摘 要
電動飛機是靠電力驅動的航空飛機，由于可實現二氧化碳零排放，因此近年來廣受關注。據有關機構預測，在不久的未來傳統支線飛機中的60％至70％將會被電動飛機取代。
本期文章首先按照電動飛機驅動系統不同介紹不同類型電動飛機的特點，然后敘述了目前國外電動飛機最新研發情況，隨后分析了碳纖維增強聚合物基復合材料（CFRP）在該領域的潛在應用。
近年來依靠電力作為飛機清潔推進能源的計劃取得了長足的進步，而電動飛機在運行過程中不會產生任何排放物，這使其在環保要求越來越嚴格的時代具有一定競爭力。顯然，當今的電動飛機系統并非無排放，但可以預期，得益于全球經濟各個領域向可再生能源發展的強勁趨勢未來其排放量將大大減少。
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電動飛機分類及國外主要進展
按照不同的技術水平和動力系統組成，用于未來飛機的電力推進架構主要可以分為六個主要類別：全電動系統All-electric systems、混合動力系統Hybrid-electric systems（又可以分為平行混動Parallel-hybrid、系列混動Series-hyrid和系列并聯平行混動Series/Parallel partial hybrid）和渦輪發電系統Turbo-electric systems （又包括全渦輪發電系統Full turbo-electric和部分渦輪發電系統Partial turbo-electric），六種動力系統結構差異如圖1所示。
圖1 目前正在研發或即將研發的電動飛機，均是基于該6種動力系統實現驅動飛行
全電動系統：依靠電池作為飛機上唯一的推進動力源。
混合動力系統：依靠燃氣渦輪發動機來推進發電并為電池充電，同樣，電池在飛行的多個階段提供推進所需的能量，主要分為以下三種：
•平行混合動力：在該系統中，渦輪發動機和電池驅動的電動機都安裝在驅動風扇的軸上，因此任何一個或兩個組件均可在給定的任何時間提供推進力。
•系列混合動力：使用此技術，僅將電動機機械地連接到風扇。燃氣輪機的功能是驅動發電機，該發電機又驅動電動機和/或給電池充電。混合動力系統與使用多個小型電動機和風扇的分布式推進概念兼容。
•系列/并聯部分混合動力：該系統具有一個或多個風扇，這些風扇可以直接由燃氣輪機驅動，而其他風扇可以僅由電動機驅動，這些電動機可以由渦輪驅動的發電機或電池供電。
渦輪發電系統：在任何飛行階段均不依賴電池作為推進動力源，而是使用燃氣輪機，主要分為以下兩種：
•全渦輪電動：在此配置中，渦輪軸發動機用于驅動發電機，該發電機為逆變器提供動力，并因此為驅動單個分布式電風扇的單個直流（DC）電動機提供動力。
•部分渦輪發電：該系統是完全渦輪發電系統的變體，該系統使用電力推進來提供部分推進力，其余部分由燃氣輪機驅動的渦輪風扇產生。因此，與完全渦輪電配置相比，用于部分渦輪電配置的電子部件可以以比現有技術更小的進步來開發。
1.1、電動空中出租車（Electric air taxis）
許多飛機制造商和初創公司目前都在為城市空中交通尋找解決方案，而在此背景下，電動空中出租車正在成為現實。作為當前電動飛行進展的一個例子，兩個德國初創公司開發了兩種車輛，可以將乘客從一個地方運送到城市內部和城市之間，而不會產生任何排放。電動飛機正在逐漸向市場滲透。
圖2 電動飛機正在逐步向市場滲透
Volocopter于2016年進行了首次有人駕駛飛行，并在其2X車輛上獲得了德國和國際安全證書，該車輛可容納多達兩個人，并以70 km/h的速度飛行27 km。
總部位于慕尼黑的新興公司Lilium正在研發全電動VTOL（垂直起降）飛機，該飛機最多可容納兩個人，在一小時內可飛行300公里。無人駕駛原型機已于2017年首飛，較大的5人座飛機版本于2019年5月首次飛行。有人駕駛的原型機稍后將用于認證飛行。根據Lilium的說法，到2025年，旅客將能夠預訂自己的VTOL。
1.2、混合動力飛機（Hybrid-electric aircraft）
在不久的將來，混合動力飛機被認為是常規短程和中程飛機非常有效的替代品。航空航天和電氣設備領域的許多大型公司如西門子、勞斯萊斯、波音等公司均投資了這項技術。
2017年11月，空中客車、羅爾斯·羅伊斯公司和西門子公司結成伙伴關系，目標是開發和制造計劃于2020年飛行的混合動力電動示威飛機E-FanX（圖3）。該飛機使用串行混合動力技術為飛機提供動力，采用2兆瓦電動機，安裝在BAe 146飛行試驗臺上，替代了四臺燃氣渦輪發動機之一。較長期的目標是制造一架搭載E-Fan X技術的商用飛機，該飛機可容納50-100名乘客，并乘坐區域和短程航線，預計在2035年左右投入服務。
圖3 歐洲空客設計的E-FanX型電動飛機
2019年5月，SAS和空中客車公司簽署了一項諒解備忘錄，以研究將混合動力電動飛機引入商業服務的運營和基礎設施中。SAS的目標是到2030年減少25％的排放量。
美國波音公司和一家本土航空公司已經投資了位于華盛頓州的一家初創公司Zunum Aero，該公司旨在開發世界上第一架商用混合動力電動客機（圖4）。Zunum計劃在2019年之前為其初始混合動力飛機駕駛一架演示飛機，該飛機可容納15名乘客并飛行600海里。該飛機預計將于2023年投入使用。但是，該公司目前處于財務困境。Zunum的進一步計劃包括在2027年推出一種短程混合動力飛機，該飛機將可容納50名乘客并飛行1000海里。另外，還有一個發展計劃，將生產一架可容納1500海里的100人座飛機。該飛機將能夠減少80％的當地二氧化碳排放，并有望在2030年代初投入使用。
圖4 美國Zunum公司設計的混合動力電動客機
美國宇航局NASA的X飛機項目設計之一STARC-ABL，是一臺渦輪電動飛機。STARC-ABL是一架帶有后邊界層推進器的單通道渦輪電動飛機。這種設計極大地依賴于電力，不僅用于推進，而且還用于運行機載電氣系統，例如飛行控制、航空電子設備和除冰系統。STARC-ABL最多可容納150名乘客，并計劃在2035年至2040年之間投入使用，并減少10％的排放。
圖5 美國宇航局NASA X-plane：STARC-ABL
目前國外正在研發的幾款混合動力飛機的主要系統參數如表1所示，飛機乘客數量集中在50-150座，二氧化碳排放量有望大幅降低，但最早投入商業化也要等到2027年。
表1 國外混合動力電動飛機主要參數
1.3、電池動力飛機（Battery-powered aircraft ）
總體而言，由電池驅動的飛機可實現最大程度的二氧化碳減排和環境效益。它們在運行過程中不會產生二氧化碳和污染物排放，不會影響當地的空氣質量，并且其產生的噪音遠低于由內燃機驅動的飛機。雖然目前在發電過程中會產生二氧化碳，約0.6千克的二氧化碳/千瓦時，但隨著可再生能源發展的進步以及各國根據《巴黎協定》所作的承諾，電力的二氧化碳排放量將在未來幾十年內大大降低。
一些公司目前正在進行電池動力飛機的設計和開發。賴特電氣公司（Wright Electric）是一家位于洛杉磯的初創公司，旨在通過電池驅動的飛機提供零排放短途飛行。該公司與低成本航空公司easyJet 建立了伙伴關系。Wright Electric的設計基于分布式推進裝置（圖6），機翼中集成了許多電風扇，并且基于可在機場周轉期間輕松更換的電池。Wright Electric的目標飛機模型可以容納150名乘客，并且能夠飛行到290海里。他們宣布了到2035年進入市場的計劃。
圖6 Wright Electric電動飛機提出的分布式推進概念
鮑豪斯·漢諾威公司（Bauhaus Luftfahrt）在2012年設計了一款由電池供電的概念飛機Ce-Liner（圖7），與傳統的機身設計相比，它具有C型機翼配置，大大提高了空氣動力學效率，最大程度地降低了能耗，從而最大程度地降低了電池的重量。Ce-Liner概念研究對電池能量密度的進展進行了假設，在這些假設下，到2035年，最大航程為900海里的Ce-liner可以投入使用。
圖7 Bauhaus Luftfahrt設計的電池供電概念飛機Ce-Liner
1.4、電動混合機翼機身（Electric blended wing body）
電動混合機翼機身甚至還計劃將電動推進的優勢與混合機翼機身的機身設計相結合。在過去的十年中，美國宇航局NASA一直在研究帶有分布式渦輪電推進系統的BWB（Blended Wing Body）概念，并預計可節省70％的燃料。
圖8 美國宇航局NASA提出的BWB概念飛機
小型BWB通常涵蓋100到150個座位類別，與超大型飛機相比，它更適合于混合動力以及潛在的電池電力推進的各種概念。此外，該座椅類別的市場潛力很大，可以預期開發成本將在大量要生產的裝置之間分擔。電動BWB可以在機身和推進設計的綜合進步的基礎上發展，預計在未來幾十年內將并行發生。
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碳纖維復合材料應用機遇
自上世紀70年代碳纖維商品化以來，便在飛機領域獲得應用，而且隨著碳纖維性能和產量提升，其在飛機中應用比例越來越高，如碳纖維復合材料在空客A350XWB型飛機中的應用比例已經高達53%（圖9）。
圖9 空客A350中CFRP占比高達53%
碳纖維之所以能夠在航空領域獲得廣泛應用，不單單取決于其比鋼強、比鋁輕性能特點，而且可以加工成幾乎任何形狀并有效減少零件數量，再加上可有效降低燃料成本、改善空氣動力學特性，使其成為飛機結構首選材料。
航空用碳纖維材料的關鍵特征是高強度、大伸長。經過五十年發展，航空用碳纖維材料先后發展了三代產品：高強度標準模量級、高強中模級和超高強中模級，有關航空用第三代超高強中模碳纖維的關鍵技術可以參考閱讀《詳細剖析國外三代航空級碳纖維的特點、典型產品以及國內航空級碳纖維現狀》。
電動飛機作為未來航空發展的焦點，也勢必將為CFRP廣泛應用提供發展機遇。而實際上目前國外在電動飛機設計時，已經將成熟的CFRP飛機設計經驗運用到電動飛機中。例如，目前空客公司正在研發的E-FAN2.0電動飛機，作為一款翼展為31英尺的雙座飛機，采用全碳纖維復合材料結構，因此機身凈重僅為1100磅。
根據國外一家咨詢公司研究，在不久的未來傳統支線飛機中的60％至70％將會被電動飛機取代。如果按照電動飛機中復合材料用量30-50%，可想而知未來電動飛機市場用CFRP將會巨大。
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結束語
電動飛機投放市場的時間仍然存在很大的不確定性，雖然機身用CFRP技術相對比較成熟，但是影響全電池以及混合動力電動飛機推廣的最關鍵方面在于電池技術。
一方面，初創公司預測到2023年左右15至20座電動飛機投入使用，2030年代初期將達到100座飛機；但另一方面，更為保守的看法則認為15-20座電動飛機將投入使用大約在2030年，至于50-100名乘客的地區混合動力飛機，服務日期應該在2050年左右。這種觀點主要受到電池技術開發所需的預期時間更長的影響。
最近幾年，公共資助機構更加重視電動航空，將其作為未來可持續運輸的一部分，這也勢必有助于加速電動飛機推進器的發展和成熟。
