掀起航空电动化热潮的背后

“电动飞机”的概念无疑是反直觉的。沉重的电池系统如何能用在对每1g重量都斤斤计较的民航飞机上呢？电动车尚且有“续航焦虑”，飞机会不会中途没电呢？如何保证安全呢？然而，虽然面对着种种难题和挑战，“电动飞机”已经成为了今年最热门的航空技术之一：

NASA推出的其20年来开发的第一架有人驾驶实验飞机X-57，就是全电动飞机，将在今年试飞。

图片出自 NASA

空客数年前就推出了电动飞机E-fan。而波音新任CTO今年1月赴日访问，与日本政府合作协议中的第一条就是在电动飞机方面的合作。

出自日本政府2019年1月披露协议材料

UBER在近年也推出了以电动飞机为核心的出行方案。

图片出自UBER资料

从研究机构、通航制造商再到主要航空制造商，均开始加大投入就明显的得到一个信号：航空电动化不仅仅停留在噱头阶段和“城市空中出租车”的层次。电动化正在作为旋翼机、通航固定翼飞机乃至百座以上的民航客机一个现实的技术方案。那么，是什么推动了航空电动化呢？

“产业政策”和“经济利益”双重驱动

国际碳排放的标准已经越来越严格。汽车行业因为CAFE法案(Corporate AverageFuelEconomy)的存在已经深刻的影响甚至重塑了产业。而据统计，2017年，民用航空总体排放了约8.59亿吨二氧化碳，约占人类碳排放量的2％。但整个航空运输虽然占比不高，却是以6%前后的速率持续增长得产业，影响不容小视。十年前，航空业界的领导人们签署了“气候变化行动承诺”，其中包括3个雄心勃勃的目标：

1.2009~2020，燃油效率每年提高1.5％

2.2020年是二氧化碳净排放上限

3.相对于2005，到2050年碳排放量减少了50％

气候变化行动三点承诺

图片来自 2013年10月 38届ICAO 集会材料

这些目标是具有挑战的，为实现这些目标：

1.现有技术的改进：机翼加装翼稍小翼, 使用“生物燃油”等可替代燃料；

2.飞机运营优化：包括现代化的空中交通管理系统，更轻的机载设备；

3.基础设施改进：例如使用廊桥供电系统；

航空运营的主要节油举措

图片来自ATAG资料

上图列举了航空提高燃油经济性的种种举措。很多与作为航空旅客也会亲身感觉到，例如，更薄的座椅和翼稍小翼等等。“气候变化行动承诺”其实是一个重要原因。

除了政策性的举措，国际民航组织（ICAO）还组织航空公司采取“市场措施”来填补的排放差距，被称为”国际航空碳抵消和减少计划“(CORSIA)。航空公司们承诺：

1.新一代飞机的燃油效率平均比它取代的飞机高出20％，在未来十年内，航空公司将投资1.3万亿购买新的飞机。最近发生的737MAX事故，起因也是与老机型要追求更好的燃油经济性而换装更省油的大直径发动机有直接关系的。

2.2009年至2016年，航空公司继续提高其燃油效率。2016年，整个行业服务的燃油效率（以每100RTK升为单位）为每100RTK35.28升，比2009年提高10.2％。

航空公司有减少排放量的强烈动力：一家航空公司削减的每吨CO2排放将降低225美元燃油成本。燃油费用作为单项费用，是高于飞机折旧、机组工资或维修费用的。特别是近年来不断涌现的低成本航空公司，燃油费用更是一项最主要的飞行运营成本。

航空公司主要飞行运营成本(FOC)构成

图片来自麦肯锡

可以看到2020年以后，现有技术的延长线上与政策目标的差距（上图的蓝色部分）会越来越大。产业需要革命性的方案。

“电动”成为重要方案

NASA描绘未来技术方向

图片来自NASA

电动和混动飞行实验计划

图片来自NASA

电动或混动飞机就是其中最热门的技术方案。历史和现状又如何呢？

第一架有记录的载人电动飞机：MB-1E

图片来自HB-Flugtechnik GmbH

2000年以前的载人电动飞机

图片由航空产业网整理

MB-1E是奥地利的一名23岁的年轻人和他的同学利用动力滑翔机改装的，装载四块瓦尔塔电池(汽车蓄电池的VARTA)，起飞重量440Kg，而动力是一台从叉车上取下来的博世直流电机，持续飞行时间在10分钟左右。这样有爱好者玩票性质的机型因为诞生在世界石油危机期间，引起了公众极大的兴趣因而成为第一架有记录电动飞机被载入史册。而在2000年以前，电动飞机并未成为一个持续的热点。

2000年至今的载人电动飞机

图片由航空产业网整理

我国首架自主知识产权电动飞机—辽宁锐翔RX1E双座电动轻型飞机，飞行时间40~60分钟

（图片来自互联网）

Ehang184：由广州的亿航智能技术有限公司独立自主研发制造

（图片来自互联网）

2000年以后电动飞机逐渐成为一个方向，飞机性能有了突飞猛进的进展。我国辽宁通用航空设计院研制的国产电动飞机RX1E还在2015年获得了民航总局的PC证。

但从上图可知，这些数百千瓦和数百公里的机型仍然与民航应用相距甚远。

关键技术突破的前夜

电动飞机实用化的路线图

图片出自NASA

由上图可知，现在是围绕电动化进行关键技术开发的高峰期。现在的电动飞机，4人数百千瓦的动力到成为类似737NG/A320等机型的150座级别飞机的动力源，需要10MW功率级别的电机，以技术线性发展是难以想象。需要太多的技术需要突破和解决:

1.适用于飞行的电池、电机与电控系统

2.新飞行控制系统

3.安全性问题

4.新气动布局

5.新适航法规的制定....

这是天方夜谭吗？很多人认为不是。

系统突破的关键其实不在航空之内，而是一项基础科技-“超导技术”。2010年后，“超导技术”多个团队已经出现了多次突破，很多人相信技术革命的”奇点“已经接近了。例如，近期已经和波音展开合作的九州大学已经开发出一种能够横截面积为1平方毫米见方通过600安培电流的材料。其中，电流流动的部分甚至更小，电流流向厚度仅为2微米至3微米的带状超导材料。如此通过大电流，线圈可以在不使用铁芯的情况下产生大的磁场。通过消除抽出电动机的大功率所需的铁芯，可以极大减轻电动机的重量。这样即便算上冷却系统的重量（目前已经提升到液氮的温度），仍然可以比现有电动系统轻至少一个数量级。而且在成本上远低于现有喷气式发动机。

当然，因超导技术取得革命的将不仅是飞机电动化一个领域。一项关键技术的突破让周边其他技术都不再是核心问题。包括我国在内的多个研发团队在向着超导技术的工程应用”冲锋“，用于工程设计的数据获取能力和计算评估的能力也前所未有。

所以，让我们期待在10年后的2030年，能见到一架百座级的电动客机。