紀(jì)宇晗，孫俠生，俞笑，吳佳茜

1.中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心，北京 100029

2.中國航空研究院，北京 100012

2020 年，我國正式提出雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)，預(yù)計到2030 年非化石能源消費(fèi)比重達(dá)到25%，爭取實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰戰(zhàn)略目標(biāo)；2060年全面建立清潔低碳高效的能源體系，爭取實(shí)現(xiàn)碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，航空產(chǎn)業(yè)占我國碳排放總量的比重越來越高，發(fā)展新能源航空是響應(yīng)國家雙碳戰(zhàn)略要求，實(shí)現(xiàn)航空產(chǎn)業(yè)高效可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。本文對全球新能源航空發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析，為我國新能源航空的發(fā)展提供了參考借鑒，針對我國戰(zhàn)略需求提出新能源航空發(fā)展路線圖和總體規(guī)劃，為我國航空產(chǎn)業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型提供了重要的理論支撐。

1 背景介紹

從世界上第一架飛機(jī)發(fā)明到現(xiàn)在有超過100 年的歷史，飛機(jī)對擴(kuò)大人類的活動空間、加快社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和節(jié)約人類交流的時間起到了極大的推動作用，但飛機(jī)在帶來許多便利的同時也對人類賴以生存的環(huán)境造成了危害。全球航空業(yè)快速發(fā)展對環(huán)境造成的危害主要體現(xiàn)為三點(diǎn)：首先，飛機(jī)飛行帶來的化石燃料廢氣排放必然導(dǎo)致空氣污染；其次，發(fā)動機(jī)排放的溫室氣體加速全球變暖，導(dǎo)致更嚴(yán)重的環(huán)境問題；最后，在飛機(jī)起飛和降落時，巨大的噪聲會給機(jī)場附近的生產(chǎn)生活帶來影響。

新冠肺炎疫情暴發(fā)之前，全球航空業(yè)的需求處于不斷增長階段。研究表明[1]，目前民航碳排放量約占全球碳排放的2.5%～4%，從2015 年到2019 年航空業(yè)造成的直接二氧化碳排放量增加34%。盡管新冠肺炎疫情導(dǎo)致全球航空業(yè)出現(xiàn)階段性停擺，但是隨著疫情逐漸得到控制，航空運(yùn)輸業(yè)逐步恢復(fù)，未來幾年航空業(yè)二氧化碳排放量將繼續(xù)增大。即使能達(dá)到每年燃油效率提升2%，航空業(yè)年增長率3%～4%的理想狀態(tài)，按目前航空業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)計2050 年航空業(yè)造成的二氧化碳排放量仍將超過1500億噸，較2019年的600億噸增長近1.5倍[2]，如圖1所示。全球航空業(yè)對環(huán)境的壓力持續(xù)增大，如何緩解飛機(jī)對環(huán)境的影響已經(jīng)成為亟待解決的問題。

圖1 2000—2050年全球航空業(yè)歷史及預(yù)測碳排放量Fig.1 Historical and projected carbon emissions from global aviation(2000-2050)

國際航空相關(guān)組織致力于推動航空碳減排，對飛機(jī)碳排放要求越來越嚴(yán)格。2016年，國際民航組織（ICAO）確定“國際航空碳抵消及減排機(jī)制”（CORSIA）的實(shí)施框架，以期航空業(yè)在2035 年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2050 年實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。2021年，航空運(yùn)輸行動小組（ATAG）發(fā)布聲明承諾：全球民航運(yùn)輸將在2050年實(shí)現(xiàn)凈零碳排放目標(biāo)。

近年來，我國民航業(yè)同樣重視綠色低碳航空的發(fā)展。2021 年12 月，中國民用航空局發(fā)布《“十四五”民用航空發(fā)展規(guī)劃》，將建設(shè)“綠色航空”作為我國航空運(yùn)輸業(yè)發(fā)展的主要目標(biāo)之一，明確要求2025年航空運(yùn)輸噸公里二氧化碳排放量相比2020年下降4.5%，單位旅客能耗下降10%。但根據(jù)我國民航局在新冠疫情前的統(tǒng)計數(shù)據(jù)[3]，2020 年以前中國航空運(yùn)輸業(yè)二氧化碳排放量年均增幅為14.8%，減碳任務(wù)面臨巨大壓力。

新能源飛機(jī)是以實(shí)現(xiàn)未來零碳排放飛行為目標(biāo)，使用氫能或電能等新型能源來減少航空運(yùn)輸業(yè)對污染大的化石能源依賴的綠色航空技術(shù)新型飛行器。新能源飛機(jī)的應(yīng)用可以減少航空碳排放，讓乘客以更環(huán)保的方式進(jìn)行航空旅行，有助于應(yīng)對氣候變化，邁向更綠色的未來。美國國家航空航天局（NASA）研究認(rèn)為[4]，電推進(jìn)飛機(jī)可實(shí)現(xiàn)節(jié)能超過60%、減排超過90%、降噪超過65%的潛在收益。歐盟認(rèn)為氫動力飛機(jī)是實(shí)現(xiàn)歐洲2050 年碳排放要求的唯一途徑[5]。新能源飛機(jī)是一次對飛機(jī)能源系統(tǒng)的革命，與電動汽車的發(fā)展軌跡一樣，它改變了傳統(tǒng)飛行器的設(shè)計思路，從綠色環(huán)保、高效節(jié)能理念出發(fā)，優(yōu)化了整個飛行器的設(shè)計，極大地提高了飛行器的環(huán)保性、舒適性、維修性以及經(jīng)濟(jì)性，代表了先進(jìn)飛行器技術(shù)的發(fā)展方向[6]。

為了實(shí)現(xiàn)航空碳減排，飛機(jī)使用的新能源主要有兩種方案：第一種方案是使用可持續(xù)航空燃料（SAF）[7]，包括生物燃料、合成燃料等，減少化石能源使用，使航空業(yè)實(shí)現(xiàn)碳減排；第二種是開發(fā)新的推進(jìn)技術(shù)，包括氫燃料電池/氫燃料渦輪推進(jìn)[8]、電推進(jìn)/混合電推進(jìn)[9]等方式，消除或減少飛機(jī)造成的二氧化碳排放。電推進(jìn)主要包括三項(xiàng)核心技術(shù)[10]：儲能電池（鋰離子電池、燃料電池、太陽能電池、超級電容或其他種類的電池等）、高效電機(jī)、電力電子控制設(shè)備。這種推進(jìn)方式結(jié)構(gòu)相對簡單，但存在電池能量密度“瓶頸”，主要應(yīng)用于城市空運(yùn)、通用飛機(jī)、無人機(jī)或中小型支線飛機(jī)?；跉淠茉吹臍淙剂想姵?氫燃料渦輪推進(jìn)是實(shí)現(xiàn)航空碳減排的重點(diǎn)研究方向。與化石能源相比，其優(yōu)勢是可以完全消除二氧化碳排放，且氫能源可以實(shí)現(xiàn)無碳生產(chǎn)；與電推進(jìn)相比，壓縮后的氫在重量和體積上都具有更高的能量密度，可以應(yīng)用于中大型的干/支線飛機(jī)，在以實(shí)現(xiàn)碳中和為目標(biāo)的航空新時代，氫能源有可能成為未來飛機(jī)的關(guān)鍵能源之一。

全球航空產(chǎn)業(yè)由于高門檻、高依存度、高投入/高附加值的特點(diǎn)，行業(yè)壁壘極高，先發(fā)優(yōu)勢明顯，領(lǐng)頭企業(yè)具有較強(qiáng)的壟斷地位。我國的航空產(chǎn)業(yè)起步較晚，在技術(shù)儲備、產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展、市場份額、品牌價值、標(biāo)準(zhǔn)與法律制定等方面明顯落后于歐美航空強(qiáng)國，很難在短期內(nèi)縮短傳統(tǒng)化石能源航空產(chǎn)業(yè)的差距。以新能源飛機(jī)為代表的全球航空產(chǎn)業(yè)“綠色低碳”轉(zhuǎn)型是我國航空產(chǎn)業(yè)的重大機(jī)遇，有望打破歐美航空強(qiáng)國的壟斷地位，實(shí)現(xiàn)航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“換道超車”。

2 新能源航空發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 全球發(fā)展趨勢

全球新能源飛機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈與傳統(tǒng)航空器具有相似的體系結(jié)構(gòu)，一般以整機(jī)主承包商為核心，系統(tǒng)承包商、分系統(tǒng)承包商、零部件供應(yīng)商和原材料供應(yīng)商共同參與、相互支撐，采用“主承包商+四級配套供應(yīng)商”集群式發(fā)展模式，如圖2所示。主要不同點(diǎn)如下：（1）新能源飛機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈中位于上游的主承包商，除波音、空客、洛克希德·馬丁等傳統(tǒng)巨頭外，新加入了大量航空初創(chuàng)公司，主要聚焦城市空運(yùn)（UAM）和通用航空（GA）市場；（2）產(chǎn)業(yè)鏈中游吸引了許多非航空供應(yīng)商加入，主要提供大功率電機(jī)、各種電池、電力電子控制系統(tǒng)等新能源飛機(jī)部件，此外加入了氫能、SAF等綠色航空能源運(yùn)輸與存儲的基礎(chǔ)設(shè)施供應(yīng)商；（3）綠色可持續(xù)能源生產(chǎn)供應(yīng)商在產(chǎn)業(yè)鏈下游的占比和重要程度大幅增加，綠色氫燃料和SAF的產(chǎn)能成為新能源飛機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈的核心。

圖2 典型新能源航空產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)Fig.2 Industrial chain structure of new energy aviation

全球新能源飛機(jī)市場正在蓬勃發(fā)展。羅蘭貝格咨詢公司預(yù)測[11]，UAM在投入運(yùn)營后將以每年46%的復(fù)合增長率擴(kuò)張，到2040 年將有43 萬架新能源通勤飛機(jī)投入使用，到2050年全球95個主要城市將會有9.8萬架新能源通勤飛機(jī)運(yùn)營；摩根士丹利咨詢公司認(rèn)為[12]，到2040 年城市空運(yùn)和通用航空市場規(guī)模將達(dá)到1.5萬億美元，其中中國將占據(jù)約1/4的市場份額。

根據(jù)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計，全球范圍內(nèi)目前有約300型新能源飛機(jī)項(xiàng)目正在進(jìn)行中[13]，見表1。新能源將會給機(jī)場、航空公司、飛機(jī)租賃公司和制造商帶來巨大的影響。從項(xiàng)目投資方來看，約有60%的項(xiàng)目是由創(chuàng)業(yè)公司和獨(dú)立人士投資的，現(xiàn)有航空公司占了30%投資，其他10%左右的投資來自機(jī)構(gòu)和其他企業(yè)，如NASA，以及包括西門子和谷歌在內(nèi)的大型非航空公司，這些數(shù)據(jù)凸顯出來自傳統(tǒng)航空和國防領(lǐng)域外的興趣與航空業(yè)內(nèi)相比是更強(qiáng)的。從產(chǎn)品定位來看，大多數(shù)電動飛機(jī)都在朝著通用航空或城市空運(yùn)方向發(fā)展，10座級以下的UAM項(xiàng)目超過90%，10座級以上的項(xiàng)目約占10%。從項(xiàng)目來源地區(qū)來看，大部分的項(xiàng)目都在傳統(tǒng)的航空市場，即歐洲（48%）和美國（35%）。但在其他地方也有一些值得注意的動向，特別是中國億航公司的億航184電動垂直起降飛機(jī)（eVTOL）、以色列Eviation公司的“愛麗絲”電動支線飛機(jī)、巴西航空工業(yè)公司與優(yōu)步合作提出的空中出租車概念等。從技術(shù)方案來看，純電和油電混動項(xiàng)目超過85%，其余15%為氫動力和SAF，近年來的新項(xiàng)目中氫動力方案數(shù)量上升，約占2021年新項(xiàng)目的1/3。

表1 全球新能源飛機(jī)研發(fā)項(xiàng)目分布Table 1 Global distribution of new energy aircraft projects

2.2 新能源飛機(jī)種類

新能源飛機(jī)按照能源供給方式主要分為電動飛機(jī)和氫動力飛機(jī)，除此以外，還有使用SAF的飛機(jī)。電動飛機(jī)按照電力供給方式[14]的不同，又分為太陽能飛機(jī)（采用光伏電池，根據(jù)太陽的輻照度與光線的傾斜度，將光能轉(zhuǎn)化為電能，為飛行器的推進(jìn)系統(tǒng)與電子設(shè)備供電，并將多余的能量存儲在電池中）、儲能電池飛機(jī)（采用鋰電池等給電動飛機(jī)供能）、燃料電池飛機(jī)（采用氫燃料電池、固體氧化物燃料電池等給電動飛機(jī)供能）。為了統(tǒng)一分類標(biāo)準(zhǔn)，本文將氫燃料電池飛機(jī)劃分到氫動力飛機(jī)類別下。

氫動力飛機(jī)包括作為新型燃料用于大型飛機(jī)傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)、燃料電池中的燃料產(chǎn)生電力這兩種形式。作為一種燃料，氫的重量是同等能量的噴氣燃料的三分之一，但即使是低溫液態(tài)氫的體積也要比同等能量的噴氣燃料大兩倍[15]。因此，要將氫應(yīng)用于飛機(jī)的推進(jìn)系統(tǒng)，就需要體積更大的儲氫設(shè)備，并對飛機(jī)的燃油系統(tǒng)進(jìn)行根本性的改變[16]。而另一將氫應(yīng)用于航空業(yè)的挑戰(zhàn)是其在全球范圍內(nèi)大規(guī)模使用的可獲得性，以及生產(chǎn)綠色氫所需的基礎(chǔ)供應(yīng)設(shè)施等。

2.3 電動飛機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，作為世界航空業(yè)先進(jìn)水平的代表，美國和歐洲多家飛機(jī)制造商與科研機(jī)構(gòu)高度關(guān)注新能源飛機(jī)研究。NASA于2015年提出了電動飛機(jī)發(fā)展路線圖[17]，在多條技術(shù)路線上同步開展研究，如圖3 所示。NASA 針對分布式電推進(jìn)技術(shù)開展了X-57 麥克斯韋驗(yàn)證機(jī)計劃[18]，目前已完成地面高壓和地面振動試驗(yàn)，如圖4所示；針對波音737量級飛機(jī)開展了STARC-ABL混合動力飛機(jī)研究[19]，尾部加裝2.6MW電動機(jī)，采用邊界層抽吸技術(shù)，預(yù)計可降低阻力7%～12%；針對混動支線飛機(jī)開展基于ATR42-500 的飛機(jī)改造，機(jī)翼上有4 個螺旋槳、尾部還增加1 個螺旋槳，已完成樣機(jī)設(shè)計。

圖3 NASA電動飛機(jī)發(fā)展路線圖Fig.3 NASA’s roadmap for electric aircraft

圖4 NASA X-57分布式電動飛機(jī)Fig.4 NASA X-57“Maxwell”all-electric aircraft

2017年10月，賽峰集團(tuán)公布了其電推進(jìn)技術(shù)發(fā)展路線圖，如圖5所示。該路線圖認(rèn)為，2030年前實(shí)現(xiàn)初步混合動力推進(jìn)（起飛、爬升和慢車推力的10%為電力提供）；2035年實(shí)現(xiàn)帶邊界層吸入的混合分布式電推進(jìn)（推力的20%～50%為電力提供）；2040 年實(shí)現(xiàn)100%電推進(jìn)；近期關(guān)注更大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)。

圖5 賽峰公司電推進(jìn)技術(shù)發(fā)展路線圖Fig.5 Safran electric propulsion technology development roadmap

羅羅公司于2019年提出“21世紀(jì)電推進(jìn)飛機(jī)戰(zhàn)略發(fā)展計劃”，主要在三個方向開展并行研究：（1）針對多電飛機(jī)需求的嵌入式起動/發(fā)電機(jī)項(xiàng)目，如E2SG 和英國“暴風(fēng)”五代機(jī)項(xiàng)目；（2）在大飛機(jī)上開展電氣化關(guān)鍵部件技術(shù)驗(yàn)證，打造全球最強(qiáng)飛機(jī)發(fā)電機(jī)；（3）在小型通用飛機(jī)上開展電推進(jìn)飛機(jī)概念驗(yàn)證，如推動電推進(jìn)技術(shù)發(fā)展的“加速飛行電氣化”（ACCEL）項(xiàng)目和Volante 項(xiàng)目。2021 年9 月，搭載了功率400kW 電動系統(tǒng)和有史以來最高功率密度飛機(jī)電池組的羅羅電動飛機(jī)“創(chuàng)新精神”首飛，如圖6所示。

圖6 羅羅“創(chuàng)新精神”電動飛機(jī)Fig.6 Rolls-Royce“Spirit of Innovation”all-electric aircraft

國內(nèi)外還有數(shù)十家企業(yè)開展了電動飛機(jī)研制。自2016年以來，全球10家領(lǐng)先的電動航空初創(chuàng)公司和項(xiàng)目總共籌集了超過20億美元資金，主要聚焦城市空運(yùn)和電動垂直起降飛機(jī)領(lǐng)域[20]。在通勤電動飛機(jī)領(lǐng)域，以色列Eviation公司率先布局，開發(fā)出“愛麗絲”電動飛機(jī)，如圖7所示。愛麗絲是一款由三個電動機(jī)驅(qū)動推進(jìn)螺旋槳的9座全復(fù)合材料飛機(jī)，三個推進(jìn)螺旋槳中的一個安裝在飛機(jī)尾部，另兩個安裝在機(jī)翼翼尖，螺旋槳在翼尖渦流中旋轉(zhuǎn)，可提高推進(jìn)效率。該機(jī)最大起飛重量為6350kg，機(jī)身內(nèi)安裝有3800kg 電池，可提供900kW?h 的能量，電池重量占飛機(jī)總重的60%?？墒箰埯惤z飛機(jī)的航程達(dá)到1000km，巡航速度達(dá)到444km/h。

圖7 “愛麗絲”電動飛機(jī)Fig.7 “Alice”all-electric aircraft

中國銳翔公司的RX1E雙座電動輕型運(yùn)動飛機(jī)于2012年立項(xiàng)，2013年6月首飛，2014年10月完成適航審定試飛，2015年2月獲得型號設(shè)計批準(zhǔn)書（TDA），2015年12月獲得生產(chǎn)許可證（PC），2017 年初被批準(zhǔn)加入運(yùn)營。RX1E 飛機(jī)是中國第一款新能源輕型電動飛機(jī)，是世界首款獲得適航型號合格審定證書和生產(chǎn)許可證書的新能源通用飛機(jī)。銳翔公司隨后推出了增程改進(jìn)型號RX1E-A，并在RX1E、RX1E-A關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和型號研制基礎(chǔ)上研制了四座電動飛機(jī)RX4E，該機(jī)型于2019年10月成功首飛。

中國億航公司研發(fā)了億航184（單座，8螺旋槳，4懸臂）和億航216（雙座，16螺旋槳，8懸臂）電動垂直起降飛機(jī)，已在中國以及奧地利、卡塔爾、日本等多個國家完成載人試飛。

2.4 氫動力飛機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

美國、蘇聯(lián)等早在20世紀(jì)50年代就開展了氫燃料飛機(jī)的試驗(yàn)，主要用于軍機(jī)和無人機(jī)。1955 年，美國在B-57B上開展了液氫燃料的試驗(yàn)飛行；1988 年，蘇聯(lián)的圖-155 的三個發(fā)動機(jī)中的一個使用氫燃料驅(qū)動；2004 年，美國在X-43A超高速飛機(jī)上的超燃發(fā)動機(jī)使用了氫燃料[21]；2012年，波音的“幻影眼”無人機(jī)使用液氫作為能源開展試飛。

隨著技術(shù)發(fā)展與商用航空減排的要求，面向商用航空的氫動力技術(shù)開始得到關(guān)注。2020 年，空客公布了三款ZEROe 氫動力概念機(jī)[22]，目標(biāo)是在2035年前開發(fā)出全球首款零碳排放商用飛機(jī)，如圖8所示。三款ZEROe 氫動力概念機(jī)分別是使用渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)的1 號概念機(jī)、使用渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)的2 號概念機(jī)以及混合翼（BWB）3 號概念機(jī)，其中使用渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)的1 號概念機(jī)使用兩個混合氫渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)提供推力，其液氫儲存與分配系統(tǒng)位于后壓力艙壁后；使用渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)的2 號概念機(jī)由兩個混合氫渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)驅(qū)動八葉螺旋槳提供推力，其液氫儲存與分配系統(tǒng)同樣位于后壓力艙壁后；混合翼（BWB）3號概念機(jī)超寬的內(nèi)部空間則為氫的儲存與分配提供了多種選擇，其液氫儲存罐存放在機(jī)翼下方，兩個混合氫渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)為其提供推力。

圖8 空客ZEROe氫動力飛機(jī)Fig.8 Airbus“ZEROe”hydrogen-powered aircraft

除此以外，美國ZeroAvia公司的HyFlyer Ⅱ是目前起飛重量最大的氫燃料電池飛機(jī)，巡航功率150kW；德國DLR在開展1.5MW 級燃料電池的研究[23]，可用于小型支線客機(jī)；ATR 公司成立了為ATR 42/72 支線客機(jī)配備低排放混合動力系統(tǒng)的ATR EVO項(xiàng)目，通用氫公司正在開發(fā)液氫儲存和分配系統(tǒng)，計劃在2025年對ATR 72進(jìn)行氫燃料電池混合動力改裝。

3 新能源航空發(fā)展路線

3.1 總體規(guī)劃

《巴黎協(xié)定》對全球改善飛機(jī)環(huán)保性能提出新要求，營造綠色航空的呼聲越來越高。國際民航組織、美國和歐洲都制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)和指導(dǎo)文件，從節(jié)能、減排和降噪等方面引領(lǐng)綠色航空發(fā)展。本文也將從上述角度探討我國的新能源航空發(fā)展規(guī)劃。

我國的綠色航空總體規(guī)劃應(yīng)充分考慮雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)和國內(nèi)航空產(chǎn)業(yè)實(shí)際發(fā)展情況，以2030年碳達(dá)峰和2060年碳中和為關(guān)鍵時間節(jié)點(diǎn)。在2030 年以前主要依靠改進(jìn)現(xiàn)有飛機(jī)、提高航空燃料生產(chǎn)工藝、優(yōu)化民航運(yùn)營等常規(guī)手段降低碳排放，在2030年到2060年重點(diǎn)進(jìn)行新能源航空制造業(yè)和燃料生產(chǎn)的轉(zhuǎn)型升級，最終實(shí)現(xiàn)相比2019年新冠肺炎疫情前的二氧化碳排放峰值降低50%的碳中和目標(biāo)。本文對我國航空運(yùn)輸業(yè)減少碳排放的路線和各工業(yè)部門貢獻(xiàn)占比進(jìn)行了預(yù)測，如圖9所示。

圖9 2020—2060年我國航空業(yè)減少碳排放路線圖Fig.9 Road map for reducing carbon emissions in China's air transport industry(2020-2060)

綜觀全球新能源航空產(chǎn)業(yè)，以eVTOL為代表的城市空運(yùn)發(fā)展迅速，但未來會占航空運(yùn)輸業(yè)減少碳排放絕大多數(shù)份額的新能源干支線飛機(jī)仍處于起步階段，各國企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)以技術(shù)論證和概念設(shè)計為主。我國的新能源航空階段性發(fā)展路線具體如下。

（1）短期新能源飛機(jī)發(fā)展路線

快速布局城市空運(yùn)市場，優(yōu)先發(fā)展混合動力飛機(jī)。在方案選擇上，純電動飛機(jī)是城市空運(yùn)機(jī)型的熱門方案，但因其存在電池能量密度“瓶頸”[24]，目前難以應(yīng)用于中大型干支線飛機(jī)。而針對中大型飛機(jī)的氫渦輪相關(guān)技術(shù)尚不成熟，因此氫燃料混合動力飛機(jī)是現(xiàn)階段發(fā)展支線或干線飛機(jī)的可行方案之一，國外航空企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)也大多數(shù)選擇了該方案。我國航空業(yè)應(yīng)優(yōu)先發(fā)展混合動力飛機(jī)。

（2）中長期新能源飛機(jī)發(fā)展路線

以氫燃料混合動力飛機(jī)為切入點(diǎn)，逐步過渡到完全的氫渦輪干/支線飛機(jī)。同時，積極培育國內(nèi)新能源飛機(jī)市場，開展新能源飛機(jī)在飛行培訓(xùn)、旅游觀光、客貨運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的試點(diǎn)運(yùn)營，推動新能源航空適航標(biāo)準(zhǔn)專業(yè)委員會工作，加速新能源飛機(jī)中國標(biāo)準(zhǔn)制定，并在2050年前后實(shí)現(xiàn)完全自主、覆蓋全部市場和產(chǎn)品線的新能源飛機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈。推動我國新能源航空的快速發(fā)展。

3.2 應(yīng)用場景

未來我國新能源飛機(jī)的主要應(yīng)用場景是UAM 和綠色民航運(yùn)輸（GAT）。其中城市空運(yùn)的黃金發(fā)展時期在2030年前，市場關(guān)注點(diǎn)是eVTOL、鋰離子電池、智能駕駛、智慧城市設(shè)施（充電、運(yùn)輸、管理和維護(hù)等），目前已具備從物流到通勤、從特需到日常逐步發(fā)展的軟硬件條件。GAT 的黃金發(fā)展時期在2040 年前，市場關(guān)注點(diǎn)是混合動力飛機(jī)、氫動力飛機(jī)、綠氫生產(chǎn)、氫存儲與運(yùn)輸、可持續(xù)航空燃料生產(chǎn)，發(fā)展投入周期較長，短期內(nèi)較難實(shí)現(xiàn)落地應(yīng)用，現(xiàn)階段以預(yù)研和技術(shù)攻關(guān)為主。

面向城市空運(yùn)市場的eVTOL、通勤飛機(jī)等機(jī)型（20座級以下）預(yù)計在2030年前可達(dá)到技術(shù)成熟度7級并投入大規(guī)模使用，能源方案以鋰電池為主，部分可采用氫燃料電池、SAF或混合動力等形式。面向傳統(tǒng)航空運(yùn)輸市場的新能源干/支線飛機(jī)發(fā)展周期較長，預(yù)計在2050 年前可達(dá)到技術(shù)成熟度7級并投入大規(guī)模使用，飛機(jī)型號將從20座級到60座級支線飛機(jī)（對標(biāo)ATR 42、新舟60，采用儲能電池/氫燃料電池—燃油混動）逐步向40座級到100座級支線飛機(jī)（對標(biāo)ATR 72、新舟700，采用氫燃料電池/氫渦輪）、100座級到300座級干線飛機(jī)（對標(biāo)空客A320、波音737，采用氫渦輪）發(fā)展。部分機(jī)型也可采用100%SAF或者氫/電與SAF混動方案。具體實(shí)施方向詳見下一節(jié)。

3.3 實(shí)施方案

在我國雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)之下，以航空煤油為動力來源的傳統(tǒng)飛行器難以完成減排降噪的目標(biāo)。新能源技術(shù)作為我國目前七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，尤其是新能源交通領(lǐng)域在政策支持、技術(shù)儲備、產(chǎn)業(yè)規(guī)模等方面已經(jīng)有了長足的發(fā)展，工業(yè)級的鋰電池能量密度達(dá)到250W?h/kg[25]，氫燃料電池系統(tǒng)功率密度達(dá)到0.75kW/kg[26]，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下電機(jī)功率密度達(dá)到4kW/kg[27]，高溫超導(dǎo)電機(jī)、復(fù)合材料氫燃料存儲罐、高效液氮冷卻裝置等技術(shù)取得關(guān)鍵性突破，總體設(shè)計、能源架構(gòu)、電氣元件等領(lǐng)域不斷發(fā)展，已經(jīng)具備新能源飛機(jī)研制和落地的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。但現(xiàn)階段航空領(lǐng)域的新能源技術(shù)發(fā)展水平距離完全取代傳統(tǒng)化石燃料還很遠(yuǎn)，多項(xiàng)性能指標(biāo)仍存在“瓶頸”[28-29]。新能源動力系統(tǒng)與傳統(tǒng)動力系統(tǒng)的性能參數(shù)對比如圖10所示。

圖10 新能源動力系統(tǒng)與傳統(tǒng)動力系統(tǒng)的性能參數(shù)Fig.10 Comparison of performance parameters between new energy power system and traditional power system

新能源飛機(jī)按照用途、航程和載客（貨）量可分為城市空運(yùn)飛機(jī)（以eVTOL、通勤飛機(jī)為主）、支線客機(jī)、中型干線客機(jī)、大型干線客機(jī)和超大型干線客機(jī)。綜合考慮飛機(jī)性能指標(biāo)、技術(shù)成熟度、市場需求、產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展、法律法規(guī)等因素，不同型號新能源飛機(jī)所選擇的動力系統(tǒng)技術(shù)方案最終會收斂到某個優(yōu)勢區(qū)間，如圖11 所示。其中，電推進(jìn)飛機(jī)的航程與載荷受限于鋰電池能量密度，適用于載客量20 座級以下、航程100km以下的城市空運(yùn)型號。氫燃料電池飛機(jī)的能源系統(tǒng)復(fù)雜度與綜合成本大于鋰電池，10座級以下無顯著優(yōu)勢。航程與載荷受限于氫燃料電池功率密度“瓶頸”，適用于載客量80座級以下、航程1500km以下的支線客機(jī)或中型干線客機(jī)。氫渦輪飛機(jī)的能源和動力系統(tǒng)復(fù)雜度與綜合成本大于氫燃料電池，小型化難度較高?！熬G氫”產(chǎn)能受限，液氫能量體積密度低，存儲系統(tǒng)供能效率受限，適用于載客量300 座級以下、航程10000km以下的中型或大型干線客機(jī)。可持續(xù)航空燃料飛機(jī)在整機(jī)層面的技術(shù)難度和改裝成本較低，其市場應(yīng)用主要受限于生產(chǎn)成本、產(chǎn)量和碳排放等因素。對于300座級以上、航程10000km 以上的超大型干線客機(jī)，目前的技術(shù)水平尚不足以支撐型號推出，需要根據(jù)未來突破性技術(shù)的發(fā)展情況做進(jìn)一步研究。對于超大型干線客機(jī)，目前較為保守的能源方案是使用可持續(xù)航空燃料，更樂觀的能源方案是氫渦輪或者未來其他新型能源。

圖11 新能源飛機(jī)不同動力方案優(yōu)勢區(qū)間Fig.11 New energy aircraft power system scheme

3.4 混動飛機(jī)概念設(shè)計

受限于目前新能源技術(shù)發(fā)展水平，采用單一的能量來源無法滿足新能源飛機(jī)的實(shí)際性能需求，因此應(yīng)采用混合動力作為早期發(fā)展的過渡方案。本文以新舟60 為概念原型，舉例說明新能源混合動力飛機(jī)可能的設(shè)計方案。

首先，儲能電池（主要為鋰離子電池）和氫燃料電池可以組成基本的混合能量存儲系統(tǒng)。儲能電池和氫燃料電池互有優(yōu)劣，設(shè)計合理的儲能電池—?dú)淙剂想姵鼗旌夏芰看鎯ο到y(tǒng)可以取長補(bǔ)短，是現(xiàn)階段新能源飛機(jī)的最佳方案之一[30]。氫存儲罐的能量密度遠(yuǎn)高于儲能電池，采用最新技術(shù)的氫存儲罐能量體積密度和能量質(zhì)量密度分別是1.7kW?h/L 和2.3kW?h/kg[31,32]。但氫燃料電池的功率密度低于儲能電池，鋰離子電池正常工作時的放電倍率（放電電流/額定容量）可以達(dá)到3～5C[26]，因此氫燃料電池與儲能電池的混合能量存儲系統(tǒng)具有互補(bǔ)特性，既能保證飛機(jī)的峰值功率需求，又能保證飛機(jī)的續(xù)航能力。氫燃料電池在儲能電池輔助的情況下可以更多地在高效區(qū)運(yùn)行，從而提高氫燃料經(jīng)濟(jì)性[33]。由于氫燃料電池在負(fù)載變化時的動態(tài)響應(yīng)較慢，響應(yīng)速度更快的儲能電池可以改善系統(tǒng)動態(tài)特性，在飛機(jī)起降時提供更大的電流[34]。此外，得益于儲能電池的協(xié)同作用，氫燃料電池輸出功率的變化可以保持在較低且穩(wěn)定的水平，極大地緩解了與功率波動相關(guān)的氫燃料電池老化[35]，進(jìn)一步降低飛機(jī)的運(yùn)營成本。

新能源推進(jìn)系統(tǒng)和傳統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)的組合方式有兩種，如圖12 所示。第一種是將飛機(jī)兩臺航空燃油發(fā)動機(jī)中的一臺直接替換成氫渦輪發(fā)動機(jī)或氫燃料電池驅(qū)動的電動機(jī)，技術(shù)難度和研發(fā)成本較低，但受限于推進(jìn)系統(tǒng)功率密度，新能源在混合動力中的占比一般不超過50%，俄羅斯的雅克-18 改裝高溫超導(dǎo)電機(jī)、通用氫公司的ATR 42 改裝氫動力均采用該方案。第二種是在原有飛行器的基礎(chǔ)上增加新能源推進(jìn)系統(tǒng)，新能源在混合動力中的占比可以超過50%，該方案設(shè)計更加靈活，允許新能源推進(jìn)系統(tǒng)在飛行的不同階段采取不同的策略（起飛和爬升階段輸出推力，巡航階段休眠或給儲能電池充電），但需要對機(jī)身結(jié)構(gòu)和布局進(jìn)行重新設(shè)計，技術(shù)難度和研發(fā)成本更高，美國NASA 的“飛馬”混合動力支線飛機(jī)采用了該方案，在ATR 42 支線飛機(jī)的兩側(cè)機(jī)翼末端和機(jī)身尾部增加了三臺電動機(jī)，和原有的兩臺渦槳發(fā)動機(jī)構(gòu)成混合動力系統(tǒng)。具體采用哪一種方案，還需要進(jìn)一步論證研究。

圖12 兩種新能源混合動力渦槳支線飛機(jī)設(shè)計方案Fig.12 Technical proposal of new energy hybrid regional airplane

4 結(jié)束語

種種跡象表明，新能源航空時代正在向我們走來，這并不是假設(shè)，而只是時間問題。未來已來，唯變不變，我們只有以創(chuàng)新的思維積極應(yīng)對上述挑戰(zhàn)，才可能在未來的市場競爭中不被淘汰。

面對國家雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)，大力發(fā)展新能源飛機(jī)已經(jīng)迫在眉睫。新能源飛機(jī)的發(fā)展，不僅可以解決航空污染排放問題，還將帶動清潔能源、清潔電力等新技術(shù)、新領(lǐng)域的快速發(fā)展。當(dāng)前，我國在商用新能源飛機(jī)研發(fā)方面基本與國外同步，由遼寧通航研究院研發(fā)的雙座銳翔電動飛機(jī)是全球第一款同時獲得型號設(shè)計批準(zhǔn)書和生產(chǎn)許可證的電動飛機(jī)，現(xiàn)已開始交付航校進(jìn)行飛行培訓(xùn)；深圳億航公司研發(fā)的億航184/216單/雙座多旋翼載人無人駕駛飛機(jī)也已經(jīng)開始進(jìn)行演示飛行。但總體上看，我國新能源飛機(jī)研發(fā)力量相對薄弱、研發(fā)項(xiàng)目少、研究的系統(tǒng)性和深度不夠、以我為主的創(chuàng)新性研究較少，基本上還處于跟蹤研究的階段。如何面對新能源航空蓬勃發(fā)展的時代浪潮，是我國航空產(chǎn)業(yè)必須深思的問題。

目前來看，電池能量密度短時間難以突破，氫渦輪技術(shù)尚不成熟，氫燃料電池是現(xiàn)階段應(yīng)優(yōu)先發(fā)展的技術(shù)方案。我國在鋰電池、燃料電池、機(jī)載系統(tǒng)、電推進(jìn)系統(tǒng)等方面具備完整的產(chǎn)業(yè)鏈，相關(guān)技術(shù)可以直接應(yīng)用到新舟60、新舟700等型號的新能源改裝上。我國的新能源航空發(fā)展可以將氫燃料混合動力支線飛機(jī)作為切入點(diǎn)，逐步向更大尺寸的氫渦輪支/干線飛機(jī)過渡，并在2050 年前后實(shí)現(xiàn)完全自主、覆蓋全部市場和產(chǎn)品線的新能源飛機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈。

本文從政策導(dǎo)向、減排路線、市場需求、技術(shù)發(fā)展等方面對我國的新能源航空進(jìn)行了初步規(guī)劃設(shè)計，提出了我國未來的新能源飛機(jī)發(fā)展構(gòu)想和措施建議，有助于推動我國綠色航空產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，實(shí)現(xiàn)航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“換道超車”。