航空动力未来方向：电动推进技术

  十年前似乎遥不可及的纯电动汽车慢慢的开始走入寻常百姓家。在碳中和的大趋势下，电动这个听上去环境友好的动力概念，是否能在天上行得通呢？

  1957年6月30日，有官方报道的世界上第一架电动飞机——“无线电皇后”号电动模型飞机（使用永磁电动机和银锌电池驱动）在英国试飞成功。几十年来，电动飞机概念持续不断的发展。目前正在使用的电动推进技术路线一般可分为三类：全电、混合动力和涡轮电动。简单来说不同之处在于是否使用电池。

  顾名思义，电池作为飞机上唯一的推进动力源，由电池向电动机供电，带动风扇或螺旋桨产生推力。这种推进方式理论上最清洁环保，可实现零排放，但难度也最大，在可预见的未来大规模应用的可能性不大。问题主要有两点：一是电池技术。如果电池技术没有突破，越大的飞机就需要背负越重的电池，这显然是不现实的。正因如此，目前出现的全电动飞机尺寸都较小。二是安全问题。电动汽车电池自燃的新闻屡见报端，人员在地面尚有机会逃生，到天上就凶多吉少了。其安全问题难以通过监管部门审查，将大大限制全电动技术的应用。

  罗罗公司已成功开发出名为ACCEL的全电动飞机。有关技术包括370千瓦电推进系统、高功率密度电池，其测试通过地面全尺寸核心机试验台来开展。项目使用的电池组是当前全球飞机电推进系统使用的功率密度最大的电池组，由6000多个电芯封装而成，兼顾了安全性、重量和热防护，可驱动螺旋桨达到2400转/分的转速，飞行速度可达480千米/时。在测试过程中，每小时可产生数GB容量的数据，团队基于测试数据分析进行了改进。

  3月1日，罗罗公司“加速飞行电气化”项目高速全电动飞机完成了滑行试验，并计划于今年第二季度首飞。该项目原型机被命名为“创新精神”，采用全电推进系统和固定翼构型，设计功率400千瓦、速度480千米/时，计划创造电动飞机飞行速度世界纪录。滑行试验是其首飞前的重要节点，主要开展电推进系统集成关键测试。

  美国magniX公司和AeroTec公司2020年5月28日联合发布了重要的公告，其研制的全电动赛斯纳Grand Caravan 208B飞机已在AeroTec公司位于美国华盛顿州的飞行测试中心成功完成首飞。该机采用magniX公司的750马力（560 kW）magni500推进系统，是全球目前最大的全电动商用飞机。

  考虑到全电的劣势和问题，混合动力似乎是更加现实的选择。由燃气涡轮发动机提供推力并为电池充电，同时电池在飞行的多个阶段提供推进所需的能量。这种从传统的发动机驱动到电力驱动的过渡方案，大致上可以分为以下三种。

  串联混合动力：燃气涡轮发动机驱动发电机产生电力，电力给电动机供电并给电池充电（电池再向电动机供电），电动机驱动风扇或螺旋桨运转产生推力。该方案最主要的特点是发动机不直接提供动力，只驱动发电机提供电能，实现了发动机与电动机的分离，使得发动机能够始终在最佳工况点附近稳定运转，效率高、排放性能好。这种模式可实现多个“风扇/螺旋桨+电动机”的分布式推进系统。

  并联混合动力：电动机由电池供电，电动机和燃气涡轮发动机共同驱动风扇或螺旋桨运转产生推力。这种模式下，发动机在最佳工况点附近运行，电动机用来提供不足的功率，当发动机输出功率大于飞行所需时，电动机作为发电机运行吸收多余能量。

  串联/并联部分混合动力：存在多个风扇系统，一部分直接由发动机驱动，另一部分则由电动机（由电池或发电机供电）驱动。

  E-Fan X混合电推进研究由空客公司和西门子公司于2016年联合发起，2017年罗罗公司加入该项目。2019年罗罗公司收购西门子的电动航空部门，项目参与方变为空客公司与罗罗公司。该计划基于BAE系统公司AVRO RJ100支线飞机进行混合电推进改装，采用罗罗公司的AE2100涡桨发动机的核心机改装为发电机，使用西门子研制的2.5兆瓦的发电电机和2兆瓦驱动电机，系统电压高达3千伏，是目前研制的功率最大、电压最高的航空电推进系统。

  2020年4月，受疫情影响项目中止，取消原计划的飞行演示验证。罗罗公司将继续开展混合电推进系统研究，完成地面测试。

  罗罗公司表示，将于近期在英国布里斯托依托混合电推进试验台TP108 开展当前航空航天领域最大容量的混合动力系统“动力生成系统1号”的地面试验。该系统核心为高功率密度发电机，其功率高达2.5兆瓦，远超当前技术水平，能够有力推动未来兆瓦飞机、全电飞机等愿景的实现。发电机由AE2100热机驱动，电源子系统采用3kV高压体制。目前发电机在挪威特隆赫姆的实验室做最终阶段测试，完成后将与PGS1系统来进行整合；热管理子系统则由印第安纳波利斯团队负责。PGS1系统是从原E-Fan X演示验证计划中独立出来的项目。由于受疫情影响，2020年空客公司与罗罗公司终止了该飞行演示验证计划，随后罗罗公司独立开展PGS1研究工作。该系统将可集成到未来的兆瓦级飞机平台并开展飞行测试。

  波音参与了NASA提出的亚声速超绿色研究飞机计划（SUGAR），并提出了一款名为Sugar Volt的飞机，采用GE公司研制的hFan并联混合电推进系统。

  涡轮电动模式是指在飞行的任何阶段都不依赖电池作为推进动力，而是使用燃气轮机来驱动发电机，最终为驱动分布式风扇的各个电动机提供动力。

  部分涡轮电动是全涡轮电动的变体，电动机提供部分推进动力；其余的动力由燃气涡轮发动机驱动的风扇提供。

  涡轮电动概念很适合分布式推进，可获得更高的等效涵道比。NASA 开发的“STARC-ABL”采用部分涡轮电推进架构，该机在机翼下方安装有两台涡扇发动机提供推力，同时这两台发动机还可以对安装于机身尾部的风扇提供电力，从而为飞机提供部分推力。尾部风扇对机身附面层的抽吸作用可为低能气流注入能量，还可获得减阻的收益。更小的阻力意味着能减小动力需求，缩小翼下发动机的尺寸，抵消因电力系统、后置风扇和短舱带来的额外重量增加。

  全电推进目前仅限用于小型飞机（通用航空飞机），但它们不是碳排放的大多数来自，从脱碳的角度来看，应更多关注电推进在大型商用飞机上的应用。对于大型商用飞机，电池可能仅被用于辅助动力装置和起动系统等辅助系统。若要发展电池驱动的电推进，必须大幅度提高电池或燃料电池的比功率。从这一层面来说，无需电池的涡轮电推进技术相较于需要电池的全电和混合动力方案更适合用于商用飞机。

  电动飞机的未来除了与电池等相关动力概念的发展息息相关外，还取决于飞机本身。采用空气动力学效率更加高的结构和构型，如先进材料、更大展弦比机翼(如桁架支撑机翼)或混合翼身构型，能够更好的降低能量需求，从而使电力推进结构更实用。