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世界电动航空产业 在继承和创新中跨越发展
来源:中国民航网2017-02-15 16:42:00

电动航空看似是一个新鲜事物,其实电动飞行的历史可能比我们所想的更为久远。自1973年首次实现电动固定翼飞机载人飞行以来,已过去近半个世纪,现在电动航空的兴起可谓是一次复兴和继承。

电动航空对国民经济发展的促进作用

近10年来,随着电池和电控软件等相关技术的不断发展,通航电气产品和电动航空创新技术已彰显出蓬勃生机及巨大的市场前景。根据专业机构预测,未来15年内,电动航空市场将增长到数百亿美元。在世界范围内,目前已有超轻机、轻型运动飞机、动力滑翔机、动力三角翼和动力伞等30多种各类电动航空器投入生产,电动航空整机市场已经启动,另有包括混合动力支线客机和电动直升机在内的70余个各类电动航空项目正在研制中。

更为重要的是,电动航空技术将对整个航空业从机型设计到运营使用等各个方面产生革命性的影响,电动航空引领的绿色新能源、新型航空产业将为全球通航市场,特别是我国航空业带来前所未有的发展和机遇,为我国通航业赢得跨越式发展提供了历史机遇。根据目前世界电动航空业发展情况,电动航空技术将对各国的航空业和社会经济发展在以下几方面起到巨大的促进作用。

(一)引领航空技术创新发展

世界航空业正迎来自喷气时代起最重大的技术变革。电动技术能够让各类创新型航空技术设想更加容易地实现,由于电机具有扭矩输出曲线平直、很高的功重比、易于智能化控制等优点,能够应用在多种设计领域,包括高效低噪的超大函道比发动机、高空长航时无人机、简单易用的多旋翼垂直起降飞机、翼面层流吸附技术、更加高效安全的分布式动力布局、超高机动性的矢量动力等,同时也对飞机传统的气动和结构设计提出了新的技术挑战。西门子公司已经在多种电动飞机上试用的260千瓦时功率电机仅重50公斤,是目前投入使用的功重比最高的航空电机,为新型航空器设计打开了一片广阔天地。

(二)推动新能源环保交通发展

包括我国政府在内的各国政府都在各个交通领域大力推动电气化以减排环保。全球航空业每年排放约5亿吨二氧化碳,为有效减少航空业的碳排放,2012年,欧盟已率先开展了民航业的碳排放交易。随着《巴黎协定》的签署,航空业也已加快减排节奏,2016年,国际民航组织通过减排协议,计划在2020年实现碳中和,2050年实现比2005年民航业碳排放量减少半的目标。为此,电动航空技术是世界航空业实现减排目标的必然选择。波音、空客和多家航空发动机企业均已开展电动和混合动力技术项目研发工作。

(三)带动多领域产业跨界融合发展

电动航空技术的产业链和价值链都较长,涉及的燃料电池、超级电容、混合动力、轻小电机、智能电控等每个技术和产品都可以与机电一体化、软件智能控制、高端制造业等多个领域产生交集,相互促进。电动航空产品的“广谱”特性能够使大量的相关企业跨界参与,实现多个领域的共同发展。电动航空产业的发展已吸引了包括博世、ABB、谷歌等在内的相关领域的多家龙头企业参与。

电动航空多领域应用前景

虽然目前的电池能量密度还难以满足要求,但在部分航空领域,电动飞行已具备了实用性,比如像特技飞行和基础飞行培训这样对飞行时间要求本来不高的飞行活动。此外,油电混合动力飞机也提供了实用性的电动航空解决方案。

(一)民航:为下一代民航客机混合动力预研发,并渐进式研发多项减排增效应用技术。波音公司2007年完成燃料电池载人电动飞机试飞工作,空客公司于2016年与西门子公司签订合作协议,双方将共同投入数百名工程师,计划在2030年试飞1000公里航程的混合动力支线客机。

(二)军事:无人机是电动技术的重点研发方向,包括使用太阳能和燃料电池的高空长航时无人机,油电混合动力无人机可以在起降和突防阶段采用全电动模式,大大降低噪音和红外信号,以及采用分布式动力矢量推力的既可以垂直起降,又可以高速巡航的无人机等。

(三)通航:这是电动航空技术短期内最有可能实现较大发展应用的领域,各项电动航空技术产品将在各类通航飞机上首先应用和改进,为在军民航的大规模应用上夯实基础。电动航空技术在通航领域主要有以下应用。

1.特技飞行

每次特技飞行的时间通常为15分钟~30分钟,因为飞行员要承受很大的过载,容易疲劳。此外,在欧洲多国,由于控制噪音,传统内燃航发特技机的飞行员不得不常常飞到距离本场20分钟或更远的空域训练,电动特技飞机的续航时间和低噪音特点正可以满足此需求。同时,特技飞机由于具备承受很高过载的强度,非常适合作为研制电动动力在各种苛刻飞行条件下的试验平台。

2.飞行培训

初级飞行培训主要是在本场进行起降航线训练,这是电动飞机可以立即开展应用的领域,已经开始批量生产的电动飞机也主要针对飞行培训市场,可以大大减少使用和培训费用。目前的电动飞机续航时间一般为一小时,而在飞行培训中,通常每1个小时起降训练后就更换学员,以利于学员掌握所学技能,在更换学员的同时,就可以更换电池组。这样,两三个电池组就可以满足不间断飞行训练的需要。

3.动力滑翔

滑翔机所需起飞和巡航功率较低,现有的电池技术已经可以满足绝大多数滑翔机的自升空需要,而且电机功率不随高度增加而降低,适合高空使用。德国和瑞士的企业已在联合研制可达到平流层高度的太阳能双座电动滑翔机,设计升限为23000米,可以用于多种科研和高空旅游项目。

4.油电混合动力

与汽车业类似,油电混合动力也很可能是在航空领域近期采用最多的动力方式。一台专门设计的高效内燃机可以用作发电机,大大延长航程或航时,由于整个动力系统是基于电动设计的,只要将来电池技术有较大发展,或充电站建得更加密集,就可以很快实现全电动飞行目标。

5.多旋翼垂直起降

多旋翼电动技术摆脱了传统直升机的复杂机械结构,利于机电和软件企业跨界研发,这是目前电动航空技术应用引发最多关注的领域,也是最有利于发挥电动航空技术独特优势的领域,全球已经有包括空客和谷歌在内的10余个此类机型项目正在研发。

电动航空航规管理改革

为抱团发展,做大市场,已成立了多家行业协会组织,欧美多国已定期举办多个专业论坛和展会等交流活动,并加强与各国适航管理机构的沟通交流,促进电动航空技术的相关适航政策的制定。其中,从2009年开始,每年4月在德国举办的e-flight-expo电动航空展已成为世界上规模最大的电动航空技术专业展会。通航业最重要的产业联盟通航制造商协会(GAMA),2016年成立了电动动力及创新委员会(EPIC),仅一年时间,该机构已迅速增加到40多个会员单位,几乎囊括了全部航空制造企业和多家跨界企业,包括空客、波音、西门子、湾流、德事隆、通用电气、普惠、罗罗、本田航空、佳明、谷歌、优步等。EPIC与美国联邦航空局(FAA)和欧洲航空安全局(EASA)就通航飞机制造23部法规重大修订的电动航空相关内容加强沟通,各方一致同意将加大力度推动电动航空产品的适航认证纳入到新23部法规中,并协商制定电动航空产品技术标准,为电动航空产业的发展营造良好的政策环境。2017月2月,经过与FAA和EASA等管理机构的深入沟通,GAMA发布了首个电动航空技术标准建议。

为在轻型飞机领域推广电动技术,多国航管部门正在积极调整适航管理政策。欧盟已经迈出了第一步,多家管理机构正在协商将欧洲超轻机类别的最大起飞重量由现行的450公斤大幅增加。欧洲议会的交通与旅游委员会(TRAN)已率先通过将超轻机的最大起飞重量增加到600公斤,由于电池重量计入飞机重量,电动飞机将是此次政策修订的最大受益者。

电动航空发展对我国航空业的影响

我国传统的航空产业基础较为薄弱,特别是以活塞式航空发动机为主要动力的通航业与世界成熟市场的差距较大,我国航空业与欧美企业在传统领域开展竞争并超越面临较大困难,但在电动航空领域,目前全球所有参与企业的发展水平差距不大,以电动航空技术引发的技术革新为契机,我国航空业可以发挥后发优势,与世界先进水平迅速接轨,实现弯道超车,同时发挥电动航空的产业协同效应,带动我国多个相关行业的整体技术进步。

2016年8月,民航局局长冯正霖在民航局通用航空工作领导小组第二次全体会议上指出,在通用航空器的发展上,要加大研发新能源飞机的力度,从全产业链角度,促进新能源飞机的发展应用。这次讲话为我国通航新能源飞机的发展指明了方向,具有重要的指导意义。沈阳航空航天大学研制的RX1E“锐翔”电动飞机正是体现了我国参与全球电动航空技术发展的决心和信心。中国通航人一定能抓住这次航空技术变革的大好机会,催生丰富多元的通用航空新产品、新空间、新业态,促进低空经济的繁荣,使通用航空成为促进我国经济社会持续健康发展的重要增长点。

 

相关链接:电动小飞机 飞出大惊喜——说说驾驶RX1E“锐翔”电动飞机的飞行体验

RX1E“锐翔”电动轻型运动飞机(以下简称锐翔电动飞机)由沈阳航空航天大学附属的辽宁通用航空研究院协同多个科研单位研制,于2013年6月成功首飞,2015年2月通过中国民航局的型号合格审定,2015年12月获颁生产许可证,是中国民航局正式受理审定的第一个轻型电动飞机型号,是全球第一款也是目前唯一完成所有适航审定验证试验,获得型号设计批准证书(TDA)和生产许可证(PC)的电动轻型运动类飞机。锐翔电动飞机采用锂电池能源,全碳纤维复合材料结构机体。

笔者作为一名普通的私照飞行员,与锐翔首席试飞员陈占伟一起驾驶锐翔电动飞机进行了体验飞行,体验到了驾驶电动飞机的感觉。

一、初步印象

锐翔电动飞机为悬臂式上单翼,倒T尾翼,前三点起落架。锐翔有着14.5米的翼展和近18的展弦比,达到了动力滑翔机的水平,相应的最大滑翔比达到了1∶22。作为一架电动飞机,在电池续航能力有限的情况下,提高滑翔比是节省电力的好方法。也就是说,同样一架飞机,既能作为动力飞行使用,也能乘着热气流体验滑翔。其电池舱位于座椅后面,共可以容纳4组电池,共70公斤,目前采用的电池组的最大容量为8.8千瓦时。一名地勤人员用了十几分钟就安装好了四组电池,展现了电动飞机快速安全更换能源的优势。

锐翔电动飞机的座舱宽度达1.2米,已经超过了轻型运动类飞机的平均座舱宽度,大面积的前挡风玻璃几乎延伸到头顶,加上低平的仪表板,因此感觉座舱更加宽敞,前方视野非常好。飞机的座椅设计是运动飞机流行的半躺式,既可以降低整个机舱高度又可以减小阻力,飞行员在长途飞行中更加舒适,脚蹬可以小范围上下调整,能够满足不同身高的飞行员。

仪表板跟流行的轻型运动飞机布局类似,居中是一块大尺寸多功能综合显示液晶屏(MFD),左侧分别是空速表、高度表和垂直速度表3个传统指针仪表,右侧是1个小尺寸的电池系统显示屏,最左侧下方是多功能综合显示屏,中间的大型MFD色彩鲜艳,各信息单元可以自行排布。

二、起飞和爬升

电动飞机只需打开电气总开关,轻轻一按启动开关,电机就顺利地启动了,螺旋桨转了起来,松开驻留刹车,轻带一点油门,飞机缓缓滑出停机位。从坐上飞机到开始滑行,总共只需两三分钟,方便程度跟开车差不多。推满油门,电机的最大扭矩瞬间爆发,飞机轻快地冲向跑道,大约15秒后飞机就离地了。离地后我采用标准的75%持续输出功率开始爬升。此时的空速为每小时90公里,爬升速度每秒2.5米。

三、巡航和失速

我们在800米高度改为平飞,锐翔稳稳地保持平飞,脱杆表现良好,稍拉起机头脱杆松手后,经过六七次波动,飞机就自动恢复了平飞状态。由于锐翔电动飞机的翼展大,在操纵上有着滑翔机的特点,副翼滚转反应速度较慢,压杆所需力度较大,转弯时需要一直保持杆舵协调操作,不然容易出现侧滑。

接下来,我把电机功率下降到12千瓦时,空速表稳定在了每小时105公里。MFD显示,按照此时的能耗我们还可以继续飞行40分钟。在正常使用状态下,8.8千瓦时的电池组的续航时间还会更长一些,4组电池需要两个半小时充满,因此作为飞行培训用机,只需要2组电池就可以实现不间断本场飞行。

MFD显示电量剩余20%了,于是我们朝机场飞去。我把油门收到最小,将空速保持在每小时100公里(锐翔电动飞机的最佳滑翔速度为每小时96公里),下降率稳定在每秒1米,此时的滑翔比为1∶17,也就是说,飞机每下降100米,可以前行1700米。在我们当时的高度,即使电机失效,无动力滑翔返回机场也毫无问题,这样的大滑翔比设计既提高了巡航经济性,又延长了紧急情况下的反应时间和提高了安全性。大滑翔比的另一个特点就是着陆航线相对平直,平飘阶段容易过长,但锐翔电动飞机安装有滑翔机常用的扰流片,可以有效提高下降率。早早对准跑道中心线,稍带扰流片,锐翔稳稳落地,全复合材料的主起落架吸收了大部分的着陆冲击能量,飞机没有出现弹跳,正常刹车后,大约200米内飞机就可以停下了。我们滑到停机坪上,地勤人员在短短10分钟内就更换了电池组,又可以起飞了。这样短的地面停留时间,作为训练用机,这款飞机能够保持很高的出勤率。

四、总体感受

这次试飞虽然短暂,但已经足够让我深深感受到了电动小飞机独特的魅力,它操作简单、动力系统简单可靠,地面维护相对简单,与传统内燃活塞航发机型相比,电动小飞机更容易使用。对于航校而言,则意味着更高的出勤率和更低的使用成本。锐翔电动飞机的滑翔性能可以提高任何飞行员的飞行技术,发挥“一机两用”的效能,带来更多的飞行乐趣。希望未来电动小飞机的研究制造者可以给通航业不断带来惊喜。(苟昕)

责任编辑:马欢
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