在能源革命的背景下，中国提出“二氧化碳排放力争2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”的“双碳”目标。在航空运输领域，目前性能最优的涡扇发动机的燃油效率在40%左右，且已经很难再进一步提升，以传统的航空煤油为燃料的飞机在减排降噪上可挖掘的潜力已经非常有限，为实现航空领域节能减排目标，必须寻求新的解决方案。与此同时，新能源技术作为我国七大战略性新兴产业之一，目前已经初具规模：电机、电控、电池等技术得到了迅速发展，在工业领域锂电池能量密度上升到300W·h/kg，电机的功率密度达到4kW/kg以上，支撑电推进飞机研制的技术基础已经具备。除了新能源技术本身的发展，电推进飞机的成熟还需要结合多电/全电技术，开展系统结构、气动布局和飞行控制等方面的研究，以提高推进系统的效率，减少能源消耗，更需要为未来电推进飞机制定全新设计标准，建立适航体系方法，推动航空领域电气化进程。

 

 

 

电推进飞机的发展现状

 

 

目前，全球有200多项在研电推进飞机项目，包含传统固定翼飞机改造、新构型设计、全电推进系统和混合电推进等。近年来，电推进飞机的发展方向可分为纯电动固定翼(eCTOL)、电动垂直起降（eVTOL）和混合电推进(HEA)3类。尽管各个机型的技术路线不同，但一般侧重两个方面的研究：一是电推进核心技术研究，包括高功率密度电驱动技术、电力电子技术，以及能源架构设计、综合能量管理、新型推进系统设计等；二是与气动、结构、飞控等融合设计，进行推进系统的整体创新，如美国国家航空航天局（NASA）的X-57高升力螺旋桨飞机和极光飞行科学公司的“雷击”飞机的分布式涵道风扇，利用分布式动力降低阻力、提高升力，获得较高的气动效率，使飞机性能得以较大提升，最大程度地减小了电池的限制。

 

 

总的来看，目前电推进飞机的发展主要是以电气化技术为核心，促进能源行业持续进步，并不断促进与能源、气动、结构、动力和飞控等相关技术的深度融合，在当前电推进技术水平最大程度地实现气动、噪声、推进效率的全面提升。此外，当前的新能源、自动驾驶、智能网联、增材制造和新型材料等技术的积累及市场化应用也为开展电推进飞机研制提供了条件保证，其设计与最新技术的结合也能促进航空业发展并形成新的生态圈，为航空业持续健康发展提供了难得的产业机遇。

 

 

 

电推进飞机的技术变革

 

 

电推进飞机的技术变革（或关键技术）主要体现在能源系统、飞机推进系统、飞机总体设计/气动布局和飞行控制等几个方面。

 

能源动力系统持续发展

 

电推进飞机最显著特点是能源架构简洁、动力系统效率高，这主要得益于省去了复杂传动机构，从电池到电驱动、电机端的传输效率可达90%以上。而电池和电机是电推进飞机的核心技术，其性能的优劣将直接影响飞机的整体性能。

 

NASA的研究表明，400W·h/kg的电池能量密度足以支持有意义的电动和混合电动飞机。基于固态电池，锂硫电池高能量密度电池也不断取得技术突破，当前的电池技术已具备开展电推进系统试验验证的基础。如NASA正在研究的“纳米电燃料液流电池”，其目标是可像燃油一样供能，从而为飞机提供安全、清洁、安静的储能系统，该液流电池比一般的锂电池的能量密度高，且热性能稳定[4]。其他的绿色能源还包括超级电容、可持续航空燃料（SAF）和氢能等。特别是以SAF和氢能为代表的绿色能源形式，将有助于降低航空碳排放——SAF有望将二氧化碳净排放降低75％以上，氢燃料有望实现航空业净零排放。

 

在电机方面，目前的功率密度已经普遍接近4kW/kg。西门子公司在Extra 330L飞机中使用的电机总功率260kW，功率密度为5.2kW/kg；伊利诺伊大学已经完成13kW/kg的电机设计，效率大于96%；诺丁汉大学设计的另一种Halbach结构外转子超高功率密度永磁电动机，功率密度为15.8kW/kg，效率能达到96.8%；俄罗斯中央航空发动机研究院(CIAM)正在开发一种基于高温超导体的新型电机的功率为500kW，已于2021年2月5日开始进行测试，并利用雅克-40飞机完成搭载试飞。此外，功率密度大于10kW/kg的宽禁带（禁带宽度在2.3eV以上）半导体器件可大幅提高工作电压和开关频率，从而提高功率密度，实现兆瓦级电驱动，GE公司和NASA已经基于SiC等器件制造了出兆瓦级的电推进飞机驱动系统，探索其未来应用于大型支线客机的可能性。

 

 

由此可见，电推进飞机和能源动力行业正在相互促进，不断进步和发展。电推进飞机的研制在促进能源动力行业发展的同时，也必须匹配当前以及未来电气化工业的水平，并合理制订电推进方案，提高电推进飞机的续航时间及性价比，最终实现满足市场化需求和应用的产品。

 

 

飞机推进系统的创新

 

电推进技术给飞机推进系统带来的创新主要有两点：一是简化推进系统结构，使飞机更加简洁可控，有效提高推进系统效率，增大能量控制的灵活性和容错性，提高系统安全性；二是由于电推进的尺寸无关特性，推进系统可根据飞机的用途灵活安置，设计空间变得更为自由。

 

电推进技术对飞机推进系统的最佳创新实践体现在分布式推进上。相比传统集中式推进，采用分布式推进可优化飞行空气流场，降低阻力和噪声，提高了系统安全性，也可以实现垂直起降等特殊功能。例如，乔比（Joby）航空公司推出的2座S2飞机和5座S4飞机采用16组分布式推进，其中12组用于垂直起降、4组用于巡航。S4飞机最高速度可达322km/h，而电能消耗只有汽车的1/5，飞行里程可达240km，巡航时分布式螺旋桨可折叠，减少了气动阻力，而降落后甚至可利用风能充电。

 

 

飞机推进系统的创新还体现在混合电推进上。2019年6月，基于6座赛斯纳337改型的混合动力飞机进行了首次飞行，该飞机采用了并行混合动力设计，它的前部有1台汽油发动机，后部有1个由轻型电池系统供电的电推进系统，两个动力装置完全独立，但能协同工作以优化能量输出。2020年，法国沃特（Volt）航空公司的Cassio 1混合动力飞机首飞，两侧机翼上各加装了1台赛峰集团研制的ENGINeUS型电机，总功率近440kW，还在尾部采用了同轴并联式混合电推进装置，由1台270kW的内燃发动机和3台60kW电机通过1个动力输出轴带动1个螺旋桨。NASA近期通过借鉴潜艇等装备，推出一种无轴轮缘电机，将螺旋桨和电机一体设计，减少了电机运行的扭矩并消除了中心轮毂带来的阻力，该方案需要进一步试验验证。