都在積極發展電動飛機技術、搶占市場。電動飛機是我國實現與世界航空強國并駕齊驅的重要領域，建議高度重視、提早布局，制訂電動飛機專項研究計劃，加大研發投入力度，推動我國電動飛機產業快速發展。加強電動飛機標準規范和適航能力建設。建立以市場為導向、以企業為主體的開放式電動飛機標準規范體系，著力解決電動飛機的核心標準和基礎標準問題；突破適航審定和驗證關鍵技術，提高電動飛機適航審定和驗證能力。加大綜合人才和專業人才的培養力度。電動飛機的跨領域協作創新將顛覆傳統的飛機研發和運營模式，需要培養和引進更多高水平、跨專業、跨領域的人才，組建專業化的電動飛機研發團隊，為電動飛機發展提供保障。來源 | 航空科學技術
－ The End －
聲明：歡迎轉發本號原創內容，轉載和摘編需經本號授權并標注原作者和信息來源為云腦智庫。本公眾號目前所載內容為本公眾號原創、網絡轉載或根據非密公開性信息資料編輯整理，相關內容僅供參考及學習交流使用。由于部分文字、圖片等來源于互聯網，無法核實真實出處，如涉及相關爭議，請跟我們聯系。我們致力于保護作者知識產權或作品版權，本公眾號所載內容的知識產權或作品版權歸原作者所有。本公眾號擁有對此聲明的最終解釋權。
投稿/招聘/推廣/合作/入群/贊助 請加微信：15881101905，備注關鍵詞
微群關鍵詞：天線、射頻微波、雷達通信電子戰、芯片半導體、信號處理、軟件無線電、測試制造、相控陣、EDA仿真、通導遙、學術前沿、知識服務、合作投資.
“閱讀是一種習慣，分享是一種美德，我們是一群專業、有態度的知識傳播者.”
↓↓↓ 戳“閱讀原文”，加入“知識星球”，發現更多精彩內容.
/// 先別走，安排點個“贊”和“在看” 吧！↓↓↓
