航拍保｜中国航空研究院发布2021电动飞行汽车发展白皮书

当地面上的电动汽车越来越普及时，天空上的“电动飞机”也在紧锣密鼓的研究着，尝试着，推进着。

航空研究的战略推动力包括全球机动、环境挑战、技术聚焦三个方面，通过替代燃料和先进低碳推进技术实现向低碳航空动力的过渡，是应对环境挑战的主要举措。

在电动飞机领域，目前国内外均处于起步阶段，以电动飞机技术引发的技术革新为契机，我国航空业有望迅速达到或赶超世界先进水平，同时带动我国多个相关产业的整体发展。

电动飞机是指以电能作为推进系统的全部或部分能源的飞机，其电能全部或部分来自蓄电池、燃料电池、发电机等供电装置。

按照应用场景，电动飞机可分为轻型运动电动飞机、城市空运电动飞机、通勤运输电动飞机、干支线运输电动飞机4类。

按照推进系统架构，电动飞机可分为全电飞机、混电飞机和涡轮电飞机三类。

电动飞机主要包括以下四类产品——

▍城市空运飞行器

目前国内的典型产品有亿航公司的亿航184/216自动驾驶载人飞行器，以及辽宁通用航空研究院拟研发的轻型电动直升机。目前产品尚不能满足城市空运市场需要，应当进一步发展有效载荷更大、航程更远的城市空运飞行器。

▍轻型运动飞机

辽宁通用航空研究院已研发锐翔系列双座电动轻型运动飞机，RX1E与RX1E-A产品已获得型号合格证与生产许可证，后续重点发展水上电动轻型运动飞机。

▍通勤运输飞机

中国航空研究院提出了4～5座全电推进CAE-X1 通勤飞机概念，用于验证分布式电推进关键技术。设计重量约为1100kg，采用机翼前缘分布式电机提供动力，巡航速度约240km/h。预计2025年技术成熟度达到6级。

辽宁通用航空研究院在锐翔（RX）双座系列电动飞机基础上，开展了四座电动飞机研制，已于2019年10月成功首飞。

中国航空研究院提出了未来60～90 座混合电推进CAE-X2支线飞机概念，航程约1200km。采用机身尾部螺旋桨边界层抽吸技术、混合电推进飞机能量管理和分配方案。预计2030年技术成熟度达到6级。

针对未来干线运输需求提出了超绿色混合电/涡轮电推进飞机概念，采用分布式推进、超导发电和超导电机等技术，载客250人以上，航程达到3500km。预计2050年技术成熟度达到6级。

（一）总体设计技术

与传统动力形式相比，电推进系统具有一定程度的功率相对尺度无关性，电动飞机总体设计可突破传统架构的限制，具有广阔的设计空间。另一方面，受限于电池等部件功率密度水平，与采用传统动力形式的常规布局飞机相比，电推进系统会影响航程和有效载荷等性能指标，对气动-结构-推进一体化设计和气动布局创新设计提出了需求。

▍气动-结构-推进一体化设计技术

与传统燃油飞机相比，电动飞机的气动布局、推进系统设计等具有较高的自由度，且高度耦合，采用传统的独立设计方式限制了飞机综合优化设计，开展气动-结构-推进一体化设计能够有效地提高飞机性能。

电动飞机气动-结构-推进一体化设计技术对飞机的电机、螺旋桨、机翼、短舱开展综合权衡分析和迭代优化设计，综合考虑飞机的几何参数、气动力参数、重量参数、动力系统参数，开展关键参数的敏感性分析与协调，进行方案评估，支撑布局方案选型。

图1 电动飞机总体设计技术发展路线图

▍气动布局创新设计技术

为满足电动飞机气动布局设计需求，在常规布局基础上，还需要重点开展翼身融合布局、桁架支撑翼布局、分布式推进布局等新型气动布局技术研究，优化飞机气动特性，改善飞机飞行性能。

翼身融合布局将传统的机身与机翼结构融合，通过一体化设计制造，提高升力、降低结构重量与阻力，从而提高燃油效率，大幅改善飞机的飞行性能。

桁架支撑翼布局与传统机翼相比，由于桁架承担了部分载荷，减轻了翼根弯矩，有利于减轻重量，在同等重量下可增加机翼面积，有利于降低阻力，提高升阻比。

分布式电推进布局在机翼或机身上分布安装多个螺旋桨/涵道风扇，可提高气动效率、降低阻力。其中，边界层抽吸技术在飞机尾部安装嵌入式风扇，通过加速抽吸机身边界层降低阻力，改善气动性能。

▍永磁同步电机

与其他电机相比，永磁同步电机（无刷直流电机）具有高效率、高功重比、高可靠性等优点，成为电动飞机电机的首选。

永磁同步电机研究包括以下内容：高温高速电机、电机电磁场-温度场-流场-应力场多场耦合设计方法、余度/容错控制等。

▍超导电机

超导电机是采用超导体代替常规导电材料来实现电磁能与机械能之间能量转换的装置。具有体积小、效率高、重量轻、同步电抗小等特点，在相同重量和相同能量输入下，可产生远高于普通电机的扭矩，在电动飞机的应用方面具有极高潜力，将会成为代替燃油喷气发动机的新型飞行动力装置的关键部件。

目前研究的超导电机绝大部分为半超导电机，全超导电机是未来超导电机的重要发展方向。超导电机研究包括电机拓扑结构、超导体载流能力、超导永磁体技术、超导交流绕组绕制技术、电机的强度/可靠性/寿命试验等。

▍电机驱动控制器

电机驱动控制器是保证永磁同步电机和超导电机高效可靠运行的必要设备，主要由控制模块和驱动模块两部分组成，控制电机速度、角度和方向。电动飞机电推进系统对电机驱动控制器提出了大功率、高效率、高可靠性和高功重比的要求。

采用新一代碳化硅和氮化镓功率器件的电机驱动控制器是未来的发展方向，主要研究内容包括：高低温极限环境下宽禁带功率器件动态特性变化机理，高温高频下电机损耗变化规律及其内在机理，多电平模块化拓扑结构以及余度/容错驱动控制，基于相变材料驱动器散热等。

▍低噪高效螺旋桨技术

低噪高效螺旋桨是分布式电推进飞机重要动力部件，可在同等输出功率下提高飞机气动性能、降低噪声。主要研究内容包括：先进螺旋桨专用翼型研究、高效率螺旋桨桨叶气动布局设计技术、螺旋桨气动/噪声机理及数值仿真方法、三维桨叶参数化建模与气动/噪声一体化设计与优化技术等。

由于将电能作为电动飞机的一次能源，飞机电网容量迅速提升、负载特性日趋复杂，对配电系统的性能提出了更高的要求；电动飞机的电力电子设备、用电设备的热管理问题更加突出，为此需要在能量综合管理方面开展以下研究（见图3）。

▍电网架构

飞机电网架构包含供电体制、配电系统及拓扑结构、配电容错及保护，是影响飞机安全性、可靠性、系统质量、效率的关键因素。同时，电动飞机电力系统面临的多种约束条件（如重量、体积、飞机推进系统工况变化等）是配电系统设计的重要影响因素，需要采用多目标优化思路，满足电动飞机系统要求。

▍电力电子技术

图3 能量综合管理技术发展路线图

电力电子技术是飞机电能传递、变换、控制的基础，电动飞机的电力系统包含大量整流器、逆变器及控制器件等。电力电子器件的功率密度、效率等指标决定了电力系统的性能，对飞机的安全性、可靠性具有重要影响。

在高压、高功率、高效率电力电子器件方面，主要开展如下研究：电力电子设备拓扑设计技术，功率转换技术，基于碳化硅、氮化镓等新型材料的高功率、耐高温功率器件（如固态功率控制器、超导故障限流器），模块封装设计等。

▍热管理技术

热管理技术用于飞机各部件及系统散热、冷却，是保障电动飞机各部件及系统（特别是电动机、电力电子设备）正常、高效工作的必要条件。此外，超导电机需要低温环境以维持超导状态，采用热管理技术能够保障超导系统的隔热能力，避免外部热量影响超导低温环境。

▍能量智能管理

飞机系统日益复杂且高度耦合，采用传统的各系统独立能量管理方式无法实现飞机能量的高效利用。能量智能管理从飞机整体层面研究能量综合优化设计和控制管理，可有效提高能量利用效率。

能源系统是电动飞机的供能组件，其性能从根本上决定了飞机的续航时间、航程以及运营成本。随着锂电、燃料电池和超级电容等新型能源，以及超导发电和超导电机技术的进步，电推进技术将逐步应用于通用飞机、通勤飞机、干支线客机。长寿命高可靠的能源系统具有更稳定的供电能力、更低的维修和更换频率，能有效提高电动飞机的使用率。

纯电力能源系统仅由电池为飞机动力和机载系统提供能量。

混合电力能源系统由燃油和电池共同为飞机动力和机载系统提供能量。