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助力航空减排 中国电动飞机发展之浅见

 2021-12-28 19:41:54 来源:民航资源网 作者:苗励刚  [投稿排行榜]

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      2021年10月1日,美国国家航空航天局(NASA)宣布以2.534亿美元奖励合同的方式选择了两家美国公司来支持其电动动力系统飞行演示(EPFD),该项目将通过地面和飞行演示使电动飞机推进(EAP)技术迅速成熟。通过EPFD项目,NASA寻求在不晚于2035年将电动飞机推进技术引入美国的航空机队,支持短程和区域商业航空旅行。

      其中通用电气航空(GE Aviation)获得1.79亿美元,而致力于航空电动机技术的MagniX获得的合同价值为7430万美元。

      MagniX此前曾推出了两款航空电力推进装置,Magni350和Magni650,输出功率分别为350kW和650kW。

      MagniX在2019年将一架德哈维兰 Beaver水上飞机进行了电动化改造,并在2020年试飞了一架全电动化改造的Cessna 208B“大篷车”飞机。

      2021年8月,DHL从Eviation公司订购12架全电动的Alice飞机,计划2024年开始交付,而Alice装配的正是Magni650。

      NASA是公认的世界范围内航空航天研究的权威机构,其涉足的领域一直是人类科技探索的前沿。在人类社会达成以减少碳排放来控制全球变暖的环保共识的大背景下,NASA加快电动飞机推进技术迅速成熟的举措,无疑昭示了一个技术发展的方向。而在航空发动机领域占据绝对市场份额优势的GE Aviation也从事电动飞机推进技术的研究,则更令人们对这项技术的商业应用充满期待。

    资本关注

      资本在电动飞机领域的表现同样令人关注,据2021年12月15日在湖北宜昌举办的国际电动航空论坛上透露的信息:

      今年全球范围内电动航空单笔额度超过3000万人民币的融资超过25起,涉及约20个项目;其中融资额1000万美元以上的21起,涉及17个项目;融资5000万美元以上的也有11个项目,出人意料的是融资1亿美元以上的居然还有9个,甚至这9个之中还有3个是两个月内相继在纽交所和纳斯达克上市的。

      在今年全球电动航空项目融资浪潮中,中国的表现同样非常抢眼,不到6个月时间里有5个项目获得融资,其中最引人注目的是9~10月有三个项目相继获得大额融资:

      时的科技获得1000万美元种子(+)轮融资,峰飞航空获得1亿美元A轮融资,小鹏汇天获得5亿美元A轮融资。

      小鹏汇天创始人兼CEO赵德力在此次的宜昌论坛上发言:飞行汽车,我们更倾向于定义它是“会飞的汽车”,而不是“可以当车开的飞机”。全球通航飞机每年销量只有4000架左右,但是汽车每年是8000万到1亿辆,其中百万级的豪车有100~200万的销量,如果飞行汽车能吃到1~2%的份额,空间也非常大了。用造车的概念去做eVTOL(电动垂直起降),才能破圈,支撑起一个公司数百亿的销售额。

      小鹏汇天的赵总讲的显然是一个资本听的懂的故事,如果只是一个年产数千架通用飞机的市场,肯定吸引不到资本的眼球。但即便是将eVTOL仅仅聚焦在小众的“豪车”市场,是不是就一定现实可行呢?

      好比汽车在公路上行驶要遵守交规以及服从交警的指挥一样,飞行器在空中飞行并非“天高任鸟飞”,飞机的商业飞行有固定的航路和起降场地,而且也必须遵循空中交通管理规则,只不过在飞机中的乘客没有那么明显的感觉而已。

      各级政府主管部门对电动飞机这种新事物持积极的鼓励和扶植态度,但是否就能形成一套针对eVTOL切实可行的运行管理体系还任重而道远,不仅仅是中国,其它国家同样面临类似的问题。因此,虽然有资本的追捧,eVTOL最终能否形成一个完整的产业集群还值得进一步的观察。

    电动飞机推进技术

      仔细分析NASA对电动动力系统飞行演示(EPFD)项目的定义,就会发现NASA在电动飞机推进技术成熟化的这个项目上已经考虑了它的应用场景:

      “电动动力系统飞行演示项目正在与美国工业界和学术界合作,以确定和测试使飞机由兆瓦级动力系统推动的技术,这将支持使用单通道运输机为短程和区域市场服务的商业航空旅行”。

      所以,笔者认为现有飞机的电动化改造以及基于现有民航运行体系的电动飞机的研制应该是电动飞机的现实发展方向,尤其是对于中国的航空工业。

      中国航空工业的一个明显短板就是航空发动机,虽然军机可以由国产发动机提供动力,但在民机领域完全是清一色的国外发动机,所有民机选装的各式发动机均是GE、RR、PW、CFM等公司的产品。即使中国商飞研制的号称具有完全知识产权的ARJ21和C919飞机也是选装GE的CF34-10A和CFM的LEAP发动机。

      2016年国务院印发《“十三五”国家科技创新规划》,将航空发动机及燃气轮机列入我国面向2030年要部署的与国家战略长远发展和人民生活紧密相关的科技创新重大项目。但这个行业被国际巨头把持多年,要想取得一丝一毫的进展,不仅要取得关键技术上的突破,而且更要突破专利、行业标准等带来的商业壁垒,作为追赶者,要想完成对领先者的“超越”,其难度之大可以想象。

      电动机是在工业领域被广泛应用的技术,NASA支持电动动力系统飞行演示要达到的目的是使电动飞机推进技术“迅速成熟”,而非发展一个全新技术。电动机这一领域中国与先进国家的差距并不大,在某些方面我们甚至还有自己领先的技术,将这些技术应用于电动飞机推进系统,有希望实现航空发动机的“弯道超车”。也许无法替代大推力的涡扇航空发动机,但取代涡桨发动机作为中小型客、货运飞机的动力装置是完全有可能的,并且有着广阔的商业应用场景。

      影响电动飞机的另一项关键技术就是电池,由于飞行器对重量有着极其严苛的要求,因此目前在电动汽车上得以广泛应用的锂电池对于飞机的长航时飞行还存在明显的不足。能量存储是新能源行业面临的共性问题,期待储能技术的突破能够为包括航空在内的所有能源依赖行业带来革命性的改变。

    应用场景

      按照目前的技术水平以及可能的商业应用,电动飞机比较现实的切入点是在通用航空领域找到合适的应用场景。

      熟悉通用航空的人都知道,通航的应用范围很广,除了公共航空运输以外的航空飞行都可以归类为通用航空。但为什么以从事工业、农业、林业、渔业和建筑业的作业类通用航空整体上仍是惨淡经营呢?说到底,通航的应用虽广,但大多数应用形不成长期稳定的商业运营,更多情况下就是开着飞机“打短工”,通航企业的收入不稳定,自然就谈不上良性经营。

      另一方面,通航飞行器的运行成本也是居高不下,其中航油、飞机/发动机的维修、飞机拥有成本等是主要的成本构成因素,而且是通航企业自身难以控制的成本。不稳定的业务和高企的成本形成负向循环,使得通航企业的市场运营难上加难。

      而相比传统的燃油航空发动机,电动飞机推进技术的优势是可以大幅降低能源消耗成本和维护维修成本。根据MagniX的评估,对于10名乘客、100英里(161千米)的飞行,原有飞机大致要消耗400美元的燃油,而电动机的消耗仅12美元;相比燃油发动机,Magni500电动机仅有1个活动部件,其磨损和故障大大降低。由此,电动机取代燃油发动机可以显著改善飞行器的运行成本,使得通航企业更具竞争力。如果考虑碳税对航空企业成本的影响,电动飞机的成本优势还将进一步扩大。

      影响通航发展的制约因素很多,不可能在短期内“毕其功于一役”来解决所有的问题,即使不对现有的民航运行体系进行大的变动,仅就电动通航飞机以技术突破可以大幅降低通航飞机运行成本而言,整个通航产业的面貌都将大为改观,中国电动汽车产业近年来的蓬勃发展已经为这种憧憬标记了完美的注脚。

    电动化改造

      以中航哈尔滨飞机工业集团有限责任公司设计生产的Y12系列飞机为例,该系列飞机是一款取得FAA型号认证的通用飞机。假设在此行飞机的基础上,对其现有动力装置进行电动化改装,如能取得成功,不仅可以形成真正具有完全知识产权的中国航空动力,摆脱对国外航空发动机的长期依赖,而且会以此型号为引领,带动国内电机、储能等行业的技术进步,进一步完善航空产业链。

      事实上,前文列举的MagniX将一架德哈维兰Beaver水上飞机进行电动化改造,以及试飞一架全电动化改造的Cessna 208B“大篷车”飞机便是电动化改装现有飞机型号的范例。

      ZeroAvia是一家于2017年创立英国/美国的氢电飞机开发商,该公司于2021年12月14日和加拿大德哈维兰飞机有限公司签订了一份谅解备忘录,为德哈维兰的飞机型号开发一个生产线和改装计划,在新飞机和在役飞机上使用氢电推进系统。两家公司打算共同为Dash 8-400飞机提供服务通告(SB),将ZeroAvia公司的氢电发动机作为新飞机的生产线选项,并为在役飞机开发一个OEM(原厂)批准的改造计划。

      显然,国外的新能源科技公司和飞机制造商联手在走现有飞机型号电动化改装的路子,与开发一种全新的电动飞机机型相比,改装之路会大大缩短型号取证时间,使得成熟飞机型号的电动版能尽早投入商用,抢占市场先机。

    总结

      如标题所示,本文是笔者对中国电动飞机发展的个人见解。如果从项目立项的角度,需要考虑和进一步专业论证的因素还有很多,如电机在航空环境下的技术和安全特性,电机及储能系统的取证,电动飞机运行的成本量化分析,机场设施对电动飞机运行的支持等。

      希望通过此文“抛砖引玉”,吸引更多的企业和个人,乃至主管部门关注和重视电动飞机的发展趋势,为中国航空工业找寻到一条赶超世界航空先进水平的发展之路。

      另外,进一步研究MagniX和ZeroAvia这两家高技术初创公司的例子也可以看出,资本不仅青睐eVTOL这样的前沿概念,同样也垂青传统行业中的创新之举。在中国经济发展进入新时代的大背景下,资本助力中国航空工业在新一轮技术革命浪潮中实现跨越发展也同样大有可为。

      (特别感谢原哈尔滨安博威飞机制造公司副总经理蒋达先生,他具有丰富的飞机研发和生产管理经验,为本文提供了许多宝贵意见。)

      ——作者简介:苗励刚,1992年毕业于西北工业大学飞机系,曾先后在中航工业飞机结构强度研究所以及国内多家航空公司工作,现供职于中国飞机租赁集团控股有限公司(香港),任中国区销售及市场部高级副总裁。

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