创新精神号：航空电推的探索与展望

解铁军

打破世界速度纪录

罗尔斯-罗伊斯公司宣布“创新精神”号全电动飞机于2021年11月16日以555.9公里/小时（345.4英里/小时）的速度飞行了3公里，打破了电动飞机速度世界纪录。在随后的测试中，“创新精神”号以532.1公里的时速飞行超过15公里，并用时202秒爬升到3000米，创造另两项新的世界纪录。这些速度纪录申请了国际航空运动联合会（FAI）认证，使“创新精神”号成为名副其实世界最快全电动飞机。

此前，电动飞机世界纪录于2017年由西门子使用Extra 330特技飞机改装的330LE电动飞机创造，最大飞行速度是210英里/小时（336公里/小时）。“创新精神”号打破并大大提高了该纪录。实际上，罗尔斯-罗伊斯于2019年收购了西门子的电动飞行业务单元， 并逐步将其技术和项目整合到罗尔斯-罗伊斯电动业务。

“创新精神”号全电动飞机项目于2018年启动。项目预算6百万英镑，其中一半由英国政府资助。参与公司主要包括ElectricFlight、YASA和罗尔斯-罗伊斯电动业务部门。项目启动时的主要目的是探索以多电或全电推进为代表的航空的第三个时代，力争打破全电动飞机速度的世界纪录，以此来展示罗尔斯-罗伊斯及其合作伙伴的技术专长和能力，从而推动可持续绿色净零碳航空承诺的实现。

“创新精神”号概况

“创新精神”号的机体部分使用成熟的竞速飞机平台Sharp Nemesis NXT。“创新精神”号使用72千瓦时电池，大功率飞行大约可持续8分钟。锂电池封装后能量密度为155瓦时/公斤，电池壳体是机体结构的一部分。

“创新精神”号串联安装三个独立的 750伏、133千瓦的电动机，总功率400千瓦共同驱动一副螺旋桨。包括电池包、控制器和电动机在内的主要驱动系统都装有主动冷却系统。机体结构重295kg，高压动力系统重200kg，电池系统重474kg，其它辅助系统及部件重175kg。

从上面的数据可以看出，系统中超过三分之一的重量是电池。在项目启动时，电动汽车界的电芯能量密度大约是240 wh/kg，由此对应的电池包能量密度大约是120 wh/kg。电芯和电池包辅助系统的重量比大约是50%比50%。“创新精神”号的主要挑战是将航空业控制安全的理念和设计标准带入到电池包的设计中，同时将电芯和电池包辅助系统的重量比提高到65%比35%。

不同于传统电动飞机将高能量密度作为主要的设计目标，“创新精神”号为了实现更高的速度，必须要提高飞机的功率密度。电动飞机的功率密度可以类比传统航空发动机的推重比，只有高功率密度才能支持更高的飞机飞行性能参数，比如速度或者机动性。为了实现高功率密度，“创新精神”号最快可以在8分钟内将电池包内的能量全部消耗，这在热管理和保证安全方面带来很高的挑战。

为了保证安全，“创新精神”号的电池包由三个电气上连接，但机械上独立的电池分包组成。这些电池包都由主动冷却系统来进行热管理。这种冗余设计提高了系统的安全性。电池包还进行了热失控的模拟。热失控模拟在60%充电状态、60度温度和创记录飞行的状态下进行。在人为将2个电芯加热到排气阀打开后，电池包在经历13个电芯熔化排气阀后停止热失控。为了实现热管理，抵御热失控，电池包的设计中采用多层级的防御措施。在电芯层仔细选择电化学设计、材料、电池生产工艺和电芯防御措施;在电芯选择上进行了大范围的电池表征;在电池组模设计中进行模块化设计并进行热测试;在电芯使用时严格控制使用参数;为了保证热包容，电池包带有快速压力释放功能并使用具有阻热能力的电芯分隔舱。

“创新精神”号打破速度世界纪录是罗尔斯-罗伊斯在电动航空推进领域多年探索和耕耘的一个小结。罗尔斯-罗伊斯已经进行了超过1500次电动飞行，总飞行电能超过1万7千多千瓦时。完成的试验项目有Magnus eFusion、Extra 330LE、Flight Design F2e、ByeAerospace eFlyer 2和City Airbus。正在进行的项目有 Tecnam P-VOLT 全电动通勤飞机、Do228亚兆瓦级支线飞机，APUS i5 混合推进项目等。罗尔斯-罗伊斯的目标是在本世纪20年代中期推出面向小型螺旋桨飞机、城市空中交通（UAM/AAM）和通勤市场的电动推进产品组合。这个组合包括电池包，电控和电动机。

航空电动推进有诸多优势。电动推进控制难度低、响应快，使它可以更方便快捷地应用在响应要求高的场合，比如城市空中交通（UAM/AAM）。与此同时，电动推进相对于燃气轮机的环境影响小，包括低/零空气污染、低噪音和低二氧化碳排放，这使电动推进适应性更高，并在航空可持续发展中发挥关键作用。航空电动推进的能源利用率也更高，在许多场景下高于往复式或燃气轮机推进系统;电池和电力电子器件近期的发展使航空电动推进成为可能。电动推进有可能带来新的出行方式，并重塑航空运输业。电动航空推进已经在一些领域展现出经济竞争力，比如说飞行培训领域。

在此背景下，基于在航空推进领域积累的行业经验和技术专长，罗尔斯-罗伊斯持续在电动航空领域进行投资。罗尔斯-罗伊斯是往复式发动机和燃气轮机领域的先驱和领导者，現在把电动航空当作航空的第三个时代未来重点发展。电动航空推进，同持续提高燃气轮机效率和扩大可持续航空燃料（SAF）的使用一起，构成了罗尔斯-罗伊斯推动可持续航空、实现净零碳的三大战略。希望“创新精神”号创造的速度世界纪录能让全社会更加关注航空电动推进的潜力，并共同促进航空电动推进的发展。

航空电动推进处于发展的初期，需要参与各方，特别是企业的持续的高质量创新活动来开发和应用新的技术;需要持续提高电动推进系统的能量密度、功率密度、可靠性、安全性和效率。电动航空推进的所有参与方，包括电芯、芯片等技术提供方，部件集成方和飞机集成方需要密切配合，对系统进行优化。将航空电动推进技术转变为适航的产品则需要相关法规和标准、测试方法和工业界同局方的密切沟通。最后，电动航空推进可能会重塑整个航空运输系统，影响机票预订，机场、空中交通管理以及包括电网在内的基础设施建设和改造。民航业界各方需要携手打造一个生态系统，共同促进大规模电动航空推进的早日实现，加速振奋后疫情时代民航的生机和活力，并为实现碳中和/净零碳排放做出贡献。