電動飛機技術(shù)是一項跨時代的高新技術(shù)，它和新能源電動汽車的發(fā)展軌跡一樣，已經(jīng)成為世界航空工業(yè)發(fā)展的核心技術(shù)，它改變了傳統(tǒng)的飛機設(shè)計思想，從飛機綠色環(huán)保、高效節(jié)能、智能互聯(lián)的理念出發(fā)，來優(yōu)化整個飛機的設(shè)計，極大地提高了飛機的可靠性、環(huán)保性、舒適性和可維護性。是未來飛機的發(fā)展方向。 ? 　　

隨著人們對環(huán)境保護、安全飛行、客戶舒適和節(jié)能高效等要求提出以及蓄電池技術(shù)的快速發(fā)展。人們逐漸對飛機一次能源系統(tǒng)進行革命，一是：對現(xiàn)有發(fā)動機提高效率、降低燃油消耗。產(chǎn)生了電力混合動力技術(shù)，使燃油消耗大為降低，效率大為提升。二是：對現(xiàn)有發(fā)動機進行徹底革命，用電力來推動飛機，產(chǎn)生了飛機的電力推進技術(shù)，即電動飛機技術(shù)。它已經(jīng)在國內(nèi)外成為技術(shù)發(fā)展的熱點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于世界的民用航空和軍用航空的飛機中。例如：波音787、空客A380、A350和F-35等飛機中。 　　

多電、全電到電動飛機技術(shù)是一個逐步發(fā)展的過程，從多電到全電是飛機二次能源電能量逐漸增大的過程，到電力混合和電動飛機將是飛機的一次能源逐步用電能來實現(xiàn)的過程。而電動飛機技術(shù)發(fā)展的核心是電力推進技術(shù)。 ? ? ? ?

電力推進技術(shù)飛機

電力推進技術(shù)的進步非?？欤w機燃油的能量密度大約為12.7千瓦時/千克，而目前電池能量密度最大能夠達到0.5千瓦時/千克，兩者相差很大。好在傳統(tǒng)燃油發(fā)動機效率和功重比比較低，所以，電池能量密度只要提高就有可能取代傳統(tǒng)的發(fā)動機。目前，要采用電力系統(tǒng)直接驅(qū)動大型飛機還有一定困難。所以，從傳統(tǒng)的發(fā)動機驅(qū)動到電力驅(qū)動在電池能量密度沒有達到所需要的能量密度前，有一個過渡方案——電力混合動力推進技術(shù)方案。 ? 相關(guān)研究的資料顯示，即使是電力混合推進，一架單通道飛機所需的電池容量也相當可觀。美國NASA燃氣-電混合推進項目的技術(shù)負責人謝麗爾·褒曼表示：“驅(qū)動一架巡航狀態(tài)的大型飛機需要至少1千瓦時/千克的能量密度?！泵绹鳱ASA和麻省理工學院聯(lián)合進行的電池研究結(jié)果顯示，在未來10到15年內(nèi)會有不同的化學電池的組成可以達到1～1.5千瓦時/千克的能量密度水平。 ?

傳統(tǒng)燃氣渦輪航空發(fā)動機的總體效率為35%～50%，但混合動力電推進系統(tǒng)通過結(jié)合兩個或更多功率轉(zhuǎn)換器有可能會進一步提高發(fā)動機的效率，同時電力推進系統(tǒng)可以降低發(fā)動機的噪聲?；旌蟿恿夹g(shù)通過將燃氣渦輪與電力技術(shù)相結(jié)合，采用了能量密集的液態(tài)燃料的燃氣渦輪，來實現(xiàn)新型飛機發(fā)動機的無噪音、高效電力推進。

? 根據(jù)航空工業(yè)未來發(fā)展的推測，在2030年之后可能會出現(xiàn)新型混合動力分布式推進的支線飛機。飛機的電力系統(tǒng)用電量需求將為10～20兆瓦，用電量比傳統(tǒng)飛機電力系統(tǒng)高出了一個數(shù)量級。而且飛機的高性能高功重比的電機、長壽命高可靠高能量密度電池、新型超導材料、網(wǎng)絡(luò)以及安靜的螺旋槳設(shè)計都是這一技術(shù)下的核心關(guān)鍵技術(shù)。

? 隨著電力電子技術(shù)和電池技術(shù)的進步，推動了電力推進技術(shù)的快速發(fā)展。特別是電動汽車技術(shù)的飛速發(fā)展，使得電動汽車的高功重比高性能電動機推進技術(shù)、電力電子集成系統(tǒng)技術(shù)、高能量密度長壽命電池技術(shù)和電動汽車整體系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)已經(jīng)成熟。這就為電動飛機技術(shù)的發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。 ? 最近歐洲和美國在電動飛機技術(shù)上投入了大研發(fā)力量，爭取在未來能夠取得實質(zhì)性的突破。我們國家在電動飛機技術(shù)的發(fā)展上也在快速前進，特別是一些機制靈活的創(chuàng)新型企業(yè)，它們都在加大力度開展研發(fā)的投入，準備占領(lǐng)這項新技術(shù)制高點。 ? 相關(guān)的電動飛機研究表明：電力驅(qū)動飛機使得飛機的機動性和實用性更強、飛機電力系統(tǒng)的故障模式更為清晰，它降低了飛機系統(tǒng)的導線重量、提供了系統(tǒng)效率、減少了生命周期成本和飛機排放和噪音，使得飛機派遣率更為有效。 ?

電動飛機的關(guān)鍵技術(shù)

電動飛機技術(shù)經(jīng)歷了一個漫長的發(fā)展過程，其核心技術(shù)可以總結(jié)為如下四項：高效高功重比電機推進技術(shù)、高能量密度長壽命的電池技術(shù)、集成電力電子控制技術(shù)和電動飛機整體設(shè)計技術(shù)。

高效高功重比電機推進技術(shù)

電力推進技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢，即可以實現(xiàn)未來飛機的零排放目標又可以應(yīng)對不斷上漲的燃油成本。它通過電能驅(qū)動飛機獲得推力、不再完全依賴燃油。因而減少或消除了常規(guī)推進系統(tǒng)所產(chǎn)生的污染排放。

電力推進系統(tǒng)推進電機是電動飛機的關(guān)鍵，它的功重比直接決定電動飛機的性能，目前應(yīng)用的電機主要有永磁電機和交流異步電機等，根據(jù)推進電機的種類、額定轉(zhuǎn)速和冷卻方式的不同電機的功重比也有很大的差別。目前我們知道在理想的電機轉(zhuǎn)速和冷卻方式的情況下，電機的最大功重比通常小于20千瓦/千克。在電動飛機中，要想繼續(xù)增加電機的功重比，就需要在推進電機的熱設(shè)計、磁性能設(shè)計、結(jié)構(gòu)冷卻設(shè)計等方面要有技術(shù)創(chuàng)新，這樣才能提升推進電機功重比。

通過研究發(fā)現(xiàn)，有許多種拓撲都能提升推進電機的效率和功重比，需要研究確定究竟哪種才是最佳推進電機拓撲。要想推進電機的功重比有數(shù)量級的提升，只有顛覆性的技術(shù)創(chuàng)新才可能實現(xiàn)。于是出現(xiàn)超導電機技術(shù)。它可以提供推進電機最大的功重比，當然，這項技術(shù)風險也是最大的。不過在超導電機技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域依然在繼續(xù)探索和研究中，并將在未來盡快應(yīng)用于電動飛機的中，實現(xiàn)人們電動航空的夢想。

長壽命高能量密度的電池技術(shù)

電池的儲存能量的能量密度越來越大，特別是電動汽車技術(shù)的發(fā)展，使電池的儲能密度每年都有一個快速的提升。我們知道能量儲存有許多中形式，例如液態(tài)空氣、燃料電池、壓縮H2和液態(tài)H2、超級電容器和機械飛輪等。上述有些能源儲存方式雖然和電池的能量密度相當或者超過電池，但要應(yīng)用于飛機上還必須依賴于發(fā)動機的功重比,也就是有些能源儲存方式應(yīng)用于飛機上時，需要強大的隔離系統(tǒng)或熱管路系統(tǒng)，整體對飛機來說不占優(yōu)勢，因此，無法應(yīng)用于飛機飛行。

目前在電動航空上面臨的最大挑戰(zhàn)是:電池和電動系統(tǒng)的儲存能量密度和動力系統(tǒng)的功重比要達到基于燃油的動力系統(tǒng)的水平，這樣才能使電動飛機真正走入人們的生活。同時，要注意燃油飛行器中燃油燃燒與空氣中大量的氧氣結(jié)合，從而使飛機的重量不斷減少，而在電動飛機中，飛機重量不會有減少，因此，需要在飛機設(shè)計中考慮上述因素。

電動飛機中電力推進系統(tǒng)的效率要比燃油發(fā)動機的效率高兩到三倍；電力推進系統(tǒng)功重比要比燃油發(fā)動機的功重比高許多，但由于電池的能量密度要比燃油的能量密度低許多；這些可以用來補充電池的能量密度。但就整體而言，目前電動飛機還沒有達到燃油飛機的水平。

采用全新構(gòu)型和任務(wù)剖面的電力混合推進動力架構(gòu)的飛機是最有可能首先成功應(yīng)用的飛機。預計采用電力混合推進系統(tǒng)的支線單通道商用飛機上電池的能量密度需要達到0.8千瓦時/千克以上，而全采用電力推進的支線單通道商用飛機上電池的能量密度需要達到1.8千瓦時/千克以上。電池技術(shù)要大量應(yīng)用于航空，還必須證明該技術(shù)的安全性能和基礎(chǔ)設(shè)施的要求。但按照目前電池技術(shù)快速發(fā)展來看，預計未來電動飛機的前途光明。

另一個儲能器件超級電容器有它自己的特點：能量密度達到鋰電池的100倍；在幾秒鐘內(nèi)充放電，這很適合于峰值功率瞬時釋放；有100萬次充放電能力、穩(wěn)定范圍寬和無可燃材料，很適合于飛機；能量密度接近鉛酸電池，但是和鋰電池相比還有不足，可以在混合動力系統(tǒng)中應(yīng)用。

鋰電池和燃料電池未來將會在電動飛機中大量使用，它們的特點是：能量儲存密度大、電池電量高、安全可靠、壽命長、適應(yīng)性強、智能性強、續(xù)航持久和充電便捷。這些特點決定了它們未來的應(yīng)用前景。

集成的電力電子控制技術(shù)

電動飛機技術(shù)的發(fā)展主線就是電力電子技術(shù)，正是由于電力電子技術(shù)的進步才使多電、全電和電動飛機發(fā)展成為可能。對一架飛機來說，它就是一個獨立電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，要使它高效、安全和穩(wěn)定運行還需要做大量的研究工作。因此，集成電力電子控制技術(shù)非常重要。它也是電動飛機的核心技術(shù)。

對電動飛機而言，飛機電力系統(tǒng)功率密度非常重要，這就需要功率轉(zhuǎn)換器的功率密度大、效率高。采用常規(guī)空氣冷卻的功率轉(zhuǎn)換器通常其功率密度被限制在20千瓦/升，但在電動航空領(lǐng)域，為了滿足推進電機驅(qū)動需求，未來理想目標功率密度是50千瓦/升。為了滿足需求，需要對許多新興技術(shù)進行不斷地研究與開發(fā)。同時還需要不斷研究并開發(fā)新材料、變換器新設(shè)計、變換器新拓撲、新的制造技術(shù)以及功率半導體器件新封裝方法。這些基礎(chǔ)技術(shù)將對電力電子系統(tǒng)的設(shè)計和制造產(chǎn)生顯著的影響。

碳化硅高溫電力電子技術(shù)是未來實現(xiàn)電力系統(tǒng)高功率密度變換器的關(guān)鍵。碳化硅功率半導體器件及其封裝是一個全新技術(shù)，它與新興功率轉(zhuǎn)換器拓撲共同結(jié)合使用，能夠?qū)崿F(xiàn)變換器達到更高的功率密度，而不會降低功率變換器的性能。目前已經(jīng)掌握許多新技術(shù)，如用無線傳感器通過微型計算機進行推進電機的轉(zhuǎn)速控制技術(shù)等，這些技術(shù)的進一步研究還可以更大提升電力電子系統(tǒng)的功率密度。

電動飛機獨立電網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定運行非常重要，因為飛機上的電力電子非線性負載非常多，會在電網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生許多諧波和噪聲，造成電網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定和效率的降低。因此，電網(wǎng)絡(luò)的魯棒性就顯得非常重要，魯棒性電網(wǎng)絡(luò)也是電力電子集成控制的關(guān)鍵，能夠按需要提供飛機可靠功率的能力，可滿足飛機峰值的功率需求并管理在生的負荷。同時為飛機的關(guān)鍵系統(tǒng)提供高可靠的功率。

電動飛機的整體設(shè)計技術(shù)

電動飛機的整體設(shè)計技術(shù)也是電動飛機的關(guān)鍵，能否把電力系統(tǒng)很好的融入飛機設(shè)計中，關(guān)系到整個飛機的性能和飛機使用壽命，一架好的飛機不但要有好的動力、外形、結(jié)構(gòu)等系統(tǒng)，更重要的是整個飛機所有系統(tǒng)的協(xié)調(diào)設(shè)計，就像我們?nèi)艘粯?，人身體的各個部分都要健康，才能使我們擁有健康的生活。只有飛機整體協(xié)調(diào)設(shè)計，才能制造出一架性能優(yōu)良客戶滿意的飛機。

電動飛機的仿真技術(shù)的發(fā)展也非常重要，基于模型的系統(tǒng)工程應(yīng)用到電動飛機技術(shù)的各個領(lǐng)域，在計算機上實現(xiàn)電動飛機飛行。電動飛機技術(shù)涉及多個學科，是一項跨學科間的新型技術(shù)，它可以應(yīng)用于國民經(jīng)濟的許多領(lǐng)域，具有劃時代的重要意義。

編輯：黃飛