制造商的新能源转型

董帼熊

近年来，为了有效应对航空业面临的环境挑战，降低碳排放与噪声，无论是飞机制造商还是发动机制造商都在积极布局未来。这其中既有ATR、巴航工业这样的支线飞机制造商，也有空客、波音这样的干线飞机制造商，除此之外，普惠、罗罗等动力系统供应商也积极参与其中。可以说，飞机制造商正与动力系统供应商等一起，加速推进一场新能源转型的革命。

通用电动飞机加速投入商运

相对干线飞机和支线飞机，通用飞机有结构简单、适航认证过程相对简单的优点，因此也成为了飞机制造商和发动机制造商新能源转型发展的前沿阵地。一方面，在通用飞机平台上进行验证可以快速投入商业运营、降低成本，另一方面也可以作为关键技术的验证平台，为后续在更大型飞机平台上使用积累经验。

从全球范围来看，目前已有一些通用飞机制造商完成了初步的探索，相应产品获得了适航证，并已计划投入商业运营。如加拿大海港航空公司与MagniX公司合作完成了全球首架商用飞机改装电动飞机。这架飞机由一个功率为560千瓦的电机替换原有活塞发动机。目前，这款飞机正在开展补充取证（STC）工作，计划于2022年投入短途商业运营。在完成了新能源转型之后，全新经过改装的采用电推进系统的飞机能够有效降低能源消耗与维护成本。据估计，采用全新动力装置的飞机在5年内的运营成本较传统飞机可降低70%～80%。

作为技术验证平台典型代表的还有NASA的X-57验证机与罗罗公司的“创新精神”验证机。X-57项目是NASA在2015年提出的，旨在研究分布式电推进布局及相关技术。目前，该项目已经完成了基线飞机推进系统电动化试飞研究，正在开展分布式电推进改装。2019年11月，NASA展示了首款X-57电动原型机，预计其巡航状态能量效率较基线飞机提高4倍以上。未来如果这款飞机获得技术突破并投入市场，或将改变全球民用飞机市场格局。

“创新精神”验证机是罗罗在英国政府资助下开展的“加速飞行电气化”平台，采用全电推进系统和固定翼构型，设计功率400千瓦、速度480千米/小时。2021年，“创新精神”验证机完成首飞，并打破了全电动飞机最快飞行速度。

涡扇支线飞机的演示验证

纵观全球，正在推进中的小型支线飞机的新能源转型项目有很多，有一些是计划采用混合电推进系统，也有一些则计划“一步到位”，采用氢能等清洁能源，但总体来看，所有项目基本都处于演示验证阶段。

联合技术公司正在开展的支线飞机混合电推进计划是基于庞巴迪冲-8支线飞机进行的，使用了2兆瓦级混合电推进系统替换一侧的PW121涡桨发动机，根据计划，这一项目将在2022年首飞。发动机制造商罗罗公司开展了一个2.5兆瓦级混合电推进系统的研发工作，是当前航空领域容量最大的混合动力系统，目前已进入地面试验阶段。

老牌的涡桨支线飞机制造商ATR公司计划在ATR42和ATR72飞机上进行新能源转型计划。在2021年11月的迪拜航展上，ATR公司与加普惠公司签署了一项针对ATR42和ATR72-600飞机的升级计划。该计划将在这两款机型中采用加普惠公司最新的PW127XT新型发动机取代之前传统的涡桨发动机。

加普惠公司的PW127XT新型发动机已实现了50%的可持续航空燃料（SAF）的支持，并计划在2022年第二季度之前实现100%采用SAF。加普惠的PW127XT发动机是公司“下一代支线客机涡扇发动机（NGRT）”项目下研发的一款全新产品。这款产品通过提高压气机、涡轮机的功率和效率，挖掘传统动力形式涡桨发动机的效率极限。相比上一代PW127发动机，这款新发动机提高了40%左右的在翼时间、降低了20%的维护成本、提高了3%的燃油效率，并将发动机大修时间间隔延长至2万小时，每10年仅需要安排两次发动机例行检修。根据计划，全新的PW127XT发动机将在2022年第四季度之后装配所有ATR公司新生产的ATR42和ATR72-600飞机。

巴航工业的提前布局

2021年11月8日，巴航工业在创新大会上正式向业界发布了一款名为Energia的新能源飞机，引发业界关注。Energia系列包括4款飞机，其中两款9座级小型商务机（E9-HE和E9-FE）、一款19座级小型客机（E19-H2FC）和一款35～50座級小型客机（E50-H2GT）。4款飞机采用的动力形式虽各不相同，但都以电能或氢能作为主要或辅助动力来源，来实现减少碳排放的目标。

Energia系列的4款飞机在总体和气动布局上具有很高的相似性，例如都采用常规气动布局、T形尾翼和置于机身后部的螺旋桨发动机，但采用了4种不同的动力系统方案。截至当前，巴航工业已公布Energia系列四款飞机的外形概念图和主要目标性能，但仍未披露具体的外形设计尺寸。

根据巴航工业公布的计划，未来最先投入运营的是9座级小型商务机E9-HE，又名“混动号”（Hybrid），该机设计航程为500英里（约926公里），计划于2030年前投入运营。E9-HE采用混合电推进系统，一对置于机身侧后方的螺旋桨发动机可同时利用航空燃油和电池产生推力。电池在飞机起飞和爬升阶段供电，使发动机获得额外推力，在飞机巡航状态停止供电。电池的辅助功率可保证发动机在整个飞行过程中保持最佳工作状态，从而提高燃油利用率、减少碳排放。E9-HE飞机的发动机可支持100%的可持续航空燃料（SAF），以进一步减少碳排放。

据巴航工业官方公布数据，当E9-HE飞机采用100%的SAF或JetA1航空燃料时，相比于传统纯动力方案，能够分别减少90%或60%的二氧化碳排放;后置螺旋桨发动机将比传统机翼下方吊挂方案减少60%外部噪声。根据目前的测试结果，发动机的电机部分仅靠风冷就可以保持理想工作状态，无须额外增加电机热管理系统。考虑到在电机辅助下，燃油发动机的峰值功率大幅降低，发动机的热管理复杂度也可有效降低，从而提升飞机飞行性能和稳定性。

9座级小型商务机E9-FE，又名“电动号”（Electric），设计航程为200英里（约370公里），计划于2035年前投入运营。E9-FE采用纯电推进系统，配备单台电机，置于T形垂尾正上方，电机采用两组反向旋转的螺旋桨，电池位于机头处。巴航工业计划为E9-HE定制可拆卸电池组，以減少电池的更换时间、降低电池的使用和维护成本。E9-HE的典型特征是接近滑翔机的大展弦比，该机具有“专为滑翔而设计（glider-inspired）的机翼”，从而可尽可能地提升飞机的气动性能，弥补电推进系统在能量密度方面的不足。据巴航工业官方公布数据， E9-FE飞机能够实现整个飞行过程零排放，后置电机能够减少80%的外部噪声，是Energia系列中减噪效果最好的飞机，更适合靠近市中心的机场使用。

19座级小型客运飞机E19-H2FC，又名“氢燃料电池号”（H2 Fuel Cell），设计航程为200英里（约370公里），与E9-FE同样计划于2035年前投入运营。E19-H2FC飞机采用氢燃料电池电推进系统，采用一对置于机身侧后方的电机，机身内安装有储氢罐和能量转换装置，为电机提供电能。该机航程可以根据客户需求进行增程，但目前巴航工业未公开披露实现增程的具体技术细节。据巴航工业官方公布数据，E19-H2FC飞机能够实现整个飞行过程零排放，后置电机能够减少70%的外部噪声。

计划最晚投入运营的是35～50座级小型客机E50-H2GT，又名“氢涡轮号”（H2 Gas Turbine），该机设计航程为350～500英里（约648～926公里），计划于2040年前投入运营。E50-H2GT采用一对置于机身侧后方的涡轮螺旋桨发动机提供动力，该机最具特色的是，能够同时支持以液氢或航空燃油作为燃料。当执行短距离任务时，E50-H2GT飞机将采用100%液氢作为燃料，设计航程为350英里（约648公里）;当执行远距离任务时，则可换为100%SAF作为燃料，设计航程为500英里（约926公里）。

中国企业的探索

在国内，一些通航企业和科研院所对电动飞机的研发并不晚，并且以亿航为代表的企业已经取得了一些阶段性成果。除此之外，高校和科研院所在电动飞行领域的积极性也颇高。

以亿航为例，其生产的垂直起降产品（eVTOL）不仅在2020年获得了中国民航局型号适航审定的受理，同时还获得了美国、挪威、加拿大等多个国家适航当局的特许飞行许可。

2021年，亿航发布了一款名为VT-30的eVTOL，这款双座飞机为混合动力结构，并采用了复合材料的机翼，设计航程达到300公里，设计续航时间100分钟。VT-30尾部设有组合升降方向舵面，两侧分布有8个螺旋桨和一对固定的机翼，尾部设有推进螺旋桨，采用三余度电传操纵系统。根据亿航公司的规划，这款产品将与公司现有的EH216产品相互补充，并进一步针对城际间空中交通运输使用，从而进一步打造城市空中交通生态系统。

此外，在电动飞机的研发方面，作为国内唯一一所系统开展新能源电动飞机研制的科研机构——辽宁通航研究院充分发挥沈阳航空航天大学航空特色教育科研资源优势，积极探索推动新能源航空设计、制造、试验、适航、运营和人才培养的全产业链发展，使我国小型、轻型新能源飞机产业化水平处于全球领跑地位。该研究院研发的锐翔RX1E是国内首个具有自主知识产权并率先完成适航取证并进入市场的电动轻型运动飞机。目前已广泛用于飞行员培训、观光旅游飞行、高精度航拍航测等用途，相关产品已率先完成适航取证并进入市场，获得148架订单，已经交付14架，累计运行3430小时。在此基础上，辽宁通航研究院正在全力推进电动飞机谱系化发展，加快形成从双座到四座、陆上到水上、固定翼到旋转翼的新能源通用航空飞机发展格局。

此外，国家层面也高度重视新能源飞机的发展，工信部正着手制定“绿色能源航空器发展路线图”，针对电动、混合动力、氢能源和生物燃料等不同能源模式开展研究，形成绿色能源航空器发展路线图。与此同时，我国电动飞机标准规范和适航规章也在制定中。作为我国商用飞机项目研制主体的中国商飞公司近年来也十分关注绿色飞行技术。2021年，中国商飞公司下属的北京民用飞机研发中心公布了一款采用复合材料机翼的i-eVTOL垂直起降飞机。但客观来说，在这一领域我国无论是在原始技术积累、产业链提前布局和专业人才培养方面都还存在短板，面对转型升级，还需要产业链上下游企业认真思考和提前谋篇布局。