未来已至，电动航空开启飞行“新体验”

有一天，我们也许可以乘坐电池供电的“零排放”环保飞机飞往世界各地，乘坐“零排放”环保“空中出租车”进行通勤和短途旅行将不再是梦想。

3月27日，美国国家航空航天局发布了全电动飞机“X-57麦克斯韦”的最终配置概念图，这是高度期待的。不久前，美国能源部的高级能源研究计划也宣布拨款5500万美元，开展“协调冷却集成驱动电机(ASCEND)”和“低碳高效航空电子混合动力系统(REEACH)”两大研发项目，旨在促进窄体商用客机的低成本高性能航空电子发动机技术和碳中性航空燃料高效燃烧的动力系统研究。

被称为新“飞行革命”的电子航空时代已经到来。据专家介绍，电动航空因其诸多优势和特点，已成为世界航空领域的热点。当整个世界还处于起步阶段时，中国应该努力占据电动航空技术的制高点。

“下一代飞机的方向”

自从现代航空工业开始以来，飞机已经经历了100多年的发展，为人们的生活和旅行提供了极大的便利，给社会和经济带来了巨大的利益，成为现代社会不可或缺的运输方式和经济组成部分。但与此同时，它也带来了令人不安的环境和污染问题。

例如，噪音污染不仅使机场和航空公司附近的居民痛苦不堪，而且使客舱中的乘客体验不佳。航空煤油燃烧排放的大量二氧化碳、氮氧化物和其他温室气体将加剧温室效应，从而影响全球变化。此外，飞机燃料消耗越来越多的能源，“尾气”的排放也会导致大量污染物的积累，造成空气污染，影响人们的健康。

根据航空业的统计和预测，世界航空运输旅客周转量的年增长率为4.4%~4.7%，仍处于较快的增长区间。在未来20年，平均增长率将每15年翻一番。如果不采取减排措施，预计到2050年，航空业将占全球温室气体排放量的10%，并成为全球气候变化的“罪魁祸首”。

国际航空运输协会(International Air Transport Association)呼吁采取全球解决方案来减少航空业的排放，并提出航空业的环境目标是到2050年将碳排放量从2005年净减少50%。

“零排放”电动飞机的出现为绿色航空的根本实现和减排目标的实现开辟了一条“有希望”的道路。

电动飞机是使用电动机驱动螺旋桨、管道风扇或其他装置产生向前动力的飞机北京航空航天大学航空科学与工程学院的黄军教授告诉《中国科学日报》。

与燃料发动机相比，电动机在环保方面有许多优点。

航空动力系统航空科技重点实验室主任、航空工业机载公司高级专家李凯生指出，电动航空的核心和重点是“三电”，即电机、电控和电池(电源)。由它们组成的电力推进系统可以使飞机排放接近零排放和零污染，减少碳排放税的缴纳，从而降低成本。此外，电动航空产生的噪音相对较小，电机的工作效率远远高于燃油发动机。

“这是我们下一代飞机的发展方向。引领电动航空关键核心技术，尤其是发动机技术(电力推进技术)的人，可能会引领世界。”李说。

目前，*、科研院所和高校企业都在加快关键技术的研发，试图占领技术高地。专家表示，美国能源部支持的项目只是试图解决电动机“大功率、小重量、冷热协调”和动力能源系统这两个核心问题。

“未来，在坚持碳排放标准的情况下，传统的超排放飞机可能会遭遇飞行限制，甚至被淘汰。第一个开发商用电动飞机的人将有第一次机会。因此，我们需要尽快进行战略布局。”黄军说道。

有待突破的核心技术

“在过去的十年里，由于技术的发展，航空工业发生了巨大的变化，目前在各种技术和原理方面都在发生着迅速的变化。”清华大学航空航天研究所的陈海鑫教授告诉《中国科学》。

从传统航空到电动航空，经历了一个类似于电动汽车的发展过程，从传统的燃油飞机到混合动力飞机，再到未来的电动飞机。

对于电动飞机，专家们一致认为，电动推进系统是电动飞机技术发展的核心，电动飞机的性能和使用主要取决于其电动推进系统。

电池是电力推进系统的关键部件之一。目前，锂离子电池、氢燃料电池、太阳能电池、超导电容器等。引起了很多关注。

陈海鑫表示，电池技术需要考虑能量密度、安全性、充电速度、环保等因素。尽管电池技术近年来取得了很大进步，但它仍然无法兼顾安全性和耐久性。“飞机的重量实际上就是阻力。飞机的设计注重为每克重量而战。如果电池很重或者不能储存太多的电，这对飞机来说就没什么意义了。我们还有很长的路要走。”

实际上，飞机燃料的能量密度约为12，700千瓦小时/千克，而目前电池的最大能量密度只能达到500瓦小时/千克。二者相距甚远，高能量密度、长寿命的电池技术亟待突破。

“然而，传统燃料发动机的效率相对较低。当电池的能量密度增加到一定程度时，它有可能在未来取代传统的发动机。然而，目前仍难以用电力系统直接驱动大型飞机李开生说，混合动力推进技术可以作为一个过渡计划。

混合技术结合了传统的燃气轮机和电动发动机。黄军认为，电动飞机的推进系统具有相对比例独立的特点，即如果将一台100千瓦的电机和控制器分解为100台1千瓦或10台10千瓦的电机，总功率重量比和总效率将基本保持不变。应用这一特性可以有效地提高气动效率，减小机翼面积和结构重量。例如，美国国家航空航天局的X-57电动飞机在其机翼前缘装有12个高升力发动机，以提供推进力。

电动汽车的快速发展为电动航空的技术革命奠定了坚实的基础。李开生认为，下一代电力航空核心技术还应重点发展综合电力电子控制技术，其中碳化硅高温电力电子技术是实现电力系统高功率密度变换器的关键。此外，还有电动飞机的整体设计技术，“正如人体的健康需要所有部件的健康一样，只有飞机的整体协调设计才能生产出性能优异和客户满意的飞机。”

随着全球竞争的进行

在陈海鑫看来，电动垂直起降机、支线飞机的电动应用和纯电动飞机的实际应用将成为未来电动飞机关注的领域。他指出，在电动飞机的整个周期中，还应注意提高效率和节能减排。

目前，四架或更少的小型电动飞机已经成功测试，一些已经获得适航证。例如，我国自主研发的RX1E瑞祥双座电动轻型飞机和RX4E四座电动飞机均首次成功飞行，前者已应用于飞行员教练机。法国空中客车集团的全电动电风扇演示器将很快被用作教练机等。

在可预见的未来，小型电动飞机将广泛应用于短途交通、观光、航空测绘、“空中出租车”等领域，为乘客提供更安静、更高效、更便捷的飞行体验。

然而，更多座位更大的客机仍然停留在概念图和设计图上。专家认为，要实现一架拥有150个座位的大型商用电动飞机，至少需要20年的时间。目前，各国*和企业纷纷涌入，加强R&D的努力。据不完全统计，截至2019年6月，全球约有170个电力推进飞机项目正在研究中，主要集中在北美和欧洲。

专家呼吁迅速崛起并正在全面发展的中国电动航空业加大支持力度，提高竞争力。

陈海鑫认为，不妨让企业先动起来，“百花齐放”，让市场需求带动技术发展，国家起主导作用。

李凯生说现在是弯道超车的好时机。在科研院所、民营企业和国有企业充分发挥各自优势的同时，国家可以成立一个电力航空国家团队，加强研究力度，这不仅会促进整个产业的发展，也会促进超导等产业的大发展。更重要的是，需要分阶段、分批次地制定和实施电动航空技术的发展战略和路线图，以取得有针对性的成果。

"国家应该像支持电动汽车一样支持电动航空的发展."黄军表示，中国电动飞机型号的发展与国际同步，为未来的发展奠定了良好的基础。“这是一件全新的事情。它需要重建理论和技术体系。为了提高整体效率，需要多学科设计来寻找耦合效应。任何单方面的突破都是不够的。”