电动飞行器及其关键技术的研究探析

摘要：近年来，随着人们对绿色环保、清洁蓝天美好生活的向往，飞行器减少污染排放、降低噪声，已成为主要研究任务，因而电动飞行器技术成为航空科技发展的热点。它与传统飞行器设计理念不同，采用能源按需配置的设计思想，极大提升飞行器的飞行品质。本文介绍了电动飞行器的概念和内涵、国内外研究现状，分析了电动飞行器的高能量密度电池、总体/气动/动力综合优化设计技术、高效电机技术等关键技术，展望了电动飞行器的发展趋势。

关键词：电动飞行器；高能量密度电池；高效电机；配电技术

中图分类号：V272文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.06.001

电动飞行器的概念是从电动汽车演变而来。电动飞行器是指完全采用电机作为驱动装置，产生前进动力的飞行器，从动力形式上颠覆了传统飞行器。能量来源主要有化学电池、燃料电池、太阳能电池、超级电容和其他类型电池。

电动飞行器具有高效率、低噪声、低排放等优势。此外，还具有安全可靠（燃料泄漏）、结构简单（无进气道、供油装置等）、操作使用简便、费效比高等特点。在飞行器总体设计上，可采用先进气动布局，避免燃油飞行器的飞发匹配带来的设计难题[1]。

1电动飞行器的研究现状

1.1研究现状

在飞行器发展过程中，人们对电动飞行器研究从未停息。电推进在飞行器上的应用最早是Kilgore等在20世纪40年代提出的用发电机发电驱动电动机带动多个螺旋桨旋转的飞行器电推进系统方案，并申请了美国专利。由于功率重量（质量）比不足，这些技术只能应用于大展弦比的低速无人机上。1957年，“无线电皇后”号在英国试飞成功，这是世界上第一架使用银锌电池和永磁电动机驱动的电动模型飞机；1980年，“游丝企鹅”号（Gossamer Penguin）实现了太阳能电动飞行器的首次载人飞行；2009年，DLR-H2在德国试飞成功，这是第一款燃料电池无人机；2015年，E-fan技术验证机飞越了英吉利海峡[2]。

考虑到电动飞行器的广阔前景，美国国家航空航天局（NASA）、德国航空航天研究院等国家级航空研究机构，波音、空客等传统航空巨头，GE、普惠和罗罗等发动机公司，劳斯莱斯、特斯拉等汽车公司，优步、西门子等新兴公司均开展了关于电动飞机技术的相关研究。国内开展电动飞机的研究工作也较早，“十五”期间，中国航空工业集团有限公司已开展了相关研究工作。2019年，国内首架四座电动飞机首飞成功，但中大型、远程电动飞行器有待进一步突破[3]。

1.2主要项目

1.2.1 E430双座电动飞机

E430电动飞机由田瑜先生设计，并成功获得适航证，这是国内第一架获得欧洲适航证的双座电动飞机，标志着我国电动飞机在通航市场上取得实质性进展（见图1）。

E430电动飞行器采用双座设计，机体结构为碳纤维复合材料，推进系统完全采用无刷电机，能源系统为锂电池。E430采用常规布局，V形尾翼，翼展13.8m，电机功率为45kW，最大起飞重量470kg，最高时速160km/h，最大续航时间为2.5h。E430拥有完全自主知识产权，它的出现，标志着我国在电动飞机领域与世界同步发展、同场竞技，也坚定了我国着力发展电动飞行器的信心[4]。

1.2.2 RX4E四座电动飞机

2019年10月，国内具有完全自主产权的电动飞机——锐翔（RX4E）在沈阳财湖机场首飞成功。RX4E的成功研制，进一步提升了国内电动飞机的声望和能力，同时也填补了国内四座电动飞机的空白[5]（见图2）。

RX4E是由辽宁通用航空研究院立项研制的，严格按照《中国民用航空规章》（CCAR）的要求进行设计，总体方案采用上单翼、低平尾、前置螺旋桨的常规布局，座舱为双排四座，翼展13.5m，机长8.4m，起飞重量1200kg，电机最大功率140kW，巡航速度200km/h，续航时间1.5h，航程300km，对起降场地的平整度和长度要求低[4]。此外，全机的复材结构占比达到77%。首次采用余度电驱动技术和能量密度超300W？h/kg的电芯，极大地提高了飞机的性能，该技术处于国际领先水平。

1.2.3 Elektra One单座电动飞机

Elektra One是德国PC-Aero研制的单座电动飞机，如图3所示，能源系统采用锂聚合物电池，推进系统为一台16kW电机，最大速度为161km/h，空载重量为100kg、起飞重量为300kg，最大航程为500km，续航时间为3h，2011年初实现首飞[4]。Elektra One配有太阳能装置和太阳能供电机库，當飞机停放到机库后，机库屋顶安装的太阳能电池板能给飞机电池充电[6]。

1.2.4 E-Fan双座电动飞机

E-Fan是世界首架依靠自身动力起飞并成功飞越英吉利海峡的电动飞机，是由欧洲空客公司研制的电动双座飞机（见图4），能源系统为锂电池，由两个电机驱动涵道风扇产生推力。E-Fan电动飞机第一次公开展出是在2013年巴黎航展，现已完成了100余次试飞，累计飞行时间超过50h。在总体设计上，E-Fan采用了流线型机身、下单翼和T形尾翼，机身长度为6.67m，翼展9.5m，升阻比达到16，机体采用全碳纤维复合材料结构，空机重量约600kg，机身长约6.7m，翼展约9.5m，最大飞行速度为220km/h，升限为1000m，续航时间为1h。2015年5月，空客公司宣布将建成第一条E-Fan全电动飞机总装线，首架E-Fan电动飞机2017年年底投入运营[2]。

1.2.5 Extra 330LE四座电动飞机

Extra 330LE电动飞机是西门子公司计划进入电动飞机的第一款试验机（见图5），已于2016年7月成功完成首飞。Extra 330LE电动飞机空机重量约1000kg，其引人注意的是优越的爬升能量，曾在4min22s内达到3000m的高度，爬升速度为11.5m/s，该成绩创造了同级别飞机爬升速度的世界纪录[7]。

Extra 330LE电动飞机配备的电机是功率重量比最优，该电机重量仅为50kg，能提供大约260kW的连续输出功率，该功率是同级别驱动装置所能提供功率的5倍左右。当前，西门子公司已经同意将高性能电机技术应用推广和转让，以便共同推动电动飞机的快速发展。

1.2.6 ACCEL单座电动飞机

ACCEL单座电动飞机由劳斯莱斯公司研制，是公开报道速度最快的电动飞机，最大速度可达到480km/h。能源系统采用锂电池组，该电池组具有6000个电池单元，可产生高达750kW的功率，一次充电续航里程320km。此外，其动力系统的效率高达90%，比F1赛车的效率还要高出近一倍。

2电动飞行器的关键技术

电动飞行器是一个全新的领域，系统复杂度高，关键技术多，要取得全面突破，在加强基础研究工作的同时，对关键技术应进行专项研究和攻关，电动飞行器的关键技术主要有：高能量密度的电池技术、总体/气动/动力综合优化设计技术、高效电机技术和电机控制技术等。

2.1高能量密度电池技术

电池是指能产生电能的装置，其种类有很多，电池的能量密度很大程度上制约了电动飞行器的发展。当前，可作为电动飞行器推进动力的电池主要有：锂电池、空气电池和石墨烯电池等。

近年来，随着电动汽车技术的飞速发展，电池技术有了长足的进步，电池的储能密度每年都有一个快速的提升[3]。能量储存的形式有许多，最为常见的是燃油储存、压缩气体、燃料电池、超级电容器等。这些能源储存方式有些虽然和电池的能量密度相当或者超过电池，但要应用于飞行器上还必须考虑其系统的功重比，有些能源储存方式应用于飞行器上时，需要附加的隔离系统和热管路系统，额外增加了飞行器的质量，使得总体收益甚微，甚至是负收益。

目前，电动系统的储存能量密度和动力系统的功重比与现有基于航空燃油的动力系统的水平仍有一定的差距。从动力需求和总体设计要求来推断，采用电力推进系统的单通道飞行器上电池的能量密度需要达到1000W？h/kg以上。锂电池是可用于电动飞行器的成熟产品，其理论能量密度大于300W？h/kg，安全因数与能量密度负相关，寿命范围为500～2000次充放电，能量密度仍需进一步提高。锂硫电池的能量密度远大于锂离子电池，但成熟度还不高[8]。

空气电池主要有铝空气电池、锌空气电池、镁空气电池、锂空气电池、石墨烯电池等，其能量密度大于300W？h/kg，并且已经在汽车上做过相关试验验证，具备在飞行器应用的可能。石墨烯电池有更高的能量密度，但成熟度低，需进一步开展研究工作。

燃料电池有很多类型，从绿色环保的角度，在电动飞行器上最有应用可能的是氢燃料电池，由于氢气的密度小，储存时需要大容积或耐高压的容器，而飞行器对体积和重量要求极高，使其上机应用受到限制。虽然氢燃料电池能量密度高，但功率密度较低，通常与功率密度高的锂离子电池配合使用。

太阳能电池是通过光电效应或光化学反应把光能转化成电能的装置，但光电转化效率最高的不超过25%，且不足以保证夜间的正常飞行，因而太阳能飞机的实用性还非常有限[9]。

超级电容是通过极化电解质来储能的一种特殊电源，具有充电速度快、放电能力强、功率密度大等特点。超级电容器能量密度最大可达到锂电池的100倍，能在几秒钟内充放电，很适合峰值功率瞬时释放；100万次充放电能力、稳定范围宽等特点很适合于飞行器，但远距离大功率传输是关键技术，有待进一步研究和验证。目前较难满足电动飞行器的要求。

尽管当前电池的高能量密度存储、功率高转化率等关键技术仍有待研究，但从目前电池技术发展的速度来看，应该很乐观地看待电动飞行器的发展前景。

2.2总体/气动/动力综合优化设计技术

电动飞机并不是简单地将传统的动力装置（活塞或涡轮）换为电动装置。实际上，电动飞机的设计与传统飞机设计思路完全不同。由于电动飞机可以根据需要将大功率电机分解为多个小功率电机，这样做的好处是传统的集中动力形式变成按需配置的分布式动力形式，便于实现总体、气动、动力等最佳优化组合，从而获得总体的最佳收益。

分布式电推进的一个重要优点可将动力分散到飞行器的各个主要结构上，并可改变机体周围的流场，提高气动性能，降低噪声水平。可以说，分布式电推进技术的出现，拓展了飞行器设计的自由度，可大幅提高飞行器的综合性能。与此同时将带来多学科优化设计和计算分析的复杂性等难题。

需要指出的是，现有大部分电动飞行器的气动布局基本是对传统布局的改型或改进，较少依据电推进的特点，并进行多学科综合优化设计得到，因此并没有充分发挥电推进的优点。

2.3高功率密度电推进技术

电动飞行器的总体性能主要取决于气动性能、重量和推进系统效率。如何减少推进系统的自重和提高推进系统的效率是决定电动飞行器是否成功的关键技术之一。而推進电动机是其核心，高效高功重比电动机技术是电动飞行关键。

要使推进系统效率更高，就需要功率变换器的功率密度更大。常规空气冷却的功率变换器的功率密度约为20kW/L，但对电动飞行器来说，目标功率密度是50kW/L。为了弥补差距，还需要不断研究开发新材料、新设计、新工艺以及新封装方法。碳化硅高温电力电子技术、无线传感控制转速技术等是实现推进系统高功率密度变换器的途径之一。

3电动飞行器的发展趋势

近年来，航空界对电动飞行器的热情日益高涨，究其原因，一是人们对电动飞行器高效经济、环保低噪的青睐；二是来自特斯拉等公司开启汽车行业革命性变化所带来的现实冲击。

无可置疑，电动飞行器是未来发展的方向，在提高环保性、可靠性、安全性、经济性等方面具有很强的吸引力，且应用前景广阔。根据国外咨询公司的调查分析，当前有不少于100个电动飞行器的项目正在加紧研制，力争尽快抢占先机。空客公司也发布了电动飞机中长期发展规划，明确提出到2030年左右，推出100座级、航程不小于1000km的电动飞机。与此同时，瑞典和挪威也计划到2040年前后将所有短程航班更换成全电动飞机[10]。

笔者认为，尽管电动飞行器具有舒适性更好、总体性能更高、更环保、全生命周期成本更低等诸多优点。但受众多关键技术及瓶颈技术的制约，全电动飞机在未来20年，较难大规模投入使用。一是电池技术在中大型飞行器的应用距离商业运营仍有较大差距；二是成本控制问题，全新的动力、全新的材料、全新的设计，必将带来高昂的运营成本；三是安全问题，高密度的电池带来的安全隐患，是载人飞行器首要考量的问题，需要充分的试验、足够的时间验证。

可期待的是，在强烈的需求牵引和技术推动的双引擎作用下，电动飞行器相关技术必将不断取得突破性进展，关键技术也将逐一突破，尽管还面临很多难题和挑战，但是其前景是光明的，航空领域必将迎来全电动飞行器时代，且应用将非常广泛。具体发展趋势如下。

（1）混合动力飞行器将在很长时间存在

从第一架载人全电动飞机发展到现在，已经过去了40年，电机推进功率从原来的15kW提高到现在的300kW。但从原来的镍镉电池到如今最先进的锂离子电池，其能量密度提升了不到5倍。以最新型的特斯拉Model S电动汽车为例，其电池能量密度为170W？h/kg，而航空煤油的电池能量密度约为1200W？h/kg，差距非常明显，并且锂电池的发展后劲不足，目前其性能的增长率只有7%左右。有领域专家曾公开表示，高镍材料、碳硅负极的锂电池单体能量密度最高应在300W？h/kg左右。据美国权威杂志分析，要实现2h左右有效飞行至少需要1000W？h/kg的动力电池，是当前电池和电机水平的6倍多，而如此巨大的差距是电动飞行器技术在相当时间内无法达到的。因此，混合动力飞行器将在很长时间存在，并是主流。

（2）电动飞机更适合使用在小型无人飞行器上

随着电推进技术的飞速发展和资本市场的追捧，电动飞行器进入市场的方式越来越得到关注。笔者从技术发展路线和规律判断，电动飞机更适合使用在中小型无人飞行器上。一是中小型飞行器市场潜力巨大，且对飞行器品质、绿色环保、小型化、极限飞行等要求更高，而这恰是电推进的优势，能充分发挥其特点。其次，中小型无人机飞行器对电池、电机等性能要求相对较低，现有技术水平就能很好地支撑，因此能保持较好的经济性。最后，无人飞行器的安全等级相对偏低，在电推进的可靠性没得到充分验证前，更适合使用在无人机飞行器上。

（3）军用领域将越来越得到重视

军事装备的无人化、经济性、适应性将是未来发展趋势。随着城市化进程的加快，未来战争将有70%发生在城市，而城市战对隐蔽性、垂直起降、低附带损伤、噪声等要求非常高，而电动飞机具有低噪声的特性，并且能很好地實现垂直起降，如优步开发的eVTOL飞行器，巧妙地兼顾了性能、效率和成本。因此，可以预判，在军用领域，电动无人机、电动中近程导弹、电动潜航器都将得到发展和应用。我们希望未来这些更清洁、更安静、更低廉的下一代军用装备变得越来越受重视。

（4）电动飞行器将带来的航空产业链的重组

由于电动飞行器在飞发一体化设计上具有前所未有的灵活性，航空产业链必将出现像汽车那样“整机化”的研发模式，传统飞机制造公司的主导模式仍将长期存在。波音公司和空客公司已明确把电推进技术作为战略研究和重点投入方向，同时积极收购有发展潜能的初创公司进行产业布局，营造生态链，力争在电动飞机的低成本运营、舒适度体验和政策法规制定上抢占先机。

然而，面对未来电动化飞行器的出现、推广乃至普及，传统的航空发动机制造商所面临的考验和挑战与飞机制造商是截然不同的。虽然整机化的发展趋势提高了发动机制造商独立研发飞机产品的门槛，但从根本上说电推进系统改变的是飞机的动力装置，其对燃气涡轮发动机潜在的“降维竞争”存在着剧烈变革未来航空发动机产业结构的可能性。GE公司、普惠公司和罗罗公司一直是民用航空燃气涡轮发动机技术进步最大的开拓者和推动者，也是市场的受益者，自然很难轻易放弃其传统优势领域，贸然全力进入电动化飞行市场。但迫于电动飞行器的广阔前景带来的诱惑，发动机公司必定提前布局电动飞机的整机研发。2019年3月，联合技术公司（UTC）启动了804计划，预期在三年内完成一架混合电动支线客机X-Plane的研制和试飞[11]。

优步公司也积极成为电动飞行器产业链上的跟踪者，日前，宣布将共享eVTOL飞行器Nexus纳入Uber Elevate城市交通体系。全球飞行控制领域的著名公司霍尼韦尔公司同样将目光瞄准了电动飞行器领域，公开宣布将发动机和发电机一体化设计，其正在研发的原型系统预计在2025年前后投入商业应用。后续将重点关注影响系统功率密度的热管理问题，系统的最终目标是转换效率达到98%。

综上所述，随着电动飞行器的出现，将打破原有相对固化的航空产业布局，各利益相关者都希望提前布局、预先研究、延伸产业链、提高集成度，全力迎接电动化飞行器的到来。

4结束语

电动飞行器是未来航空发展热点方向，是一种新型清洁能源的飞行器，可降低飞行器的运行成本、飞行噪声和污染排放，是实现航空工业高效、安静和无污染排放的绿色航空目标的优选。笔者认为，尽管电动飞行器飞机具有诸多优点。但受高能量密度的电池技术等关键技术制约，电动飞机在未来20年，较难大规模投入使用。

但是我们坚信随着人们对环境保护意识的提升，以及科技的不断进步发展，电动飞行器一定会迎来更广阔的发展空间。未来的电动飞行器技术可以应用于国民经济的许多领域，具有划时代的重要意义。

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（责任编辑陈东晓）

作者简介

梁向东（1968-）男，硕士，研究员级高级工程师。主要研究方向：飞机智能制造及过程测试。

Tel：18666932366E-mail：lxdcjok@sina.com

Research on Electric Vehicle and Its Key Technology

Liang Xiangdong*

South China Aircraft Industry Co.，Ltd.，China Aviation Industry General Aircraft Co.，Ltd.，Zhuhai 519040，China

Abstract： In recent years， with peoples yearning for green environment protection and clean blue sky， reducing pollution emissions and noise of aircrafts has become the main research task. Therefore， electric vehicle technology has become a hot spot in the development of aviation science and technology. It is different from the traditional aircraft design concept， using the design idea of energy on demand configuration， greatly improving the flight quality of the aircraft. This paper introduces the concept and connotation of the electric vehicle， the research status at home and abroad， analyzes the key technologies of the electric vehicle， such as the high energy density battery， the aerodynamics/power integrated optimization design technology， and the high-efficiency motor technology， and looks forward to the development trend of the electric vehicle.

Key Words： electric vehicle； high energy density battery； high efficiency motor； power distribution technology