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关于电动飞机发展的现状与思考
殷立新,吴超腾
（昌河飞机工业（集团）有限责任公司综合管理部,江西 景德镇 333002）
摘 要：航空业正迎来以数字化和电气化为典型特征的“第三时代”。电推进技术是航空业“第三时代”的重要标志。未来，以电推进为动力的电动飞机将是喷气时代以来航空业最重大的技术创新，也将对当前世界航空业产生性的影响。电动飞机的发展，尤其是垂直起降电动飞机的发展，将对航空产业发展带来一定的冲击。关键词：电动飞机；电推进；航空；垂直起降
1 前言
电推进技术的发展开启了航空领域新时代。在2019年6月举行的巴黎航展上，空客、波音、达索、GE航空、罗罗、赛峰、联合技术等7家航空企业的首席技术官发布联合声明，称航空业正迎来以数字化和电气化为典型特征的“第三时代”。电推进技术正是航空业“第三时代”的重要标志。未来，以电推进为动力的电动飞机将是喷气时代以来航空业最重大的技术创新，也将对当前世界航空业产生性的影响。
电动飞机的发展，尤其是垂直起降电动飞机的发展，将对直升机产业发展带来一定的冲击。本文通过对当前电动飞机技术和产业发展的现状进行简要介绍，希望为读者了解当前行业发展形势提供绵薄之力。
2 电动飞机的分类
电动飞机是以电机带动螺旋桨、涵道风扇或其他装置产生前进动力的飞机，电机的电源来自电池、燃料电池、太阳能电池、超级电容或功率束（无线功率传输）等。
从用途上看，未来可以实现面向各种使用场景的电动飞机，比如轻型运动电动飞机、城市空运电动飞机、短途运输电动飞机、干支线运输的大型商用电动飞机等。
从动力形式上看，大体上可划分为纯电动飞机和混合电动飞机。纯电动飞机是指由供电系统和电力推进系统组成，不需要发动机提供动力和机上系统所需电力的飞机，从目前的技术水平看这种类型已经能够满足小型通用飞机、垂直起降电动飞机的部分使用需求。混合电动飞机是指由传统发动机和电动机驱动风扇共同提供飞机推进力和机上系统所需电力的飞机。
3 电动飞机发展现状
在2019年的巴黎航展上，空客的自动驾驶电动垂直起降飞机和波音的自主载人电动垂直起降飞行器进行了展示；各大厂商也在未来出行、城市交通等新兴领域积极展示在电力推进、飞控软件、空中交通管制系统等方面的最新研发成果。目前全球共有超过240个在研电动飞机项目，大致可以分为矢量推力（通过推进器倾转等方式提供升力和推力）、悬停自行车/私人飞行装备、升力+巡航复合型（完全的推进装置和升力装置）、多旋翼无机翼构型、电动直升机、电动非垂直起降固定翼飞机等六种类别。其中，前五种都属于电动垂直起降飞行器,最后一种属于常规或短距起降飞行器，电动垂直起降飞行器项目占据了4/5。欧美地区是电动飞机行业的领先发展地区，我国目前也在加紧推进。3.1 美国电动飞机发展现状
2019年8月，美国白宫管理及预算办公室和科技办公室联合签发了“2021年度研发预算优先事项”文件，首次将电动垂直起降飞机研发纳入优先发展事项，以指导各联邦行政机构开展相关工作。文件提到，要加强电动垂直起降飞行器和民用超音速飞机的适航审定工作。文件指出，“各部门和机构应优先考虑可以降低地面、空中和海上自动驾驶交通工具应用障碍的研发，重点是制定运营标准、集成方法、交通管理系统和国防/安全运营，尤其要优先考虑能够实现电动垂直起降和民用超音速飞机的研发，包括适航审定、陆地上空超音速飞行噪声标准的制定，以及低音爆超音速飞机研究。”
2016年，美国优步公司针对城市空运需求提出了Uber Elevate体系，提供面向城市空运的共享电动垂直起降飞行器交通服务。2018年5月，美国宇航局与优步公司签署协议，共同探索城市空中交通的相关概念和技术，研究低空无人机系统交通管理、整合国家空域系统等，以创建新的行业标准。按照优步公司计划，相关交通服务将于2020年开展测试，2023年投入运营。此外，2018年英特尔公司发布了全球首架两座电动直升机，该型机具有18个旋翼装置。波音公司于2019年1月宣布，已经完成了自动空中出租飞行器的首次测试飞行，该飞行器可做到受控起飞、悬停和降落等。贝尔公司在电动飞机研制项目也取得了突破，正在开发的Bell Nexus电动垂直起降飞机，可以容纳4名乘客和1名飞行员；同时，贝尔还与日本航空、住友商事株式会社合作，共同开发小型电动飞机运用于客运、物流等领域。3.2 欧洲电动飞机发展现状
2017年，空客推出了城市飞行交通系统计划，预计在2025年前投入使用，该计划包括3个飞行器研制项目和2个城市空中交通监控和服务项目。2018年，空客创建了城市空运部门，将所有的城市空运相关的研发活动集成到该部门。2019年3月，空客与西门子公司联合启动了空中出租车项目，该飞行器采用四轴设计，每轴有两个螺旋桨，总共八旋翼，最多可载4人。目前空客正在对能量存储技术、自动飞行控制系统成熟度和噪音水平等展开公关。2020年空客将开始测试首个飞行出租车CityAirbus，全方位测试飞行出租车的表现和性能，该款飞行器重2.2吨，最高行驶里程15公里。
罗罗在电动飞机的研发方面也取得了诸多进展，包括2018年范保罗航展上展示的混合电动垂直起降电动飞机，以及通用航空飞机和混动直升机的混电推进系统等。2019年4月，罗罗通过收购西门子电动和混动航空推进业务，加速实现电气化战略，以使其能在“第三代”航空产业变革中发挥主导作用。意大利ASE公司开发的直升机高压电力系统也有了重要突破，已经成功开发出首款270V直流发电机的原型产品，并已通过实验室测试，成功验证了大多数关键元件。瑞典和挪威也都公布了电动航空技术发展计划，并启动了飞机研制，计划到2040年将所有短程航班更换成全电动飞机。
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3.3 我国电动飞机发展现状
2019年10月，中国国际通用航空博览会主论坛——2019国际电动航空论坛上，宣告成立了“电动航空适航标准专业委员会”，该委员会由中关村蓝创通用航空产业联盟、中商飞北研中心梦幻工作室、中国民航科学技术研究院、北京航空航天大学、辽宁通航技术研究院、辽宁锐翔通用航空有限公司、中电科芜湖通航研究院、吉利太力飞车、卧龙电气驱动集团股份有限公司、天津力神电池股份有限公司、宁德时代、北京天航菲特适航技术有限公司等单位联合发起，委员会将以中关村蓝创通用航空产业联盟为平台，以灵活高效的机制，广泛吸纳专家力量，逐渐打造一支持续的电动航空适航标准专业化队伍，并持续输出相关成果。
在具体的产品开发和产业探索发展上，2015年，由沈阳航空航天大学、沈阳所和沈飞公司联合成立的辽宁通航研究院研制的双座锐翔轻型电动飞机（RX1E）取得了民航局设计批准书，2015年11月取得生产许可证，这是我国首架自主知识产权电动飞机。该机装有１台40千瓦的永磁直流电机，起飞总质量为500千克，最大飞行速度为160公里/时，巡航速度为110公里/时，在有一定剩余电量情况下可飞行40分钟。2019年10月，辽宁通航研究院的另一款RX4E锐翔四座电动飞机也实现了首飞。不过该企业的主打产品均为固定翼机型。 2019年1月份，广州亿航智能技术有限公司成为全国首家载人级自动驾驶飞行器适航审定试点单位。2019年2月，、印发了《粤港澳大湾区发展规划纲要》，明确提出建设大湾区国际科技创新中心，深化低空空域管理改革，构建现代化综合交通运输体系。8月份，亿航智能与广州市达成战略合作，广州成为亿航全球首个空中交通试点城市，双方将围绕城市空中交通领域的载人级自动驾驶飞行器、无人机指挥调度中心、无人机物流等应用开展合作,共同致力于将广州打造成“空中交通智慧城市”：第一，推进亿航载人级自动驾驶飞行器，在广州11个市辖区范围内的飞行试点及航线的落地，打造合规化、标准化、流程化的飞行试点，探索空中交通运行新模式；同时从智慧城市管理的角度，建立城市空中交通飞行制度、准入条件、飞行及安全管理标准，在空中交通出行领域提供技术解决方案，进行市场化应用，加强人才储备。第二，建设广州市政务无人机指挥调度管理平台方案，积极推进包括集中实时监控、指挥调度、集群联网等政务无人机应用，提高日常监管、应急处理、调度管理方面的效率。第三，基于亿航智能在广东地区开展无人机物流配送常态化运营实践经验，深化和拓展配送范围更大、配送物品种类更齐全的无人机物流示范点，形成点对点配送的常态化运行模式，助力广州建立“无人机配送”的运输新模式。亿航智能目前发布的纯电力低空中短途自动驾驶飞行器，包括单人座的亿航184和双人座亿航216，亿航184有8支螺旋桨和4个机臂；最新型的亿航216有16支螺旋桨和8个机臂，目前均已在国内、欧洲开展多次载人试飞，正在开展适航审定。 除了上述产品，目前国内在研的产品还有昊翔、亿航430等，都是民机科研渠道支持，还有西工大自筹资金研制的双机身电动验证机等。
4 电动飞机发展的关键技术
第一，分布式电推进系统和飞机空气动力特性的综合设计。采用分布式电推进系统构型可提高飞机气动效率，并通过冗余设计以及降低生命周期温室气体排放，显著改善效率、降低噪音、提高推进系统可靠性和安全性。同时显著降低总运营成本。分布式电推进系统是对飞机推进方式的变革，将带来飞机总体和系统设计的重大转变。
第二，研制高功率高能量的电池设计技术是关键技术之一。电推进系统是交通工具实现电气化的基础，电池和电机是电推进系统的两个技术关键。在航空电气化的研制中，对电池提出既需要高功率，也需要高能量的设计要求，这是当前的挑战之一。
第三，基础设施的规划及建设方案制定是必备的技术之一。电动飞机的发展，可能会从根本上变革传统飞机的研制方式，除了设计理念和设计思想的转变外，也需要建设一些基础设施，为电动飞机一些创新技术的试验验证提供支持。
第四，适航审定是飞机投入市场，进行运营的必要条件。美国联邦航空局（FAA）已全面修订了FAR23部，从垂直起降电动飞机到通勤飞机的适航认证将有据可依。近几年空客和其他公司可能会支持SAE国际公司成立一个新的委员会，专门负责FAR25部飞机的混合电推进系统的适航认证研究。
第五，电动飞机上电力系统各部分的冷却对电力系统有着重要影响。大功率电力系统在运行过程中将不可避免地产生热量，分布式电推进飞机不仅要求系统具备极高的效率，还要求具备高效热管理系统。
5 电动飞机发展前景
5.1 绿色航空将是航空工业未来发展的新潮流
当前，气候变暖已经成为全世界关注的焦点，践行绿色理念、发展低碳经济，已经成为了全球各个行业的共同选择。据统计，航空造成的碳排放占据了人类产生碳排放总量的2%，因为传统燃油飞机对环境的负面影响，全球主要国家要求改善飞机环保性能，营造绿色航空的呼声越来越高。国际民航组织、美国和欧洲都制定了一系列标准和指导文件，从节能、减排和降噪等方面引导航空朝着绿色化方向发展。美国NASA提出大约20年后服役的N+3代民航飞机概念，要求以现有飞机技术标准为基础，噪声减少81分贝，氮氧化物排放降低80%，油耗降低70%。国际民航组织（ICAO）、国际航空运输协会等国际组织明确：2020年后，每年国际民航碳排放量不再增长；到2050年，将二氧化碳排放量减少至2005年排放量水平的一半。欧洲委员会在《航迹2050：欧洲的航空远景》的报告中设定环境目标，相对于2000年的技术标准，2050年飞机的二氧化碳排放降低75%，氮氧化物排放减少90%，噪声级降低65%。我国在先进气动、降噪、多电、绿色动力、绿色材料和绿色制造等开展了诸多技术研究，支持飞机的节能减排。文章开头的空客、波音等7家公司的联合声明中表示，7家制造商表示将通过ICAO进行更广泛、更深入和持续的协调，与相关国家、监管机构和标准制定机构，共同制定统一的监管办法，推动航空业可持续发展。
以上这些是各国在缓解飞机对环境的影响的诸多努力，但最终还是在于电动飞机的发展，这也代表着飞机发展的重要方向。电动飞机装配电动力系统、以电能作为推进能源，具有零排放、低噪声、几乎不对环境产生负面影响等诸多优点，可实现高性能和具有超常规飞行特性，有潜力实现飞机性能的性提升，极大拓展应用范围和领域，大幅改善人类的生活和生产方式。目前电动飞机技术已经在超轻型运动飞机和轻型运动飞机上应用，提供诸如飞行员培训、观光、航空体育竞技等实际用途。随着电池能量密度等指标的逐步提升，电动飞机在今后的通用航空市场、运输航空市场等具有巨大的发展空间。5.2 以电动飞机为代表的新能源交通迎来良好发展机遇
近年来，世界主要的汽车强国纷纷将新能源汽车提升至国家战略高度，欧盟一些国家甚至提出了“禁止销售燃油汽车时间表”，在国家相关的推动下，电动汽车获得了快速的发展。其中，特斯拉、
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丰田、比亚迪等成为电动汽车行业的领跑企业。中国汽车工业协会数据显示，2018年，全球新能源汽车销售量达到200万辆;国际氢能委员会发布的《氢能源未来发展趋势调研报告》指出，预计到2030年，全球氢燃料电池乘用车降到1000-1500万辆。电动汽车的发展带动了电池、电机、电力电子技术的进步，电池能量密度和电机功率逐年上升，为电动飞机的发展创造了有利条件。
电动飞机是航空业实现绿色、可持续发展的必然选择。据美国摩根士丹利银行预测，到2040年，全球仅城市空中交通的市场规模就将达到1.5万亿美元。根据德国咨询机构最新研究预测，2025-2049年全球将有240个城市大规模应用飞行出租；到2035年，全球飞行出租的数量可能超过23000架。电动飞机产业将是未来世界各国产业、科技和人才竞争的焦点。
5.3 垂直起降电动飞行器将是未来重要发展方向
在我国大力推进新能源等绿色经济发展，以及电推进技术快速发展的背景下，垂直起降飞行器，包括垂直起降电动飞机、电动直升机、电动无人机等发展潜力巨大。当前亿航智能正在与广州市、西班牙塞维利亚市等地方开展合作，致力于打造“空中交通智慧城市”，在不远的将来就可以看到，垂直起降电动飞行器真正代替直升机成为城市空中交通工具。而2019年2月份，空客公司正式启用了深圳的创新中心，探索深圳的城市空中交通解决方案，加快城市空中交通系统在深圳的研发、应用和产业化。可以看出，人口聚集、科技先进的大城市将是未来垂直起降电动飞行器的主要突破口。
2019年5月，国家民航局发布了《关于促进民用无人驾驶航空发展的指导意见》的征求意见稿，提出在2035年之前，建立包括载人在内的无人驾驶航空交通运输系统。2019年8月，中国航空研究院发布了国内首个电动飞机发展，提出了我国应针对电动飞机4种使用场景，重点发展轻型运动、城市空运、通勤运输、干支线运输等4类产品。城市空中交通运输将是交通运输市场的新蓝海，但这片新蓝海将不再属于以燃油为动力的直升机，而属于以电推进为动力的电动飞机，尤其是垂直起降飞行器的新蓝海。5.4 电动飞机在军用航空领域前景广阔
电动飞机因其低成本、低噪声、低排放等显著特点，在军用航空领域同样具有广阔前景。以垂直起降电动飞机为例，首先，电动飞机的低成本能够有效提高军费利用率。其次，电动飞机技术能大幅减轻装备的重量和机械复杂度，有效提高其维护性，大幅降低运维成本。第三，垂直起降电动飞机将有效缓解后勤保障压力。现代化作战行动越发依赖后勤保障，需要建立并维持通往战区的庞大运输通道，为作战提供燃油、装备维护服务。电动飞机的应用将大幅提高装备能量使
用效率，将对军事后勤保障提供有效的补充和优化，推动军方建立更加灵活、高效的军事保障体系。目前，美空军发布了“敏捷至上”计划招标书，通过演示验证等方式探索电动垂直起降航空器在短途运输、搜索救援等军事任务中的应用，以期在短途任务中替代传统直升机、倾转旋翼机等航空器，大幅降低任务成本、打造敏捷任务能力。美国海军陆战队作战试验室也正在与美空军“敏捷至上”项目团队开展合作，寻求可用于后勤空运的电动垂直起降飞机。
6 几点思考
电动飞机从动力形式上彻底改变了传动飞机及其能量系统，与传统的燃油飞机相比具有重量轻、效率高、噪音低、无污染等优点。目前限于电推进技术的发展，对干支线运输的大型商用电动飞机产生直接竞争优势还需要一定的周期，但是对于小型垂直起降航空器、通航飞机的竞争已经开始。其中对直升机的竞争以城市电动飞机空运为代表，与普通运输方式相比，电动飞机空运将更高效；与直升机运输相比，电动飞机将更加清洁无污染，包括噪音污染。
第一，电动飞机是未来航空市场的新潮流，当前仍在一个新兴的阶段，各家企业仍处于技术储备阶段，即使已经出现的产品，仍然需要不断验证和改进。在时代的开始跟紧潮流，是保证在后续发展中有机会跻身世界前沿的有效捷径。
第二，城市空运系统将是“智慧城市”发展的重要内容。在人工智能、大数据、云计算、5G技术、无人技术等新兴技术快速发展，电动飞机技术与这些新兴技术的结合将是未来城市运输的重要发展方向，特别是在特大型城市，这种空中交通体系将会迅速发展开来。 第三，传统直升机将面临更加多元化的竞争压力。有国外先进产品的竞争，国内兴起的诸多无人直升机企业，还有未来层出不穷的电动飞机企业的竞争。而亿航智能等电动飞机企业的兴起，短期内将对国内轻型民用直升机产生极大的市场分化，在更长远的时间里，将对国内直升机形成不同程度的竞争压迫。参考文献：
[1]中国电动飞机发展[M].2019.
[2]孔祥浩,张卓然,陆嘉伟等.分布式电推进飞机电力系统研究综述[J].航空学报,2018.
作者简介：殷立新（1987-）,男,内蒙古锡林浩特人,本科,副主任,工程师,从事办公室业务、民机销售及通航运营领域研究。
（上接第83页）
由上表可以得出，碳玻混杂复合材料罩板比手糊玻璃钢罩板可以减重约50%。
5 结论
动车组内饰罩板采用碳玻混杂复合材料，其物理性能比手糊玻璃钢罩板更优越，结构更可靠，重量更轻，满足轻量化设计要求。参考文献：
[1]关晓方,贾智源,碳玻混编单向复合材料的性能分析[J].玻璃钢/复合材料,2017.
[2]Kedar S.Pandya,Ch.Veerraju,N.K.Naik.Hybrid composites made of carbon and da∞woven fabrics under quasi·static loading[J].Materials＆Design,2011(32):4094-4099.
[3]曾帅,贾智源,侯博等.碳纤维.玻璃纤维层内混杂单向增强环氧树脂复合材料拉伸性能[J].复合材料学报,2015(05):1,3.
[4]罗乐,黎缘,彭超义,曾竞成.碳／玻混杂复合材料城轨列车头罩的研制[J]. 纤维复合材料,2017.
作者简介：张苗苗（1988-）,男,甘肃秦安人,本科,助理工程师,研究方向：车辆工程。
