整机丨电动时代航空发动机的机遇与挑战
今年3月，一架型号为RX1E-S的双座水上电动飞机在水面腾空而起，标志着全球首款双座水上电动飞机正式交付。该飞机由沈阳航空航天大学研制，以锂电池作为动力来源，实现了零碳排放。4月，宁德时代发布凝聚态电池，单体能量密度高达500瓦·时/千克，开启了载人航空电动化的全新场景，电池技术的发展让低碳航空迈出了重要一步。
配装中国航发动研所研制的混合电推进系统的SA60L轻型运动飞机
电动飞机产业发展迅速
根据国际能源协会数据显示，航空业碳排放量占全球人为碳排放总量的1.8%。目前各国均在推进航空业低碳可持续发展。美国科学技术委员会发布《国家航空科技优先事项》，将电动垂直起降飞行器、电动飞机列为优先发展技术。欧盟“清洁航空”计划为多兆瓦燃料电池系统等项目提供超过7亿欧元的资金支持。中国发布《加快建设交通强国五年行动计划（2023—2027年）》，要求开展运输绿色低碳转型行动，推进交通运输绿色发展。 在相关政策的支持下，传统航空公司和新兴初创公司在绿色航空上积极发力。2021年，霍尼韦尔推出1兆瓦涡轮发电机，集成辅助动力装置和高效率发电机；2021年11月，罗罗公司“创新精神”号全电动飞机飞行速度达到555.9千米/时，由6000个电池组成的电池组提供动力；2022年9月，Eviation公司研发的纯电飞机“爱丽丝”在美国成功完成首飞；2022年11月，安飞航空公司9座混动支线飞机顺利首飞；2022年下半年，罗罗公司开展新型涡轮发电机核心系统测试；2023年3月，BAE系统公司与瑞典Heart Aerospace合作为ES-30支线电动飞机设计电池系统…… 电动飞机的发展绕不开电池这道坎，飞机电动化发展的最大问题是电池的重量。 据测算，如果把波音737客机中所有的乘客和货物都撤下，用电池填满空间，这样也只能飞行不到一小时。 虽然电动机的效率要比内燃机的效率高，但是每单位质量航空燃油的储能是电池的几十倍。为了缩小这一差距，要么让电池更轻，要么开发储能更高的新电池。 在电动汽车需求强劲的推动下，我国电池产业发展迅速，涌现出了宁德时代、比亚迪、中航锂电等电池厂商，在全球市场占有相当的份额。 中科院院士欧阳明高表示，2012~2022年中国动力电池能量密度从100瓦·时/千克上升到300瓦·时/千克，成本从瓦时5元降到1元以内。电池能量密度的持续提升有望开启航空动力装备的新篇章。 
电动飞行需要更高的能源密度和更快的充电速度，同时还需要解决安全性和稳定性的问题。 eVTOL（Electric Vertical Takeoff and Landing，电动垂直起降）飞行器有望率先实现商业运行。eVTOL具有垂直起降、快捷机动、低成本、低噪音、零排放、高安全性等特点。 2 0 2 2年9月，V e r t i c a l Aerospace公司VX4电动垂直起降飞机实现首飞。该飞机能以200千米/时的巡航速度，搭载一名飞行员和四名乘客飞行160千米。今年将以更高的高度和更快的速度试飞。 2022年10月，小鹏汇天旅航者X2在迪拜进行了全球首次公开飞行。这种“飞行汽车”采用电池、电机等动力系统双备份方案，最大飞行速度为130千米/时，可在1000米以下飞行35分钟。 eVTOL的飞行距离和飞行速度与现有航空器仍存在较大差距。 全电推进系统是我们不懈追求的目标。但以目前电池技术的发展和飞行经济性的要求，似乎混动推进技术更适合现在的技术发展路线。 2022年3月，配装中国航发动研所研制的混合电推进系统的SA60L轻型运动飞机首飞成功。混合电推进系统由燃气涡轮发电机和动力电池同时提供能量，采用的动力电池由重25千克三元锂电池组成，容量为3.5千瓦时。 对大中型飞机而言，随着飞控系统、防冰系统、客舱舒适性要求的不断提高，飞机的用电量需求不断提升，在航空发动机的基础上增加电池系统或成为解决方案。 以波音787飞机为例，飞机的电源由来自4个安装在发动机上的变频发动机、2个安装在APU（辅助动力装置）上的变频发动机和1个空气冲压涡轮系统提供，总发电功率1450千伏安。 电池技术的发展衍生出航空动力装备竞争的新赛道。如在大中型飞机上安装动力电池模组，由安装在航空发动机上的发电机在飞机巡航阶段提供能源输入，根据各系统功率需求输出电能，减少机载发电机的种类和数量，回收航空发动机能量损失。 APU能在航空发动机停车后为飞机提供必要的电力和空气。目前，各机场正大力推动APU替代设施的建设，通过输电线和供冷管道将地面清洁能源输送给停场飞机，减少APU装置的使用。 然而，远机位的APU替代设施建设成本较高，且对机场电网的电力需求较大。动力电池还可在飞机起飞前准备阶段或经停时，代替APU持续为飞机提供电力和空气，实现“双碳机场”建设目标。 或许有一天，打开飞机尾部、拔下电源取出电池，再安装上一个已经充满电的电池，将成为机务人员的日常工作。 早年，日本航空一架波音787在停机后，用以启动飞机辅助动力装置的锂电池因短路引发了火情。近年来，客舱内锂电池失火事件层出不穷，产生了严重的飞行安全隐患。 飞机在运行过程中，动力系统、气流、机场跑道、外来物撞击等会产生各种振动作用，同样也会让电池产生振动，以及电池在短路、充放电等情况下会出现热失控状态，严重情况下会出现自燃甚至爆炸。 2022年8月1日，《正常类飞机适航规定》实施，新增了电动飞机动力装置补充要求，对电推进系统、电池和配电系统、电池和电动力系统防火提出了相关安全性要求。而对于动 力锂电池，目前还没有适航要求，仍需进一步加强产业合作，力争在电动飞机适航标准制定和审查流程规范方面掌握主动权和话语权。 高能量密度电池技术愈发成熟。高能量密度电池是电动飞机的核心，直接影响飞机的续航时间。目前量产的电池能量密度还不能满足长时间飞行需求。石墨烯作为一种导电性、导热性以及机械强度均极佳的材料，是作为电池的负极导体材料极佳选择之一，加强石墨烯材料研究所与国内领先电池供应商的合作有望使电池的性能更优异。 航改发电机有望抢占市场先机。中小型航空发动机、辅助动力装置已有多型成熟产品，且已经过长期的空中飞行考验。中小型航空发动机和辅助动力装置改型涡轮发电机，可直接作为混电推进系统的主要动力来源，为电池组或电动机供电。 机场地面充电设备前景广泛。电池技术发展将衍生机场充电设备建设需求。航改燃气轮机的机组效率相比一般的燃气轮机更高，具有体积小、排放量低、经济性好、维护便利的特点，可直接与机场油库连接，使用航空油料进行发电，是机场充电设备电力供应的绝佳选择。 绿色环保是未来航空产业发展的趋势之一，电池技术的发展将推动航空动力装备的变革。机遇与挑战并存，布局绿色航空、加快技术落地、抢占市场先机，航空动力装备的进一步突破，让我们共同拭目以待。航改燃气轮机。
来源：中国航空报
