中國航空報訊：電動飛機技術是一項跨時代的高新技術，它和新能源電動汽車的發展軌跡一樣，已經成為世界航空工業發展的核心技術，它改變了傳統的飛機設計思想，從飛機綠色環保、高效節能、智能互聯的理念出發，來優化整個飛機的設計，極大地提高了飛機的可靠性、環保性、舒適性和可維護性。是未來飛機的發展方向。
隨著人們對環境保護、安全飛行、客戶舒適和節能高效等要求提出以及蓄電池技術的快速發展。人們逐漸對飛機一次能源系統進行革命，一是：對現有發動機提高效率、降低燃油消耗。產生了電力混合動力技術，使燃油消耗大為降低，效率大為提升。二是：對現有發動機進行徹底革命，用電力來推動飛機，產生了飛機的電力推進技術，即電動飛機技術。它已經在國內外成為技術發展的熱點，已經廣泛應用於世界的民用航空和軍用航空的飛機中。例如：波音787、空客A380、A350和F-35等飛機中。
多電、全電到電動飛機技術是一個逐步發展的過程，從多電到全電是飛機二次能源電能量逐漸增大的過程，到電力混合和電動飛機將是飛機的一次能源逐步用電能來實現的過程。而電動飛機技術發展的核心是電力推進技術。
電力推進飛機技術
電力推進技術的進步非常快，飛機燃油的能量密度大約為12.7千瓦時/千克，而目前電池能量密度最大能夠達到0.5千瓦時/千克，兩者相差很大。好在傳統燃油發動機效率和功重比比較低，所以，電池能量密度只要提高就有可能取代傳統的發動機。目前，要採用電力系統直接驅動大型飛機還有一定困難。所以，從傳統的發動機驅動到電力驅動在電池能量密度沒有達到所需要的能量密度前，有一個過渡方案——電力混合動力推進技術方案。
相關研究的資料顯示，即使是電力混合推進，一架單通道飛機所需的電池容量也相當可觀。美國NASA燃氣-電混合推進項目的技術負責人謝麗爾·褒曼表示：“驅動一架巡航狀態的大型飛機需要至少1千瓦時/千克的能量密度。”美國NASA和麻省理工學院聯合進行的電池研究結果顯示，在未來10到15年內會有不同的化學電池的組成可以達到1～1.5千瓦時/千克的能量密度水平。
傳統燃氣渦輪航空發動機的總體效率為35%～50%，但混合動力電推進系統通過結合兩個或更多功率轉換器有可能會進一步提高發動機的效率，同時電力推進系統可以降低發動機的噪聲。混合動力技術通過將燃氣渦輪與電力技術相結合，採用了能量密集的液態燃料的燃氣渦輪，來實現新型飛機發動機的無噪音、高效電力推進。
根據航空工業未來發展的推測，在2030年之後可能會出現新型混合動力分佈式推進的支線飛機。飛機的電力系統用電量需求將為10～20兆瓦，用電量比傳統飛機電力系統高出了一個數量級。而且飛機的高性能高功重比的電機、長壽命高可靠高能量密度電池、新型超導材料、網絡以及安靜的螺旋槳設計都是這一技術下的核心關鍵技術。
隨著電力電子技術和電池技術的進步，推動了電力推進技術的快速發展。特別是電動汽車技術的飛速發展，使得電動汽車的高功重比高性能電動機推進技術、電力電子集成系統技術、高能量密度長壽命電池技術和電動汽車整體系統設計技術已經成熟。這就為電動飛機技術的發展奠定了堅實的基礎。
最近歐洲和美國在電動飛機技術上投入了大研發力量，爭取在未來能夠取得實質性的突破。我們國家在電動飛機技術的發展上也在快速前進，特別是一些機制靈活的創新型企業，它們都在加大力度開展研發的投入，準備佔領這項新技術制高點。
相關的電動飛機研究表明：電力驅動飛機使得飛機的機動性和實用性更強、飛機電力系統的故障模式更為清晰，它降低了飛機系統的導線重量、提供了系統效率、減少了生命週期成本和飛機排放和噪音，使得飛機派遣率更為有效。
電動飛機的關鍵技術
電動飛機技術經歷了一個漫長的發展過程，其核心技術可以總結為如下四項：高效高功重比電機推進技術、高能量密度長壽命的電池技術、集成電力電子控制技術和電動飛機整體設計技術。
高效高功重比電機推進技術
電力推進技術具有明顯的優勢，即可以實現未來飛機的零排放目標又可以應對不斷上漲的燃油成本。它通過電能驅動飛機獲得推力、不再完全依賴燃油。因而減少或消除了常規推進系統所產生的汙染排放。
電力推進系統推進電機是電動飛機的關鍵，它的功重比直接決定電動飛機的性能，目前應用的電機主要有永磁電機和交流異步電機等，根據推進電機的種類、額定轉速和冷卻方式的不同電機的功重比也有很大的差別。目前我們知道在理想的電機轉速和冷卻方式的情況下，電機的最大功重比通常小於20千瓦/千克。在電動飛機中，要想繼續增加電機的功重比，就需要在推進電機的熱設計、磁性能設計、結構冷卻設計等方面要有技術創新，這樣才能提升推進電機功重比。通過研究發現，有許多種拓撲都能提升推進電機的效率和功重比，需要研究確定究竟哪種才是最佳推進電機拓撲。要想推進電機的功重比有數量級的提升，只有顛覆性的技術創新才可能實現。於是出現超導電機技術。它可以提供推進電機最大的功重比，當然，這項技術風險也是最大的。不過在超導電機技術的應用領域依然在繼續探索和研究中，並將在未來儘快應用於電動飛機的中，實現人們電動航空的夢想。
長壽命高能量密度的電池技術
電池的儲存能量的能量密度越來越大，特別是電動汽車技術的發展，使電池的儲能密度每年都有一個快速的提升。我們知道能量儲存有許多中形式，例如液態空氣、燃料電池、壓縮H2和液態H2、超級電容器和機械飛輪等。上述有些能源儲存方式雖然和電池的能量密度相當或者超過電池，但要應用於飛機上還必須依賴於發動機的功重比,也就是有些能源儲存方式應用於飛機上時，需要強大的隔離系統或熱管路系統，整體對飛機來說不佔優勢，因此，無法應用於飛機飛行。
目前在電動航空上面臨的最大挑戰是:電池和電動系統的儲存能量密度和動力系統的功重比要達到基於燃油的動力系統的水平，這樣才能使電動飛機真正走入人們的生活。同時，要注意燃油飛行器中燃油燃燒與空氣中大量的氧氣結合，從而使飛機的重量不斷減少，而在電動飛機中，飛機重量不會有減少，因此，需要在飛機設計中考慮上述因素。
電動飛機中電力推進系統的效率要比燃油發動機的效率高兩到三倍；電力推進系統功重比要比燃油發動機的功重比高許多，但由於電池的能量密度要比燃油的能量密度低許多；這些可以用來補充電池的能量密度。但就整體而言，目前電動飛機還沒有達到燃油飛機的水平。
採用全新構型和任務剖面的電力混合推進動力架構的飛機是最有可能首先成功應用的飛機。預計採用電力混合推進系統的支線單通道商用飛機上電池的能量密度需要達到0.8千瓦時/千克以上，而全採用電力推進的支線單通道商用飛機上電池的能量密度需要達到1.8千瓦時/千克以上。電池技術要大量應用於航空，還必須證明該技術的安全性能和基礎設施的要求。但按照目前電池技術快速發展來看，預計未來電動飛機的前途光明。
另一個儲能器件超級電容器有它自己的特點：能量密度達到鋰電池的100倍；在幾秒鐘內充放電，這很適合於峰值功率瞬時釋放；有100萬次充放電能力、穩定範圍寬和無可燃材料，很適合於飛機；能量密度接近鉛酸電池，但是和鋰電池相比還有不足，可以在混合動力系統中應用。
鋰電池和燃料電池未來將會在電動飛機中大量使用，它們的特點是：能量儲存密度大、電池電量高、安全可靠、壽命長、適應性強、智能性強、續航持久和充電便捷。這些特點決定了它們未來的應用前景。
集成的電力電子控制技術
電動飛機技術的發展主線就是電力電子技術，正是由於電力電子技術的進步才使多電、全電和電動飛機發展成為可能。對一架飛機來說，它就是一個獨立電網絡系統，要使它高效、安全和穩定運行還需要做大量的研究工作。因此，集成電力電子控制技術非常重要。它也是電動飛機的核心技術。
對電動飛機而言，飛機電力系統功率密度非常重要，這就需要功率轉換器的功率密度大、效率高。採用常規空氣冷卻的功率轉換器通常其功率密度被限制在20千瓦/升，但在電動航空領域，為了滿足推進電機驅動需求，未來理想目標功率密度是50千瓦/升。為了滿足需求，需要對許多新興技術進行不斷地研究與開發。同時還需要不斷研究並開發新材料、變換器新設計、變換器新拓撲、新的製造技術以及功率半導體器件新封裝方法。這些基礎技術將對電力電子系統的設計和製造產生顯著的影響。
碳化硅高溫電力電子技術是未來實現電力系統高功率密度變換器的關鍵。碳化硅功率半導體器件及其封裝是一個全新技術，它與新興功率轉換器拓撲共同結合使用，能夠實現變換器達到更高的功率密度，而不會降低功率變換器的性能。目前已經掌握許多新技術，如用無線傳感器通過微型計算機進行推進電機的轉速控制技術等，這些技術的進一步研究還可以更大提升電力電子系統的功率密度。
電動飛機獨立電網絡穩定運行非常重要，因為飛機上的電力電子非線性負載非常多，會在電網絡產生許多諧波和噪聲，造成電網絡的不穩定和效率的降低。因此，電網絡的魯棒性就顯得非常重要，魯棒性電網絡也是電力電子集成控制的關鍵，能夠按需要提供飛機可靠功率的能力，可滿足飛機峰值的功率需求並管理在生的負荷。同時為飛機的關鍵系統提供高可靠的功率。
電動飛機的整體設計技術
電動飛機的整體設計技術也是電動飛機的關鍵，能否把電力系統很好的融入飛機設計中，關係到整個飛機的性能和飛機使用壽命，一架好的飛機不但要有好的動力、外形、結構等系統，更重要的是整個飛機所有系統的協調設計，就像我們人一樣，人身體的各個部分都要健康，才能使我們擁有健康的生活。只有飛機整體協調設計，才能製造出一架性能優良客戶滿意的飛機。
電動飛機的仿真技術的發展也非常重要，基於模型的系統工程應用到電動飛機技術的各個領域，在計算機上實現電動飛機飛行。
電動飛機技術涉及多個學科，是一項跨學科間的新型技術，它可以應用於國民經濟的許多領域，具有劃時代的重要意義。
（本文作者系航空工業機載高級專務）
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