电动飞机全球逐渐升温 中国积极布局该领域不落下风

6月18日挪威奥斯陆机场,挪威购买的第一架电动飞机进行了首次飞行展示,驾驶员是挪威国有航空公司阿维洛尔(Avinor)CEO达格.法尔克-彼特森(Dag Falk-Petersen),唯一的乘客则是挪威交通和通讯大臣凯蒂尔.苏尔维克-奥尔森

  《财经》记者 韩舒淋 陈亮/文 施智梁/编辑

  6月18日挪威奥斯陆机场,挪威购买的第一架电动飞机进行了首次飞行展示,驾驶员是挪威国有航空公司阿维洛尔(Avinor)CEO达格.法尔克-彼特森(Dag Falk-Petersen),唯一的乘客则是挪威交通和通讯大臣凯蒂尔.苏尔维克-奥尔森(KetilSolvik-Olsen)。

  Avinor在当天发布的声明中表示,将与合作伙伴帮助挪威成为电动航空领域的领导者,在全球成为首个电动航空占据主要市场的国家,到2040年所有国内航线实现电动化。

  Avinor在其官网发布的试飞视频显示,皮特森驾驶的飞机载着奥尔森在奥斯陆机场上空环绕之后又降落在原机场,Avinor并未披露此次飞行的持续时间。

  此次Avinor进行飞行展示的飞机,是斯诺文尼亚公蝙蝠(Pipistrel)公司生产的“阿尔法电动G2型”双座全电动飞机。蝙蝠公司成立于1987年,原为前南斯拉夫一架私人飞机制造商,主要生产四座以下的私人飞机。2007年,蝙蝠公司生产出全球第一家两座电动飞机。

  挪威通过这次展示,宣告了其应用电动飞机的决心,也是到目前为止第一个提出在全国实现境内航线电动化目标的国家。这一新动向,是全球电动飞机逐渐升温的最新表现。

  蝙蝠公司生产的飞机主要为四座以下的私人飞机,这类飞机一般用于通用航空,这也是目前电动飞机研发中应用较广的领域,其一般用作娱乐、训练等场合。

  2017年11月,空客、西门子与罗尔斯.罗伊斯三家欧洲工业巨头联合宣布将合作开发一款飞行验证机,计划将一架大型民用客机的其中一个燃气发动机替换为电动发动机,这意味着飞机电动化的趋势已经从萌芽阶段的通航飞机,开始走向大型民航飞机。

  新的公司也开始进入这一领域,共享出行公司优步曾在2016年发布名为《快速飞入城市空中交通的未来》白皮书,在其中提出了一个在城市建设一个空中交通网络的想法,在这个构想中,优步希望通过小型垂直起降电动飞机(VTOL飞机)构成的网络,能够在郊区和城市之间,并最终在市内实现迅速可靠的交通。围绕这一构想,优步已经连续两年召开Elevate峰会,为其“空中的士”的落地铺路。

  而在国内,由杨凤田院士牵头的团队在2012年开始研发“锐翔”系列电动飞机,目前,其第二代增程型锐翔电动飞机已经在2017年底实现首飞。这让中国的电动飞机研发与全球站在了同一起跑线上。

  在电动车的浪潮愈演愈烈之际,飞机电动化的趋势逐渐开始萌芽,四面开花。不过其市场爆发还需要时间,业内人士认为,到2025年前后才会有比较成规模的市场。从应用领域来看,电动飞机将首先在通航飞机上实现广泛应用,要真正进入干线民航领域,还需要更久的时间。

  大飞机的电动梦想

  2017年11月,空中客车、罗尔斯.罗伊斯和西门子共同在伦敦皇家航空学会发布消息,称三方达成合作伙伴关系,致力于在近期合作开发一款飞行验证机,推动民用飞机混合电动推进技术的发展。

  三方的合作项目被称为E-Fan X,根据计划,三方将使用BAe 146飞机作为飞行测试平台,将其四台燃气涡轮发动机中的一台用一台两兆瓦功率的电动机取代,如果系统成熟度得到验证,还将有第二台燃气涡轮发动机被电动机取代。使用一台电动发动机的飞机计划在2020年实现首飞。

  BAe 146型飞机是由英国宇航公司生产的早期支线民航客机,其不同型号的载客量从70人至100人不等。此次三方以BAe 146飞机来测试电动飞机技术,将是首个在民航飞机上应用的电动飞机技术。

  在E-Fan X项目之前,西门子与空客已经在2016年开展了面向电动飞机的E-Aircraft Systems House项目的合作,用以开发完善不同电推进系统组件及各种功率等级的地面测试。

  在E-Fan X项目中,空客将负责混合电动推进系统、电池的控制架构和整合,以及飞控装置的集成。西门子将提供2兆瓦电动机、其控制单元以及逆变器、直流-直流转换器和配电系统。罗尔斯.罗伊斯将负责涡轴发动机、2兆瓦发电机及电子设备。可以看出,三大巨头都在其中贡献了自己最擅长的领域。

  在这一设计中,它将是混合动力的电动飞机,并且电动机所需的电能实际上主要由罗罗负责的燃气发电机来提供,因此,在它飞行的大部分时间里,主要动力实际上仍然由化石能源来提供。罗罗在给《财经》记者的回复中表示,飞机电动机的主要动力来源是罗罗发电机,电池将在飞行中提供部分或者短时全部动力。三方合作该试验机项目的主要目的之一,就是了解和证实这一过程中的系统效率。

  空客在给《财经》记者的答复中表示,E-Fan X项目的目的在于为2025年左右在民用飞机、防务与航天和直升机领域潜在的项目做技术准备。目前,该项目存在两种挑战:第一种涉及混合动力硬件,要在项目限制(能量管理、散热限制、冷却等)的范围内研发全新的电动推进单元(EPU)、发电机和电池;第二种涉及飞行要求的物理安装和安全、硬件和系统安装的整合以及飞行许可。

  促进三方合作的一个动力,是为了减少对化石燃料的依赖,向环保的交通工具转型。欧盟委员会在针对航空业的2050远景中提出了欧盟技术环境指标,要求二氧化碳减排60%、氮氧化物减排90%、噪音减少75%。三方认为,依靠现有技术无法实现航空交通的这一减排目标,因此,电动与混合电动推进技术被视作解决这些挑战的最有前途的技术之一。

  而对西门子而言,这一合作对其业务战略还有特殊的意义。长久以来,西门子与其美国的竞争对手通用电气相比,在业务结构上缺少航空发动机业务,而航空发动机是通用电气盈利最好的业务之一。

  在喷气式发动机时代,西门子很难再去与通用电气竞争发动机业务,但是随着电动飞机的逐渐兴起,西门子开始有机会在对方的核心业务领域布局。事实上,在E-Fan X之外,西门子已经开发了针对电动通航飞机的电动机、逆变器和电池管理系统,并部署在通航电动飞机上。这些产品正是西门子传统强势的电气产品业务,在航空领域应用时需要更注重体积、重量和安全性。对西门子而言,航空的电气化趋势,也是其弯道超车的机会。

  电动飞机的技术挑战

  用电动机替换传统的喷气式燃油发动机,意味着发动机部件将面临不同的技术要求。北京航空航天大学飞机系黄俊教授告诉《财经》记者,传统喷气式发动机结构主要包括风扇、压气机、燃烧室、涡轮,而电动发动机就只需要风扇,后面的结构都可以省去,不需要高温部件、耐高温材料,结构大幅简化。

  西门子电动飞机部门销售及业务发展总监Olaf Otto表示,对喷气式发动机而言,气体温度越高,发动机两端温差越大,效率越高,所以需要发动机材料能够承受高温,从而提高引擎的效率;而电动机则是不同的技术要求,它需要是轻型的复合材料,能够耐高压和高旋转力,有的部件需要有良好的导电性能,有的部件需要有良好的导热性能。相比喷气式发动机,二者有不同的技术要求。

  将动力来源从喷气式发动机替换为电动机,也对飞机的设计带来新的挑战。Olaf对《财经》记者表示,将发电用的燃气轮机部署在飞机尾部,将影响飞机整体的外形设计;此外,在飞机高度爬升时,客舱需要升压,传统飞机的升压气体是由喷气式发动机的高压引气提供,而采用电动机之后,需要考虑如何为客舱升压的问题。

  如同电动汽车一样,电动飞机要想得到大规模的应用,电池技术也依然是等待突破的瓶颈。目前E-Fan X设计中,电池的功率为2兆瓦,并且容量还不确定。空客在给《财经》记者的答复中表示,对于未来混合动力电动单通道飞机,需要20兆瓦到40兆瓦的安装功率,所以至少还有一个数量级的阶跃变化。包括能量存储、电力电子、效率和动力传输在内的许多其他技术都需要进一步研发,以实现这一目标。

  联合技术公司(UTC)旗下的航空航天业务单元联合技术航空系统工程与技术副总裁Geoff Hunt对《财经》记者表示,电池能量密度是一个广为人知的限制因素,此外,根据美国航空航天局(NASA)重新设计X-57 Maxwell电推进试验飞机的经验来看,电池散热问题也需要解决。

  飞机的不断电气化至电推进系统,也对电气相关环节带来新的技术要求。Olaf表示,在飞机内部,需要考虑如何获得电力以及分配到各个环节,这需要对电气系统进行重构。Geoff Hunt还指出另一个问题,为了降低配电系统重量,其配电电压将超过1000伏,而这会导致与电弧和电晕效应相关的问题。

  通航将率先启航

  不仅西门子希望借助电动飞机进入这一产业链弯道超车,中国也已经开始在这一领域布局,并且不落下风。

  在国内,最早从事电动飞机开发的是由工程院院士杨凤田主导的团队在辽宁进行的锐翔系列电动飞机的研发,这一项目在2012年立项,由辽宁通航研究院进行研发。

  2013年,其首款电动飞机锐翔RX1E实现首飞,并在2015年拿到了民航局颁发的型号设计批准书和生产许可证,它是一款两座通航飞机。参与锐翔研发的北京航空航天大学教授黄俊告诉《财经》记者,目前锐翔交付量还比较小,一共不到10架,主要用于领先试飞,总飞行时间超过2000飞行小时。

  其应用还不够广泛的原因之一在于续航时间,黄俊介绍,根据民航局目前的标准,飞机昼夜目视飞行需要保留30分钟持续电量,而首款锐翔电动飞机的续航时间约为1小时,这也就意味着飞机连起飞到着陆只有半小时的时间,因此,其用途无法得到充分发挥,交付量也比较小。

  面对这一问题,锐翔团队开始启动了增程型锐翔电动飞机的研发,通过增加电池容量,优化结构设计等方式来努力增加其续航时间。2017年11月1日,锐翔增程双座电动飞机在沈阳法库财湖机场成功首飞。据黄俊介绍,目前锐翔的持续飞行时间最长可以达到两小时,即便考虑到保留30分钟电量,持续飞行时间超过1小时,具备实用价值,比如1小时的持续飞行时间,在进行飞行员培训时就可以进行4个至5个起降。

  不过目前,锐翔的两款飞机由于续航时间和里程限制,还无法实现转场飞行,只能在本场起降,因此,它未来的目标市场将主要是飞行员培训和娱乐市场。同时,锐翔团队也已经在进行四座电动飞机的立项,其总重将达到1.5吨,初步设定续航里程达到300公里。

  黄俊介绍,根据美国通航市场的研究显示,300公里航程能够覆盖70%的四座飞机的飞行任务。300公里的航程,意味着四座飞机既可以完成培训等两座飞机的功能,也可以实现转场飞行。根据团队的计划,锐翔四座电动飞机计划在2020年实现首飞。

  专注于航空领域投资的华凯投资总经理陈鹏告诉《财经》记者,电动飞机将首先在通航市场落地,民航的应用要更遥远。波音民机集团东北亚区市场执行总监霍达仁(Darren Hulst)对此表示认同。他告诉《财经》记者,从具体技术路线图上来说,最先发展的应该是电动小型货机,然后是用于区域性同行的电动飞机。电动宽体客机在近期或者稍远时期都是比较难实现的。

  陈鹏还表示,根据其在业内接触的情况,欧洲在电动飞机的研发上最为积极,参与的公司最多,并且欧洲的适航部门EASA与各国适航部门都在积极进行标准制定,关于电动飞机的政策、规章制度的支持都比美国FAA更加积极。

  陈鹏介绍,有人驾驶通航飞机主要是两个市场:一是培训,二是个人娱乐飞行。而电动飞机在这两个领域都可以显著降低每小时飞行成本,并且可以减少排放和降低噪音。欧洲业界的预测是,到2023年至2025年后,电动航空会进入市场应用。

  研究机构ASDReports发布的关于电动飞机市场预测的报告也支持了陈鹏的判断,其报告预测,世界电动飞机的市场规模将从2018年的预计9930万美元增长至2023年的1.218亿美元;在预测期间,航程低于500公里的机型将引领电动飞机市场,主要用途为娱乐和飞行员培训。

  Geoff Hunt表示,目前以电力作为多电飞机二次能源的技术(注:用电能代替集中式的液压能源和气压能源,使各种二次能源统一为点电能)日趋成熟,并且正在越来越多地取代传统飞机系统中的液压能和气动能。随着新商业模式的出现,全电和混合电推进系统的发展将加速。


 

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