美國(guó)航空航天局（NASA）于阿姆斯特朗飛行研究中心啟動(dòng)了X-57麥克斯韋電動(dòng)驗(yàn)證機(jī)高壓地面試驗(yàn)，標(biāo)志著X-57演示驗(yàn)證項(xiàng)目從部件設(shè)計(jì)和原型制造階段過(guò)渡到整機(jī)試驗(yàn)階段，即將迎來(lái)首飛。X-57是NASA首型電動(dòng)飛機(jī)驗(yàn)證機(jī)，代表美國(guó)政府對(duì)這一新技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)注。

電動(dòng)飛機(jī)發(fā)展背景

運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)是全球碳排放的重要源頭。近年來(lái)，全球航空運(yùn)輸量以年均近5%的速度持續(xù)增長(zhǎng)，碳排放量持續(xù)攀升，綠色航空成為國(guó)際航空業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)，獲國(guó)際民航組織、國(guó)際航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)等組織與各航空強(qiáng)國(guó)的廣泛關(guān)注，成為產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)和技術(shù)發(fā)展的前沿領(lǐng)域。

電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)綠色航空的關(guān)鍵技術(shù)途徑。相比于燃油、液壓等傳統(tǒng)能源形式，電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)顯著提高能源利用效率、改善維護(hù)性能、降低噪聲和排放，有望實(shí)現(xiàn)節(jié)能60%、減排90%、降噪65%的技術(shù)突破，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)技術(shù)改進(jìn)帶來(lái)的收益。美國(guó)、英國(guó)、歐盟等國(guó)家和地區(qū)通過(guò)設(shè)立專(zhuān)項(xiàng)基金、研究計(jì)劃等形式大力推動(dòng)電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)發(fā)展；空客、波音、達(dá)索、通用電氣、羅·羅、賽峰、聯(lián)合技術(shù)等7家航空制造巨頭發(fā)布聯(lián)合聲明將電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)列為航空業(yè)發(fā)展“第三時(shí)代”的標(biāo)志，將加大相關(guān)研發(fā)力度；商業(yè)資本廣泛投入該領(lǐng)域，催生了大批初創(chuàng)企業(yè)，涌現(xiàn)了超過(guò)200項(xiàng)電動(dòng)飛機(jī)項(xiàng)目。

電動(dòng)飛機(jī)發(fā)展獲美歐各國(guó)大力投入

美國(guó)多層面推動(dòng)電動(dòng)飛機(jī)發(fā)展，強(qiáng)化航空領(lǐng)先地位。

美國(guó)政府于2007年12月出臺(tái)了《航空研究與發(fā)展國(guó)家規(guī)劃》，提出了降低航空系統(tǒng)對(duì)環(huán)境影響、實(shí)現(xiàn)綠色航空的戰(zhàn)略目標(biāo)。2019年美國(guó)白宮通過(guò)備忘錄，指出優(yōu)先考慮電動(dòng)垂直起降飛行器的研發(fā)、適航與標(biāo)準(zhǔn)制定。

NASA規(guī)劃發(fā)展路線，建設(shè)試驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)施，開(kāi)展關(guān)鍵技術(shù)演示驗(yàn)證。于2015年率先提出了電動(dòng)飛機(jī)發(fā)展路線圖，啟動(dòng)包括小型垂直起降飛行器、通用飛機(jī)、大型干支線飛機(jī)在內(nèi)的3條技術(shù)路線研究。2016年啟動(dòng)了X-57麥克斯韋分布式電推進(jìn)驗(yàn)證機(jī)計(jì)劃，目前已進(jìn)入第二階段試驗(yàn)（共四階段）。針對(duì)城市空運(yùn)啟動(dòng)的先進(jìn)空運(yùn)國(guó)家行動(dòng)項(xiàng)目進(jìn)入發(fā)展測(cè)試階段，支撐新興領(lǐng)域的需求分析與場(chǎng)景設(shè)計(jì)。

美國(guó)能源部資助關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。2019年底啟動(dòng)了電動(dòng)飛機(jī)領(lǐng)域動(dòng)力系統(tǒng)研究計(jì)劃，面向單通道客機(jī)需求，資助電推進(jìn)系統(tǒng)關(guān)鍵部件和技術(shù)研究。

美國(guó)軍方預(yù)研關(guān)鍵技術(shù)，提供試驗(yàn)資源。一方面通過(guò)多項(xiàng)預(yù)研計(jì)劃布局發(fā)電、配電等關(guān)鍵技術(shù)先期研發(fā)；另一方面為企業(yè)提供空域、試驗(yàn)室等資源。2020年初公開(kāi)了分布式混合電推進(jìn)運(yùn)輸機(jī)概念模型；2020年2月啟動(dòng)了敏捷至上演示驗(yàn)證項(xiàng)目，將政府資源和商業(yè)資本、技術(shù)高效融合。

美國(guó)聯(lián)邦航空局探索電動(dòng)飛機(jī)適航流程。開(kāi)發(fā)了電動(dòng)飛機(jī)運(yùn)行概念，調(diào)整23部等法規(guī)，并與企業(yè)合作研究認(rèn)證基礎(chǔ)，計(jì)劃2023年首次完成電動(dòng)垂直起降飛行器適航認(rèn)證。

英國(guó)設(shè)立專(zhuān)項(xiàng)基金，以電動(dòng)飛機(jī)為經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇重要抓手。

電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)是當(dāng)前英國(guó)制造業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)方向，英國(guó)首相鮑里斯表示將發(fā)展電動(dòng)飛機(jī)作為英國(guó)經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇和維持航空業(yè)全球領(lǐng)先地位的重要舉措，提出將在全球范圍內(nèi)率先完成零排放遠(yuǎn)程客機(jī)研制。

英國(guó)商業(yè)-能源與工業(yè)戰(zhàn)略部、航空航天技術(shù)研究所于2020年7月設(shè)立了4億英鎊的專(zhuān)項(xiàng)基金推動(dòng)綠色航空發(fā)展，其中由航空航天技術(shù)研究所主導(dǎo)的FlyZero電動(dòng)飛機(jī)計(jì)劃是重點(diǎn)研究領(lǐng)域，對(duì)電動(dòng)飛機(jī)研發(fā)提供了廣泛的資助，涉及電推進(jìn)系統(tǒng)、平臺(tái)集成、基礎(chǔ)設(shè)施等多個(gè)領(lǐng)域。

歐盟持續(xù)投資電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)，支撐綠色航空發(fā)展戰(zhàn)略。

2008年至今，歐盟提出了“潔凈天空”“地平線2020”系列聯(lián)合技術(shù)創(chuàng)新計(jì)劃，開(kāi)展了包括混合電推進(jìn)架構(gòu)、先進(jìn)發(fā)電技術(shù)、電力電子技術(shù)等在內(nèi)的大量電動(dòng)飛機(jī)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。

歐盟主要國(guó)家（德國(guó)、法國(guó)、荷蘭等）航空研究機(jī)構(gòu)積極開(kāi)展合作，在氫動(dòng)力系統(tǒng)、分布式電推進(jìn)技術(shù)等領(lǐng)域開(kāi)展了豐富的工作。歐洲航空安全局建立健全適航法規(guī)，針對(duì)電推進(jìn)系統(tǒng)、電動(dòng)垂直起降飛行器等發(fā)布認(rèn)證框架、符合性方法征求意見(jiàn)稿。

電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

電動(dòng)飛機(jī)發(fā)展主要涉及3個(gè)領(lǐng)域，分別是電動(dòng)垂直起降飛行器、通用飛機(jī)、干/支線飛機(jī)。

一是城市空運(yùn)成為交通新范式，廣泛吸引全球資本。

電動(dòng)垂直起降飛行器的研制由市場(chǎng)主導(dǎo)，政府從適航認(rèn)證和空域管理層面介入。電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)催生了城市空運(yùn)這一全新交通范式，采用電動(dòng)垂直起降飛行器提供城市內(nèi)部或城際空中運(yùn)輸服務(wù)，成為目前民用航空領(lǐng)域最熱門(mén)的創(chuàng)新領(lǐng)域。面向1~4名乘客的城市內(nèi)部和城際空中交通場(chǎng)景，產(chǎn)品已進(jìn)入樣機(jī)飛行試驗(yàn)階段。

目前，空客、波音、貝爾等飛機(jī)制造商，羅羅、賽峰等發(fā)動(dòng)機(jī)制造商都已啟動(dòng)了城市空運(yùn)相關(guān)研發(fā)計(jì)劃。巨額商業(yè)資本也催生了大批初創(chuàng)企業(yè)，美國(guó)JOBY公司近期上市，融資高達(dá)16億美元。

各國(guó)政府探索相關(guān)適航流程，設(shè)計(jì)新型空運(yùn)體系的運(yùn)行架構(gòu)及空域管理，為2023年前后產(chǎn)品投入市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)提供條件。美國(guó)聯(lián)邦航空局提出了城市空運(yùn)運(yùn)行概念的初期版本，歐洲航空安全局發(fā)布了多份特殊條款和征求意見(jiàn)稿。

在民用領(lǐng)域之外，美國(guó)也積極推動(dòng)相關(guān)技術(shù)的軍事任務(wù)應(yīng)用。美國(guó)空軍與多家企業(yè)合作，提供試驗(yàn)資源，開(kāi)展電動(dòng)垂直起降飛行器的軍用場(chǎng)景試飛驗(yàn)證工作，推動(dòng)相關(guān)技術(shù)成熟與應(yīng)用。

二是通用電動(dòng)飛機(jī)快速投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)，并作為關(guān)鍵技術(shù)的驗(yàn)證平臺(tái)。

通用飛機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適航認(rèn)證快速等優(yōu)勢(shì)，成為電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)發(fā)展的前沿陣地，一方面快速投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)、降低成本，另一方面可作為關(guān)鍵技術(shù)的驗(yàn)證平臺(tái)。

在商業(yè)運(yùn)營(yíng)方面，電動(dòng)飛機(jī)能夠有效提高平臺(tái)維護(hù)性、降低運(yùn)營(yíng)成本。加拿大海港航空公司與MagniX公司合作完成了全球首架商用飛機(jī)改裝電動(dòng)飛機(jī)，采用功率560千瓦電機(jī)替換原有活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，正在開(kāi)展補(bǔ)充取證工作，計(jì)劃于2022年投入短途商業(yè)運(yùn)營(yíng)。采用電推進(jìn)系統(tǒng)能夠有效降低能源與維護(hù)成本，據(jù)估計(jì)采用電推進(jìn)系統(tǒng)5年內(nèi)生命周期成本較傳統(tǒng)動(dòng)力形式可降低70%~80％。

作為技術(shù)驗(yàn)證平臺(tái)的典型代表是NASA的X-57驗(yàn)證機(jī)與羅羅的創(chuàng)新精神驗(yàn)證機(jī)。X-57旨在研究分布式電推進(jìn)布局及相關(guān)技術(shù)，預(yù)計(jì)其巡航狀態(tài)能量效率較基線飛機(jī)可提高4倍以上。創(chuàng)新精神驗(yàn)證機(jī)是羅羅在英國(guó)政府資助下開(kāi)展的“加速飛行電氣化”平臺(tái)，采用全電推進(jìn)系統(tǒng)和固定翼構(gòu)型，設(shè)計(jì)功率400千瓦、速度480千米/時(shí)，目前已完成地面滑行試驗(yàn)。

三是干/支線飛機(jī)電氣化是綠色航空未來(lái)愿景，由國(guó)家級(jí)研究機(jī)構(gòu)和傳統(tǒng)航空制造商主導(dǎo)。

囿于儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率密度與能量密度，混合電推進(jìn)技術(shù)是支/干線飛機(jī)發(fā)展的重要方向，采用儲(chǔ)能裝置與電機(jī)的組合提供額外的推力，運(yùn)行模式靈活，能夠有效提高飛機(jī)能量使用效率；推進(jìn)系統(tǒng)布局靈活，可采用分布式布局、翼身融合等新型設(shè)計(jì)，為飛機(jī)構(gòu)型設(shè)計(jì)提供了廣闊的空間。由于技術(shù)難度大、研究周期長(zhǎng)，目前干/支線電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)主要由大型航空制造商及政府、軍方主導(dǎo)研究。

支線電動(dòng)飛機(jī)目前處于系統(tǒng)級(jí)演示驗(yàn)證階段。聯(lián)合技術(shù)公司開(kāi)展了支線飛機(jī)混合電推進(jìn)計(jì)劃，基于龐巴迪沖8支線飛機(jī)，使用2兆瓦級(jí)混合電推進(jìn)系統(tǒng)替換一側(cè)的PW121渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)，預(yù)計(jì)2022年首飛。羅羅公司開(kāi)展了2.5兆瓦級(jí)混合電推進(jìn)系統(tǒng)研究，采用3千伏高壓體制，是當(dāng)前航空領(lǐng)域容量最大的混合動(dòng)力系統(tǒng)，目前已進(jìn)入地面試驗(yàn)階段。

由于功率和能量需求大、平臺(tái)復(fù)雜，干線電動(dòng)飛機(jī)尚處于概念研究階段。NASA與通用電氣、波音等公司聯(lián)合提出了N3-X、STARC-ABL等多項(xiàng)概念方案，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室也提出了電推進(jìn)運(yùn)輸機(jī)概念方案，通過(guò)超導(dǎo)電機(jī)、邊界層吸入、分布式推進(jìn)等技術(shù)大幅提高效率。

近年來(lái)，電動(dòng)飛機(jī)成為航空業(yè)發(fā)展的焦點(diǎn)，能夠有效應(yīng)對(duì)航空業(yè)面臨的環(huán)境挑戰(zhàn)，降低碳排放與噪聲，一方面提高了航空運(yùn)輸業(yè)的效率；另一方面催生了城市空運(yùn)等新型航空運(yùn)輸業(yè)態(tài)的發(fā)展。