飞进未来——英国支持开发绿色航空技术

格雷厄姆·沃里克

英国正大力推动开发下一代航空系统，这些涉及清洁、绿色、智能化、电气化的航空项目描绘了英国对下一代航空系统的愿景，旨在为航空业实现脱碳，同时改善全国的人民生活和货物运输情况。当前，这些项目正在如火如荼的进行，重点是进行开发和测试

英国商业、能源和工业战略部（BEIS）2021年宣布投入8460万英镑支持开发开创性的绿色航空技术，旨在推动航空行业的变革发展，实现方便快捷的零排放航空飞行。英国推出了电动支线飞机、城市空中出租车和医疗运送无人机等一系列项目，旨在为航空业实现脱碳，同时改善全国的人员和货物运输。

在英国政府资助下启动的项目将开发和测试零排放氢燃料电池动力列车，建立电动飞机测试场地，构建无人机网络，并在城市中开展空中出租飞车的现场测试。

这些项目由航空航天技术研究所（ATI）资助，该研究所负责管理2013年至2026年期间政府对航空航天研究的39亿英镑（约合53.5亿美元）政府产业投资，以及英国研究与创新局（UKRI）负责的3亿英镑的“未来飞行挑战赛”。未来飞行挑战赛旨在帮助开发和支持下一代电动和自动飞行器的航空基础设施和系统。

图1 吉凯恩集团领导的H2GEAR项目将为次支线飞机开发创新的液氢电动混合推进系统。

氢电混动系统

发展电气化推进系统使航空脱碳是新项目的一大重点。吉凯恩集团（GKN Aerospace）领导规模最大的氢电混动系统项目（H2GEAR），该项目为期5年，价值5440万英镑，将为次支线飞机开发创新的液氢电动混合推进系统。

在政府2720万英镑资助和工业界支持下，H2GEAR项目将使用低温氢建造和测试兆瓦级动力系统，用于电动机的推进和冷却。吉凯恩表示该系统将确保可扩大规模至更大型飞机用于更长航线。

H2GEAR项目将对一种动力传动系统进行地面测试，该动力系统结合了液氢燃料和优化后的先进燃料电池，通过大功率电气网络驱动低温电机。虽然计划中不包含试飞，但吉凯恩公司表示可能在2025—2026年进行飞行测试，

智能能源公司（Intelligent Energy）将开发轻型燃料电池组，艾瑞斯泰克公司（Aeristech）将为燃料电池提供功率密集和高效的压缩机，曼彻斯特大学将开发低温技术以提高动力系统的功率密度，纽卡斯尔大学（Newcastle University）也将参与其中。伯明翰大学将研究基于中温聚合物电解质的未来航空燃料电池组。吉凯恩公司表示，与低温汽车燃料电池相比，新电池组能提高功率密度，改善性能，简化动力装置的平衡性。

HyFlyer二期项目

HyFlyer II项目为期两年，由英国航空航天技术研究所（ATI）通过政府资金中与工业配套的1230万英镑支持。该项目由零排放推进初创公司泽拉维亚（ZeroAvia）牵头，将为19座支线飞机开发氢燃料电池推进系统。

图2 泽拉维亚公司已成功完成目前全球最大氢电动飞机的试飞。

图3 HyFlyer加油车和压缩机。

图4 由氢燃料电池动力总成提供动力的第一架HyFlyer飞机。

图5 泽拉维亚公司所提议的系统包括氢燃料电池，并将其输送至电动机，以代替传统的动力传动系。

HyFlyer II是HyFlyer I的后续项目，泽拉维亚公司已成功完成6座氢电混动飞机（全球最大氢电飞机）的试飞，使用经过260kW燃料电池推进系统改装的6座派珀“马利布”（Malibu）飞机。泽拉维亚计划今年年初在苏格兰奥克尼进行一次463km的演示飞行。

在HyFlyer II项目下，泽拉维亚计划改装一架19座的飞行试验台，在2023年1月进行一次648km的演示飞行。目标是在项目结束时使泽拉维亚进入正式取证并拥有一套600kW的氢电推进系统，为2023年底投入市场做好准备。

HyFlyer II项目的合作伙伴包括电机和燃料电池压缩机专家埃利斯特斯公司（Aeristech）以及总部位于奥克尼的绿色氢生产商欧洲海洋能源中心（EMEC），后者在HyFlyer I项目下开发了移动加油系统。

氢电与自动化支线运输项目

泽拉维亚公司还参与了“未来飞行挑战赛”下的氢电与自动化支线运输项目（HEART），该项目将为从短途到926km的9～19座客机开发氢推进系统和遥控驾驶系统。

HEART项目将在2022年第一季度使用布里顿诺曼公司（Britten-Norman）的“岛民”（Islander）飞机评估所开发的技术，目标是在2025年投入服务。“岛民”飞机的制造商和苏格兰支线航空公司洛根航空（Loganair）也参与了HEART项目，洛根航空是“岛民”飞机岛间短途飞行的运营商。

其他合作伙伴包括蓝熊系统研究公司（Blue Bea），将开发能自动执行飞行功能的数字式副驾驶。蓝熊公司已与布里顿诺曼公司合作以实现“岛民”飞机自动化，并演示了由一名自动驾驶副驾驶提供协助的单飞行员操作。

国际移动卫星组织（Inmarsat）将提供混合连接，即结合卫星通信和地面网络实现遥控数字式副驾驶，并提供驾驶舱内“旅程关键”通信。蓝熊公司还将研究机场地面车辆的自动化。

轻氢绿色解决方案公司（Protium Green Solutions）将确定生产、储存和分配绿色氢的最佳方法。轻氢公司于2020年底与泽拉维亚签署了一项协议，开发和扩大在英国利用可再生能源生产氢的基础设施。

电动飞机飞行控制、储能和推进综合系统

图6 HEART项目将在2022年第一季度使用布里顿诺曼公司的“岛民”飞机评估所开发的技术。

图7 HEART项目氢电与自动化支线运输。

电动飞机飞行控制、储能和推进综合系统项目（InCEPTion）由蓝熊系统研究公司主导，英国航空航天技术研究所（ATI）也进行了资助。该项目将开发全电动零排放推进系统，可用于短途飞行的小型飞机，具备静音、高效等优点。如果扩大规模，则可为包括无人机、客机在内的各种飞机提供动力，用于运送大宗物品、区域通勤等，促进形成新型交通服务。该项目为期两年，价值560万英镑。

可持续航空测试环境

在“未来飞行挑战赛”的一个相关项目下，英国第一个可持续航空（包括电推进和氢推进）测试场地将在苏格兰奥克尼群岛的柯克沃尔（Kirkwall）机场建成。洛根航空、泽拉维亚公司和混合动力推进先驱安飞公司（Ampaire）也参与了该项工作。

为期18个月、价值370万英镑的“可持续航空测试环境”（SATE）项目由高地和岛屿机场有限公司（Highlands and Islands Airports）牵头。无人机医疗运送公司风力赛车（Windracers）、无人机空中成像供应商闪光（Flare Bright）、电池开发商Denchi集团和绿色氢生产商EMEC也参与了该项工作。

柯克沃尔机场是奥克尼岛间航班服务的枢纽，航班由洛根航空使用两架驻机场的“岛民”飞机运营。2021年1月，洛根航空续签了补贴航线运营合同，希望4年内转向低碳推进。

根据“可持续航空测试环境”（SATE）项目，洛根航空将在2021年上半年支持奥克尼的两个单独的飞行测试计划。其中一个将涉及安飞公司的电动EEL混合动力推进试验台，一架经过改装的塞斯纳337“天空大师”（Skymaster）；另一架是泽拉维亚公司的改良燃料电池供电的派珀“马利布”飞机。

图8 蓝熊系统研究公司正在领导基于英国本土的INCEPTION项目，开发一种新的电力推进系统。

图9 在“未来飞行挑战赛”的相关项目下，“可持续航空测试环境”项目测试场地将在苏格兰奥克尼群岛的柯克沃尔机场建成。

空中出租飞车相关项目

英国研究与创新局（UKRI）的“未来飞行挑战赛”得到了政府1.25亿英镑的资金支持，加上1.75亿英镑的行业投资，还将在英国城市进行城市空中出租飞车的首次试飞。

工程项目管理专家阿特金斯公司（Atkins）将与垂直航空公司和英格兰西部联合管理局合作，评估在英格兰西南部地区引进空中出租飞车服务的可行性。该项目通过政府的“未来飞行挑战赛”获得了250万英镑的部分资金，项目旨在寻找实现更绿色航空运输、寻找新的出行方式、提高机动性、改善连通性和减少拥堵的创新方法。

图10 空中出租车项目旨在寻找实现更绿色航空运输，探索新的出行方式、提高机动性、改善连通性和减少拥堵的创新方法。

图11 阿特金斯公司领导的项目将评估英格兰西南部对空中出租飞车服务的需求。

可行性研究预计需要18个月的时间，将包括评估西南部对空中出租车服务的需求；开发该技术的使用案例；评估对更广泛的交通网络（包括该地区的机场）的整合和影响，以及对城市和居民的惠益。该项目将为这些服务建立可行的市场和商业案例，并寻求了解公众对电动垂直起降飞行器的看法和态度。

项目将在现场演示时达到高潮，最快将于2023年推出试用服务。参与者包括英国电动垂直起降空中出租飞车初创公司垂直航宇公司（Vertical Aerospace）和垂直起降坪开发商“天空港”（Skyports）、AirXOS（通用航空的一部分）以及英国空中航行服务商NATS和无人交通管理提供商高度角公司（Altitude Angel），他们将研究先进的交通管理解决方案和传统空中交通控制的集成。

克兰菲尔德大学将领导飞行所需的通信系统，特别是在城市环境中。克兰菲尔德大学将领导所需的通信系统，特别是城市环境中的飞行。总部位于伦敦的IT公司Neuron将专注于互联互通，以实现安全高效的乘客出行。布里斯托尔机场（Bristol Airport）将作为主要的支援机场，该地区的其他机场将提供后续的投入，以确保该概念在不同基础设施之间的可转移性。英国政府的创新机构之一、英国联域创推中心（Connected Places Catapults）将领导研究公众对空中出租车的看法、这种出行方式的使用方式，以及对AAM作为一种服务的预期需求。

“空中一号”

现代汽车集团、考文垂市议会和英国政府与城市航空港合作，推出了全球首个全面运行的电动垂直起降（eVTOL）飞行器枢纽，简称“空中一号”（Air One）。该项目由现代汽车集团公司和未来飞行挑战赛资助，金额120万英镑，将在英国考文垂（Coventry）建立一个紧凑的模块化垂直起降坪，演示有人或无人驾驶的货运和客运型电动垂直起降飞行器，用于物流、空中出租飞车和灾害管理。演示将包括充电/加油和远程飞机指挥与控制。马洛伊航宇公司（Malloy Aeronautics）将在“空中一号”现场展示其大型货运无人机。

“空中一号”枢纽将是世界上第一个“弹出式”城市机场和未来电动垂直起降飞行器的充电枢纽，其中包括货运无人机和空中出租车，并将于今年晚些时候在考文垂推出。“空中一号”电动飞机枢纽的实际占地面积比传统的直升机场（最具可比性的现有基础设施）少60%，并采用模块结构，这意味着该站点可以在几天内安装完毕。因此，城市航空港的枢纽不一定需要合适的电网连接，从而为发展开辟了可能的位置。

图12 位于考文垂市中心“空中一号”项目场地。

城市航空港创始人兼执行主席瑞奇·桑杜（Ricky Sandhu）表示，空中一号枢纽将改善城市间的连通性，提高生产力，并帮助英国在全新的清洁全球经济中处于领先地位。

“未来空域”项目

“未来飞行挑战赛”的目标是开发和演示下一代综合航空系统，选定的项目涉及联合体，这些联合体将开发整个系统不同要素的公司聚集在一起。

由泰雷兹（Thales）公司领导的“未来空域”联合体汇集了高度角公司、克兰菲尔德大学和克兰菲尔德机场、国际移动卫星组织（Inmarsat）、蓝熊系统公司、网上零售超市Ocado集团和英国创新机构“卫星应用”（Satellite Applications）和英国联域创推中心（Connected Places Catapults）。

“未来空域”项目旨在将无人机整合到英国的运输系统中，能通过小型运营基地上的低成本网络提供诸如检查、勘测和送货等常规服务。该项目还将开发地面保障基础设施，展示混合用途空域的价值。

图13 “护理平等”物流无人机项目，将开发医疗运送无人机网络的数字蓝图，能连接苏格兰各地的医院、实验室和诊疗室。

监控工业现场的遥控无人机项目

无人机指控专家Sees.ai公司正在领导一个监控工业现场的遥控无人机项目，以开发和测试远程的、集中操作的遥控无人机系统，用于检查和监控工业场所。测试将与无人机运营商泰拉无人机公司（Terra Drone）和天空未来公司（SkyFutures）合作，涉及建筑公司斯堪斯卡（Skanska）、塞拉菲尔德（Sellafield）核电站、兰开夏郡消防救援局、电信商沃达丰（Vodafone）和英国铁路网公司（Network Rail）。

“护理平等”物流无人机项目

拥有阿伯丁机场、格拉斯哥机场和南安普顿机场的AGS机场正在领导价值150万英镑的“护理平等”物流无人机（Caelus）项目（苏格兰“护理平等”物流无人机）。该项目从2020年12月开始，为期18个月，将开发医疗运送无人机网络的数字蓝图，该网络将能连接苏格兰各地的医院、实验室和诊疗室。

Caelus项目将在2021年下半年进行现场飞行试验。自主无人机网络投入运行后可以加快关键医疗用品的运送，缩短等待测试结果的时间，有助于在城市和偏远农村社区之间提供平等的医疗服务。团队成员包括NATS、无人交通管理提供商ANRA技术公司（ANRA Technologies）和无人机开发商艾利丹尼森（Avy）及德拉诺公司（Dronamics）。

自主智能机器人无人机综合运载系统项目

蓝熊系统研究公司将领导其自主智能机器人无人机综合运载系统（AIR DRUIDS）医疗运载计划，针对医疗物流定制无人机集群控制系统，以实现从中央控制中心超视距对大量无人机进行任务分配、调度和实时监控。

Air Druids计划将以蓝熊系统公司现有的经过验证的蜂群控制系统为基础。在计划初期，控制技术将用于医疗后勤运输中的关键项目，如血液样本、拭子、血液、血浆和其他关键医疗项目，运输路线可以是医院、全科医生外科手术、远程现场站之间或紧急运送到事故地点之间，并且集群控制系统将能运行医疗后勤飞行控制中心，实时执行任务，调度和监视大量无人机。

将医疗载荷无缝集成到现有的模块化开放式体系结构中，可提供实时的载荷监控功能，从而确保载荷内容的可行性和完整性。这种开放的体系结构将使其他公司能生产任务定制的载荷，使载荷轻松地集成到蓝熊公司整个系统中。灵活的系统设计还允许使用任何制造商的无人机，因为该项目与平台无关，该系统也可以量身定制，为基于无人机的物流网络提供动力。

该项目第一阶段将以超视距交付演示为核心。医学博士伊恩·威廉姆斯·韦恩（Ian Williams-Wynn）表示，多年来蓝熊公司一直致力于开发世界领先的集群无人机控制和物流系统，目前已完成多达20架无人机的飞行验证。下一步将调整核心系统，生产医疗专用载荷和软件应用程序，以展示关键医疗物流交付能力。

小结

在“未来飞行挑战赛”下，英国地区启动的其他项目还包括开发新的航空数据服务，使无人机在城市地区更安全、更高效地运作。例如，一个项目是使用闪光公司（Flare Bright）的自主配送无人机在0.9m分辨率的建筑物附近收集风力数据，这些数据将被Zenotech公司用于验证计算模型，模型通过云为无人机提供风速。而在另一个项目中，北爱尔兰贝尔法斯特的网络安全专家安戈卡公司（Angoka）将领导身份验证系统的开发，启用可信任的无人机识别服务，以保护通信链免受网络攻击。

除此以外，英国政府还计划通过“未来飞行挑战赛”资助计划，总计投资1.25亿英镑支持开发未来航空飞行器技术，促进新型电动或自动驾驶飞行器。除了提供资助，英国政府还成立了零排放航空理事会（Jet Zero Council），该理事会将推动政府和工业界建立合作伙伴关系，旨在促进可降低航空排放的新型技术和创新方法的发展。

所有这些已宣布的航空项目描绘了英国对下一代航空系统的愿景。新的航空系统将连接没有铁路直达的城市，改善英国乡村地区的旅游和物流，提高工业效率并改善医疗服务，共同实现英国的交通脱碳目标。