本文来自微信公众号：探臻科技评论（ID：TWtechreview），作者：刘商隐、李治、李子威、刘书呈、龙辰纲、王昱豪，原文标题：《解读下一个风口：电动飞机将成为低碳航空的关键》，头图来自：视觉中国
一、电动飞机的概念和内涵
1. 技术概念
电动飞机（Electric aircraft）的概念是指依靠电动机而不是内燃机驱动的飞机，其电力来源主要包括燃料电池、太阳能电池、超级电容器、无线能量传输或其他种类的电池等。
图1电动飞机的技术概念
（来源：计算机系博士生刘商隐技术专题汇报）
现阶段电动飞机与传统螺旋桨飞机、喷气式飞机相比，主要优点体现在本质上它是新质新能源航空工具，具备绿色环保、噪声低、机械故障少的优点，但是却存在着电池储能技术不够成熟、产业化程度较低、相关扶持政策不到位的弱点。这也是为什么电动飞机概念先进但是落地困难，归根结底它还未提升其技术成熟度，达到低空通航产业化的相关要求。
2. 研究意义和发展内涵
① 绿色航空，低碳环保
经综合分析和比较，电动飞机是实现绿色航空的关键技术途径。
② 易于传输控制，安全飞行
经综合分析和比较，电动飞机是实现安全飞行的产业化变革途径。
③ 新能源通航手段，降低运营成本
经综合分析和比较，电动飞机是实现低成本运营的重要抓手。
二、电动飞机的发展现状
1. 国外电动飞机发展现状
近年来，作为世界航空业先进水平的代表，美国和欧洲多家飞机制造商与科研机构高度关注电动飞机研究。美国国家航空航天局（NASA）于2015年提出了电动飞机发展路线图，启动包括小型垂直起降飞行器、通用飞机、大型干支线飞机在内的 3 条技术路线研究。美国军方于2020 年初公开了分布式混合电推进运输机概念模型。
英国商业-能源与工业战略部、航空航天技术研究所于 2020 年 7 月设立了 4 亿英镑的专项基金推动绿色航空发展。2008 年至今，欧盟提出了“洁净天空”“地平线 2020”系列联合技术创新计划，开展了包括混合电推进架构、先进发电技术、电力电子技术等在内的大量电动飞机关键技术攻关。2019年7月，日本宇航航空研究院（JAXA）与法国航空航天研究院（ONERA）、德国航空航天研究中心（DLR）在巴黎航展上签订为期4年的联合研发协议，合作内容包括新一代直升机旋翼优化、气弹、超声速飞机和电推进技术。
2. 国内电动飞机发展现状
我国在电动飞机领域也开展了电动飞机产品研发工作。在小型载人电动飞机领域，辽宁通用航空研究院于2011年开始开展系列电动飞机研制工作，其中RX1E双座电动飞机、RX1E-A增程型双座电动飞机已经取得适航证并进入市场。香港昊翔电能运动科技有限公司在2017年成功研制昊翔E430双座电动通用飞机。由中国商飞公司联合国家电投集团氢能科技发展有限公司等单位共同发起研制“灵雀H”氢燃料电混合动力飞机，该验证机于2019年1月开始进行试验飞行。中国航空研究院在2018年与荷兰宇航院就民用航空科技领域的交流与合作达成协议。
国内外主要电动飞机产品如表1和图1所示。
表1 国内外主要电动飞机产品
图3 国内外主要电动飞机产品
三、电动飞机产业化的必要性分析
1. 电动飞机是发展绿色低碳航空的关键途径及必然选择
传统飞机的主要能源形式为燃油。根据相关研究，民航是一个较大的碳排放来源，其排放量约占全世界总碳排放的4%。同时，采用内燃机驱动也给环境带来了噪声污染。电动飞机采用电力驱动，能够有效降低碳排放和噪声污染。2020年10月，我国正式提出“双碳”目标，在这样的大背景下，电动飞机更是成为发展绿色低碳航空的关键途径及必然选择。
2. 电动飞机是实现航空低成本运营的重要抓手
技术方面，电动飞机采用电推进系统，传动结构简单，能源利用率高，便于维修保养，能够有效降低能源与维护成本。商业运营方面，通用电动飞机结构简单，便于快速投入商业运营，从而有效提升平台维护性、降低运维成本。
3. 电动飞机是实现安全飞行的产业化变革途径
与传统飞机相比，电动飞机采用电动机驱动，其不需要减速齿轮，降低了传动时的故障发生率。同时电动飞机几乎没有传统飞机上的管道和压力部件，这使得其更加轻便。此外，电动飞机采用电能作为动力，易于传输和控制。这些都提高了飞行的安全性。
4. 电动飞机是城市空运未来交通新范式的助推器
在全球致力于“碳中和”的当下，电动飞机因其绿色环保、运营成本低、飞行安全等特点逐渐成为绿色航空关注的焦点，进而也催生了城市空运这一未来交通的新范式。各国也相继在本国通过逐步开放低空空域、建立健全适航法规来支持城市空运的发展，使得其战略意义和发展前景得到充分体现。
四、电动飞机产业化的技术可行性分析
图4电动飞机核心支撑技术架构
电动飞机技术主要有4项核心技术，其中电动飞机总体设计技术在整体层面上管控能源系统技术，电推进技术，能量综合管理技术，而后者3个技术又是总体设计技术的有力支撑。
1. 电动飞机总体设计技术
总体设计技术是建立电动飞机的框架以及对各个模块进行整合的一项技术。电动飞机的设计结构与传统飞机具有很大的不同，比传统动力形式具有更高的尺度无关性，使得电动飞机总体设计可突破传统架构的限制，具有广阔的设计空间。总体设计技术主要包括：“气动-结构-推进”一体化设计和气动布局创新设计技术。
“气动-结构-推进”一体化设计对飞机的各部件的几何、气动力、重量参数等各种参数进行迭代优化设计和综合权衡分析。气动布局创新设计技术则是在常规布局基础上，重点开展翼身、桁架支撑翼、分布式推进等新型气动布局技术研究。
图5 电动飞机总体设计技术发展路线图
2. 能源系统技术
能源系统是电动飞机的供能组件，其性能从根本上决定了飞机的续航时间、航程以及运营成本。目前主要发展的是两种能源系统技术：纯电力能源系统和混合电力能源系统。
纯电力能源系统仅由电池为飞机动力和机载系统提供能量，例如锂电、燃料电池和超级电容等新型能源等。但是传统飞机燃油的能量密度大约为12700kW·h/kg，而目前电池能量密度最大能够达到500W·h/kg，两者相差很大，因此长寿命、高能量密度、高功率密度电池技术是未来电动飞机亟待解决的关键技术。
目前采用纯电力能源系统直接驱动大型飞机还有相当的困难。由此提出了一项过渡方案，即混合电力能源系统。混合电力系统由燃油和电池共同为飞机动力和机载系统提供能量，这是目前可行性更高的方案。
图6 混合动力推进系统框图
3. 高效高功重比电推进技术
电推进技术是利用能源系统所提供的能源，通过高功率密度电动机带动，为飞机提供飞行推力。电推进技术是电动飞机的核心技术，决定了电动飞机的动力、效率等关键性能指标。主要包括永磁同步电机，超导电机，电机驱动控制器和低噪高效螺旋桨技术。
图7 高效高功重比电推进技术发展路线图
永磁同步电机，超导电机分布在飞机的关键部位，有效地实现能量转换，为飞机提供持续的动力。电机驱动控制器则是保证永磁同步电机和超导电机高效可靠运行的必要设备。低噪高效螺旋桨可在同等输出功率下提高飞机气动性能、降低噪声，是电动飞机领域实现碳减排的有效举措。
4. 能量综合管理技术
以电能作为一次能源的电动飞机，对电网容量，电网负载特性，配电系统的性能提出了更高的要求；同时对各种用电设备的安全管理也成为一项重要的指标。由此提出的能量综合管理技术主要包括：飞机电网框架，电力电子技术，热管理技术和能量智能管理技术。
飞机电网框架是通过建模仿真，模拟等方案设计出满足电动飞机系统要求的电网。电力电子技术通过电能传递、变换、控制，使得电力电子器件的功率密度、效率等指标达到足够的安全性。热管理技术用于保障飞机的各部件和系统。能量智能管理技术则是从整体层面有效提高能量利用效率，保障飞机的稳定性。
图8 能量综合管理技术发展路线图
五、电动飞机产业化发展的瓶颈和挑战
1. 电池技术及能源供应
传统飞机燃油的能量密度大约为12700kW·h/kg，而目前电池能量密度最大能够达到500W·h/kg，现阶段以纯电力能源进行供能是一个难以实现的愿望，因此提出了从传统的发动机驱动到电力驱动中的一个过渡方案，即混合电力能源系统。但毕竟这是一种过渡的方案，能否突破高能量密度电池技术仍然是一个关键性的问题。
目前有一些正在尝试的方案包括新型高密度锂电池，燃料电池技术。德国的一个团队已经展示了一种新的锂金属电池，其密度远远超过了重要的500 Wh/kg的基准并且能在数百次循环中保持性能。金属锂被一些电池研究人员誉为“梦想材料”，很可能帮助我们突破能量存储的关键瓶颈，但稳定性问题迄今一直困扰着这项技术。燃料电池是利用物质的氧化还原反应所产生的电荷的移动而进行发电。燃料电池只要不断提供活性物质的燃料和氧化剂就能继续发电，不需要提供热能，而是依靠电化学反应直接发电。具有效率高，不排出有害气体物质的优点。燃料电池由于其能量密度大，正广泛应用于电动汽车、电动和混动飞机的研发中，是一个新型的朝阳产业。
2. 产业结构及政策方面的不足
目前看来，我国电动飞机基础研究仍较为薄弱。长期以来，我国通用飞机制造业结构失衡，产业链主要环节缺失。在通用飞机关键技术和关键零部件上还没有形成自己的研发及生产能力，与欧美等国相比存在较大差距。我国通用飞机制造企业集中度不高，与国际通航飞机制造巨头相比，国内相关企业规模小、实力弱，供应链松散，技术储备较少，市场竞争力和盈利水平不高。在这种局面下，电动飞机的研发举步维艰，电动飞机基础研究十分薄弱。在关键的科技瓶颈如：高能量密度动力电池、高效率电推进系统、能量综合管理等方面研发能力不强。
在政策方面，科技部、交通运输部也联合制订了《“十三五”交通领域科技创新专项规划》，指出“十三五”期间交通领域科技创新的发展重点包括：研究新能源电动飞机电推进系统技术，通用飞机轻质、高效整体化结构设计与制造技术，研制新能源电动飞机和先进通航轻型飞机，提升高效绿色轻型多用途通用飞机型号研发水平，发展我国通用航空战略新兴产业。
然而虽然电动飞机的研制工作符合国家科技创新的指导思想。但是，我国没有明确制订电动飞机专项研究计划和电动飞机研发、制造和运营的相关扶持政策，同时因为受限于飞机制造业结构的失衡，国内的电动飞机研发、制造和运营工作基本上还处于“单打独斗”的局面。
六、结语和展望
当前，电动飞机发展所面临的挑战，主要在技术与政策两个层面。技术上，保护人身安全是重中之重，如何提高飞行的稳定性与可靠性，避免空中交通事故的发生，是当务之急。作为一种新型交通工具，电力能源为飞机提供了动力推进，如何增加飞行动力系统的功率密度，尽可能地提高续航能力、减少能源成本、降低航行噪声，仍是需要探究的技术难题。政策上，目前全球各国缺乏空中交通的适航标准，而基础设施建设、环境影响等问题同样需要相应的政策法规去衡量和保障。因而，要让电动飞机真正落地与普及，就需要相关的行业与部门参与进来共同实现。
放眼未来的出行方式，空中交通网势必会和地面交通网相互依存、相互交融，在城市的苍穹之下构筑起全方位、多层次、立体化的交通系统。以电动飞机为代表的空中交通工具，将凭借自身的便捷性与速度优势，在公共出行、智慧医疗、救援抢险等场景大有可为。
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