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(jí)配套供應(yīng)商”集群式發(fā)展模式，主要不同點(diǎn)有：
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)巨頭以外，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(chǎng)；
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(chǔ)的基礎(chǔ)設(shè)施供應(yīng)商；
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。
全球新能源飛機(jī)市場(chǎng)正在蓬勃發(fā)展。羅蘭貝格咨詢公司預(yù)測(cè)，城市空運(yùn)（UAM）在投入運(yùn)營(yíng)后將以每年46%的復(fù)合增長(zhǎng)率擴(kuò)張，到2040年將有43萬(wàn)架新能源通勤飛機(jī)投入使用，到2050年全球95個(gè)主要城市將會(huì)有9.8萬(wàn)架新能源通勤飛機(jī)運(yùn)營(yíng)；摩根士丹利咨詢公司認(rèn)為，到2040年城市空運(yùn)（UAM）和通用航空（GA）市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到1.5萬(wàn)億美元，其中中國(guó)將占據(jù)約1/4的市場(chǎng)份額。
根據(jù)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)，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，如表1所示。新能源將會(huì)對(duì)機(jī)場(chǎng)、航空公司、飛機(jī)租賃公司和制造商帶來(lái)巨大的影響。從項(xiàng)目投資方來(lái)看，約有60%的項(xiàng)目是由創(chuàng)業(yè)公司和獨(dú)立人士投資，現(xiàn)有航空公司占了30%投資，其他10%左右的投資來(lái)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)突顯出來(lái)自傳統(tǒng)航空和國(guó)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(lái)看，大多數(shù)電動(dòng)飛機(jī)都在朝著通用航空（GA）或城市空運(yùn)（UAM）方向發(fā)展，10座級(jí)以下的UAM項(xiàng)目超過(guò)90%，10座級(jí)以上的項(xiàng)目約占10%；從項(xiàng)目來(lái)源地區(qū)看，大部分的項(xiàng)目都在傳統(tǒng)的航空市場(chǎng)，即歐洲（48%）和美國(guó)（35%）。但在其他地方也有一些值得注意的動(dòng)向，特別是中國(guó)億航公司的億航184電動(dòng)垂直起降飛機(jī)（eVTOL）、以色列Eviation公司的“愛(ài)麗絲”電動(dòng)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(lái)看，純電和油電混動(dòng)項(xiàng)目超過(guò)85%，其余15%為氫動(dòng)力和SAF，近年來(lái)的新項(xiàng)目中氫動(dòng)力方案數(shù)量上升，約占2021年新項(xiàng)目的1/3左右。
○ 新能源飛機(jī)類
新能源飛機(jī)按照能源供給方式主要分為電動(dòng)飛機(jī)和氫動(dòng)力飛機(jī)，除此以外還有使用可持續(xù)航空燃料（SAF）的飛機(jī)。電動(dòng)飛機(jī)，按照電力供給方式的不同又分為太陽(yáng)能飛機(jī)（采用光伏電池，根據(jù)太陽(yáng)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(chǔ)在電池中）；儲(chǔ)能電池飛機(jī)（采用鋰電池等給電動(dòng)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(dòng)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(dòng)力飛機(jī)類別下。
氫動(dòng)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(dòng)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2倍。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(chǔ)氫設(shè)備，并對(duì)飛機(jī)的燃油系統(tǒng)進(jìn)行根本性的改變。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)綠色氫所需要的基礎(chǔ)供應(yīng)設(shè)施等。
○ 電動(dòng)飛機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀
近年來(lái)，作為世界航空業(yè)先進(jìn)水平的代表，美國(guó)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(dòng)飛機(jī)發(fā)展路線圖，在多條技術(shù)路線同步開(kāi)展研究。
NASA針對(duì)分布式電推進(jìn)技術(shù)開(kāi)展了X-57麥克斯韋驗(yàn)證機(jī)計(jì)劃，目前已完成地面高壓和地面震動(dòng)試驗(yàn)；針對(duì)波音737量級(jí)飛機(jī)開(kāi)展了STARC-ABL混合動(dòng)力飛機(jī)研究，尾部加裝2.6MW電動(dòng)機(jī)，采用附面層抽吸技術(shù)，預(yù)計(jì)可降低阻力7%～12%；針對(duì)混動(dòng)支線飛機(jī)開(kāi)展基于ATR42-500的飛機(jī)改造，機(jī)翼上有4個(gè)螺旋槳、尾部還增加1個(gè)螺旋槳，已完成樣機(jī)設(shè)計(jì)。
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，認(rèn)為：2030年前實(shí)現(xiàn)初步混合動(dòng)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(dòng)機(jī)。
賽峰公司電推進(jìn)技術(shù)發(fā)展路線
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(jì)劃”， 主要在三個(gè)方向開(kāi)展并行研究：
針對(duì)多電飛機(jī)需求的嵌入式起動(dòng)/發(fā)電機(jī)項(xiàng)目，如E2SG和英國(guó)“暴風(fēng)”五代機(jī)項(xiàng)目；
在大飛機(jī)上開(kāi)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)；
在小型通用飛機(jī)上開(kāi)展電推進(jìn)飛機(jī)概念驗(yàn)證，例如推動(dòng)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400千瓦電動(dòng)系統(tǒng)和有史以來(lái)最高功率密度飛機(jī)電池組的羅羅電動(dòng)飛機(jī)“創(chuàng)新精神”首飛。
“創(chuàng)新精神”電動(dòng)飛機(jī)
國(guó)內(nèi)外還有數(shù)十家企業(yè)開(kāi)展了電動(dòng)飛機(jī)研制。自2016年以來(lái)，全球10家領(lǐng)先的電動(dòng)航空初創(chuàng)公司和項(xiàng)目總共籌集了超過(guò)20億美元的資金，主要聚焦城市空運(yùn)（UAM）和電動(dòng)垂直起降飛機(jī)（eVTOL）領(lǐng)域。在通勤電動(dòng)飛機(jī)領(lǐng)域，以色列Eviation公司率先布局，開(kāi)發(fā)出“愛(ài)麗絲”電動(dòng)飛機(jī)。該機(jī)是一款由三個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)推進(jìn)螺旋槳的9座全復(fù)合材料飛機(jī)，三個(gè)推進(jìn)螺旋槳中的一個(gè)安裝在飛機(jī)尾部，另外兩個(gè)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900kWh的能量，電池重量占飛機(jī)總重60%。可使愛(ài)麗絲飛機(jī)的航程達(dá)到1000km，巡航速度達(dá)到444km/h。
“愛(ài)麗絲”電動(dòng)飛機(jī)
中國(guó)銳翔公司的RX1E雙座電動(dòng)輕型運(yùn)動(dòng)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(hào)設(shè)計(jì)批準(zhǔn)書（TDA），2015年12月份獲得生產(chǎn)許可證（PC），2017年初批準(zhǔn)加入運(yùn)營(yíng)。RX1E飛機(jī)是中國(guó)第一款新能源輕型電動(dòng)飛機(jī)，是世界首款獲得適航型號(hào)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(hào)RX1E-A，并在RX1E、RX1E-A關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和型號(hào)研制基礎(chǔ)上研制了四座電動(dòng)飛機(jī)RX4E，該機(jī)型于2019年10月成功首飛。
RX1E（銳翔）飛機(jī)
中國(guó)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(dòng)垂直起降飛機(jī)，已在中國(guó)以及奧地利、卡塔爾、日本等多個(gè)國(guó)家完成載人試飛
○ 氫動(dòng)力飛機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀
美國(guó)、前蘇聯(lián)等國(guó)早在20世紀(jì)50年代就開(kāi)展了氫燃料飛機(jī)的試驗(yàn)，主要用于軍機(jī)和無(wú)人機(jī)。1955年，美國(guó)在B-57B上開(kāi)展了液氫燃料的試驗(yàn)飛行；1988年，前蘇聯(lián)在圖-155的三個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)中的一個(gè)使用氫燃料驅(qū)動(dòng)；2004年，美國(guó)在X-43A超高速飛機(jī)的超燃發(fā)動(dòng)機(jī)使用了氫燃料；2012年波音的“幻影眼”無(wú)人機(jī)使用液氫作為能源開(kāi)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(dòng)力技術(shù)開(kāi)始得到關(guān)注。2020年，空客公布了三款ZEROe 氫動(dòng)力概念機(jī)，目標(biāo)是在2035年前開(kāi)發(fā)出全球首款零碳排放商用飛機(jī)。
三款ZEROe 氫動(dòng)力概念機(jī)分別是使用渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的1號(hào)概念機(jī)、使用渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)的2號(hào)概念機(jī)以及混合翼（BWB）3號(hào)概念機(jī)，其中使用渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的1號(hào)概念機(jī)使用兩個(gè)混合氫渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)提供推力，其液氫儲(chǔ)存與分配系統(tǒng)位于壓力艙壁后；使用渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)的2號(hào)概念機(jī)由兩個(gè)混合氫渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)八葉螺旋槳提供推力，其液氫儲(chǔ)存與分配系統(tǒng)同樣位于壓力艙壁后；混合翼（BWB）3號(hào)概念機(jī)超寬的內(nèi)部空間則為氫的儲(chǔ)存與分配提供了多種選擇，其液氫儲(chǔ)存罐存放在機(jī)翼下方，兩個(gè)混合氫渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)為其提供推力。
除此以外，美國(guó)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(guó)DLR在開(kāi)展1.5MW級(jí)燃料電池的研究，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(dòng)力系統(tǒng)的ATR EVO項(xiàng)目，通用氫公司正在開(kāi)發(fā)液氫儲(chǔ)存和分配系統(tǒng)，計(jì)劃在2025年對(duì)ATR 72進(jìn)行氫燃料電池混合動(dòng)力改裝。
○ 新能源航空發(fā)展路線總體規(guī)劃
巴黎協(xié)定對(duì)全球改善飛機(jī)環(huán)保性能提出新要求，營(yíng)造綠色航空的呼聲越來(lái)越高。國(guó)際民航組織、美國(guó)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(guó)的新能源航空發(fā)展規(guī)劃。
我國(guó)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(guó)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(shí)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(yíng)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(jí)，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(duì)我國(guó)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(cè)。
2020-2060年我國(guó)航空業(yè)減少碳排放路線
縱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(lái)會(huì)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(guó)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)以技術(shù)論證和概念設(shè)計(jì)為主。我國(guó)的新能源航空階段性發(fā)展路線具體如下：
短期新能源飛機(jī)發(fā)展路線
快速布局城市空運(yùn)市場(chǎng)，優(yōu)先發(fā)展混合動(dòng)力飛機(jī)。在方案選擇上，純電動(dòng)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，目前難以應(yīng)用于中大型干支線飛機(jī)。而針對(duì)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(dòng)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(guó)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(guó)航空業(yè)應(yīng)優(yōu)先發(fā)展混合動(dòng)力飛機(jī)。
中長(zhǎng)期新能源飛機(jī)發(fā)展路線
以氫燃料混合動(dòng)力飛機(jī)為切入點(diǎn)，逐步過(guò)渡到完全的氫渦輪干/支線飛機(jī)。同時(shí)，積極培育國(guó)內(nèi)新能源飛機(jī)市場(chǎng)，開(kāi)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(yíng)，推動(dòng)新能源航空適航標(biāo)準(zhǔn)專業(yè)委員會(huì)工作，加速新能源飛機(jī)中國(guó)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(chǎng)和產(chǎn)品線的新能源飛機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈。推動(dòng)我國(guó)新能源航空的快速發(fā)展。
○ 應(yīng)用場(chǎng)景
未來(lái)我國(guó) 新能源飛機(jī)的主要應(yīng)用場(chǎng)景是城市空運(yùn)（UAM）和綠色民航運(yùn)輸（GAT）。 其中城市空運(yùn)的黃金發(fā)展時(shí)期在2030年前，市場(chǎng)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。 綠色民航運(yùn)輸（GAT）的黃金發(fā)展時(shí)期在2040年前，市場(chǎng)關(guān)注點(diǎn)是混合動(dòng)力飛機(jī)、氫動(dòng)力飛機(jī)、綠氫生產(chǎn)、氫存儲(chǔ)與運(yùn)輸、可持續(xù)航空燃料生產(chǎn)，發(fā)展投入周期較長(zhǎng)，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(chǎng)的eVTOL、通勤飛機(jī)等機(jī)型（20座級(jí)以下）預(yù)計(jì)在2030年前可達(dá)到技術(shù)成熟度7級(jí)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(dòng)力等形式。面向傳統(tǒng)航空運(yùn)輸市場(chǎng)的新能源干/支線飛機(jī)發(fā)展周期較長(zhǎng)，預(yù)計(jì)在2050年前可達(dá)到技術(shù)成熟度7級(jí)并投入大規(guī)模使用，飛機(jī)型號(hào)將從20到60座級(jí)支線飛機(jī)（對(duì)標(biāo)ATR-42、新舟60，采用儲(chǔ)能電池/氫燃料電池-燃油混動(dòng)）逐步向40到100座級(jí)支線飛機(jī)（對(duì)標(biāo)ATR-72、新舟700，采用氫燃料電池/氫渦輪）、100到300座級(jí)干線飛機(jī)（對(duì)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(dòng)方案。具體實(shí)施方向詳見(jiàn)下一章。
○ 實(shí)施方案
在我國(guó)雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)之下，以航空煤油為動(dòng)力來(lái)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(guó)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(chǔ)備、產(chǎn)業(yè)規(guī)模等方面已經(jīng)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，工業(yè)級(jí)的鋰電池能量密度達(dá)到250Wh/kg，氫燃料電池系統(tǒng)功率密度達(dá)到0.75kW/kg，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下電機(jī)功率密度達(dá)到4kW/kg，高溫超導(dǎo)電機(jī)、復(fù)合材料氫燃料存儲(chǔ)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(jì)、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。
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)（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(chǎng)需求、產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展、法律法規(guī)等因素，不同型號(hào)新能源飛機(jī)所選擇的動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)方案最終會(huì)收斂到某個(gè)優(yōu)勢(shì)區(qū)間。
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(jí)以下，航程100km以下的城市空運(yùn)型號(hào)。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(jí)以下無(wú)顯著優(yōu)勢(shì)。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(jí)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(dòng)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。“綠氫”產(chǎn)能受限，液氫能量體積密度低，存儲(chǔ)系統(tǒng)供能效率受限，適用于載客量300座級(jí)以下，航程10000km以下的中型或大型干線客機(jī)?？沙掷m(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(chǎng)應(yīng)用主要受限于生產(chǎn)成本、產(chǎn)量和碳排放等因素。對(duì)于300座級(jí)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(hào)推出，需要根據(jù)未來(lái)突破性技術(shù)的發(fā)展情況進(jìn)一步研究。對(duì)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(lè)觀的能源方案是氫渦輪或者未來(lái)其他新型能源。
○ 混動(dòng)飛機(jī)概念設(shè)計(jì)
受限于目前的新能源技術(shù)發(fā)展水平，采用單一的能量來(lái)源無(wú)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(dòng)力作為早期發(fā)展的過(guò)渡方案。本文以新舟60為概念原型，舉例說(shuō)明新能源混合動(dòng)力飛機(jī)可能的設(shè)計(jì)方案。
首先，儲(chǔ)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(chǔ)系統(tǒng)。儲(chǔ)能電池和氫燃料電池互有優(yōu)劣，設(shè)計(jì)合理的儲(chǔ)能電池-氫燃料電池混合能量存儲(chǔ)系統(tǒng)可以取長(zhǎng)補(bǔ)短，是現(xiàn)階段新能源飛機(jī)的最佳方案之一。氫存儲(chǔ)罐的能量密度遠(yuǎn)高于儲(chǔ)能電池，采用最新技術(shù)的氫存儲(chǔ)罐能量體積密度和能量質(zhì)量密度分別是1.7kWh/L和2.3kWh/kg。但氫燃料電池的功率密度低于儲(chǔ)能電池，鋰離子電池正常工作時(shí)的放電倍率（放電電流/額定容量）可以達(dá)到3-5C，因此氫燃料電池與儲(chǔ)能電池的混合能量存儲(chǔ)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(chǔ)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。由于氫燃料電池在負(fù)載變化時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢，響應(yīng)速度更快的儲(chǔ)能電池可以改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，在飛機(jī)起降時(shí)提供更大的電流。此外，得益于儲(chǔ)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(dòng)相關(guān)的氫燃料電池老化，進(jìn)一步降低飛機(jī)的運(yùn)營(yíng)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，如下圖所示。第一種是將飛機(jī)兩臺(tái)航空燃油發(fā)動(dòng)機(jī)中一臺(tái)直接替換成氫渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)或氫燃料電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)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(dòng)力中的占比一般不超過(guò)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(dòng)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(dòng)力中的占比可以超過(guò)50%，該方案設(shè)計(jì)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(chǔ)能電池充電），但需要對(duì)機(jī)身結(jié)構(gòu)和布局進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，技術(shù)難度和研發(fā)成本更高，美國(guó)NASA的“飛馬”混合動(dòng)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3臺(tái)電動(dòng)機(jī)，和原有的2臺(tái)渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)成混合動(dòng)力系統(tǒng)。具體采用哪一種方案，還需要進(jìn)一步的論證研究。
兩種新能源混合動(dòng)力渦槳支線飛機(jī)設(shè)計(jì)方案
種種跡象表明，新能源航空時(shí)代正在向我們走來(lái)，這并不是假設(shè)，而只是時(shí)間問(wèn)題。未來(lái)已來(lái)，唯變不變，我們只有以創(chuàng)新的思維積極應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，才可能在未來(lái)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中不被淘汰。
面對(duì)國(guó)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(wèn)題，還將帶動(dòng)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(guó)在商用新能源飛機(jī)研發(fā)方面基本與國(guó)外同步，由遼寧通航研究院研發(fā)的雙座銳翔電動(dòng)飛機(jī)是全球第一款同時(shí)獲得型號(hào)設(shè)計(jì)批準(zhǔn)書和生產(chǎn)許可證的電動(dòng)飛機(jī)，現(xiàn)已開(kāi)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(wú)人駕駛飛機(jī)也已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行演示飛行。但總體上看，我國(guó)新能源飛機(jī)研發(fā)力量相對(duì)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(duì)新能源航空蓬勃發(fā)展的時(shí)代浪潮，是我國(guó)航空產(chǎn)業(yè)必須深思的問(wèn)題。
目前看來(lái)，電池能量密度短時(shí)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(guó)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(hào)的新能源改裝上。我國(guó)的新能源航空發(fā)展可以將氫燃料混合動(dòng)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(guò)渡，并在2050年前后實(shí)現(xiàn)完全自主、覆蓋全部市場(chǎng)和產(chǎn)品線的新能源飛機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈。
原標(biāo)題：氫能源有望在新能源航空飛機(jī)中長(zhǎng)途市場(chǎng)占據(jù)主動(dòng)
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