氫能源有望在新能源航空飛機中長途市場占據(jù)主動

全球新能源飛機產(chǎn)業(yè)鏈與傳統(tǒng)航空器具有相似的體系結構，一般以整機主承包商為核心，系統(tǒng)承包商、分系統(tǒng)承包商、零部件供應商和原材料供應商共同參與、相互支撐，采用“主承包商+四級配套供應商”集群式發(fā)展模式，主要不同點有：

新能源飛機產(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（UAM）和通用航空（GA）市場；

產(chǎn)業(yè)鏈中游吸引了許多非航空供應商加入，主要提供大功率電機、各種電池、電力電子控制系統(tǒng)等新能源飛機部件，此外加入了氫能、SAF等綠色航空能源運輸與存儲的基礎設施供應商；

綠色可持續(xù)能源生產(chǎn)供應商在產(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)能成為新能源飛機產(chǎn)業(yè)鏈的核心。

全球新能源飛機市場正在蓬勃發(fā)展。羅蘭貝格咨詢公司預測，城市空運（UAM）在投入運營后將以每年46%的復合增長率擴張，到2040年將有43萬架新能源通勤飛機投入使用，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運營；摩根士丹利咨詢公司認為，到2040年城市空運（UAM）和通用航空（GA）市場規(guī)模將達到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)相關研究機構的統(tǒng)計，全球范圍內(nèi)目前有約300型新能源飛機項目正在進行中，如表1所示。新能源將會對機場、航空公司、飛機租賃公司和制造商帶來巨大的影響。從項目投資方來看，約有60%的項目是由創(chuàng)業(yè)公司和獨立人士投資，現(xiàn)有航空公司占了30%投資，其他10%左右的投資來自機構和其他企業(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)突顯出來自傳統(tǒng)航空和國防領域外的興趣與航空業(yè)內(nèi)相比是更強的。從產(chǎn)品定位來看，大多數(shù)電動飛機都在朝著通用航空（GA）或城市空運（UAM）方向發(fā)展，10座級以下的UAM項目超過90%，10座級以上的項目約占10%；從項目來源地區(qū)看，大部分的項目都在傳統(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（eVTOL）、以色列Eviation公司的“愛麗絲”電動支線飛機、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；從技術方案來看，純電和油電混動項目超過85%，其余15%為氫動力和SAF，近年來的新項目中氫動力方案數(shù)量上升，約占2021年新項目的1/3左右。

○ 新能源飛機種類

新能源飛機按照能源供給方式主要分為電動飛機和氫動力飛機，除此以外還有使用可持續(xù)航空燃料（SAF）的飛機。電動飛機，按照電力供給方式的不同又分為太陽能飛機（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，為飛行器的推進系統(tǒng)與電子設備供電，并將多余的能量存儲在電池中）；儲能電池飛機（采用鋰電池等給電動飛機供能）；燃料電池飛機（采用氫燃料電池、固體氧化物燃料電池等給電動飛機供能）。為了統(tǒng)一分類標準，本文將氫燃料電池飛機劃分到氫動力飛機類別下。

氫動力飛機，包括作為新型燃料用于大型飛機傳統(tǒng)發(fā)動機、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，要將氫應用于飛機的推進系統(tǒng)，就需要體積更大的儲氫設備，并對飛機的燃油系統(tǒng)進行根本性的改變。而另一將氫應用于航空業(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供應設施等。

○ 電動飛機發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，作為世界航空業(yè)先進水平的代表，美國和歐洲多家飛機制造商與科研機構高度關注新能源飛機研究。NASA于2015年提出了電動飛機發(fā)展路線圖，在多條技術路線同步開展研究。

NASA針對分布式電推進技術開展了X-57麥克斯韋驗證機計劃，目前已完成地面高壓和地面震動試驗；針對波音737量級飛機開展了STARC-ABL混合動力飛機研究，尾部加裝2.6MW電動機，采用附面層抽吸技術，預計可降低阻力7%～12%；針對混動支線飛機開展基于ATR42-500的飛機改造，機翼上有4個螺旋槳、尾部還增加1個螺旋槳，已完成樣機設計。

2017年10月，賽峰集團公布了其電推進技術發(fā)展路線圖，認為：2030年前實現(xiàn)初步混合動力推進（起飛、爬升和慢車推力的10%為電力提供）；2035年實現(xiàn)帶邊界層吸入的混合分布式電推進（推力的20%～50%為電力提供）；2040年實現(xiàn)100%電推進；近期關注更大涵道比渦扇發(fā)動機。

賽峰公司電推進技術發(fā)展路線

羅·羅公司于2019年提出“21世紀電推進飛機戰(zhàn)略發(fā)展計劃”， 主要在三個方向開展并行研究：

針對多電飛機需求的嵌入式起動/發(fā)電機項目，如E2SG和英國“暴風”五代機項目；

在大飛機上開展電氣化關鍵部件技術驗證，打造全球最強飛機發(fā)電機；

在小型通用飛機上開展電推進飛機概念驗證，例如推動電推進技術發(fā)展的“加速飛行電氣化（ACCEL）”項目和Volante項目。

2021年9月，搭載了功率400千瓦電動系統(tǒng)和有史以來最高功率密度飛機電池組的羅羅電動飛機“創(chuàng)新精神”首飛。

“創(chuàng)新精神”電動飛機

國內(nèi)外還有數(shù)十家企業(yè)開展了電動飛機研制。自2016年以來，全球10家領先的電動航空初創(chuàng)公司和項目總共籌集了超過20億美元的資金，主要聚焦城市空運（UAM）和電動垂直起降飛機（eVTOL）領域。在通勤電動飛機領域，以色列Eviation公司率先布局，開發(fā)出“愛麗絲”電動飛機。該機是一款由三個電動機驅(qū)動推進螺旋槳的9座全復合材料飛機，三個推進螺旋槳中的一個安裝在飛機尾部，另外兩個安裝在機翼翼尖，螺旋槳在翼尖渦流中旋轉(zhuǎn)，可提高推進效率。該機最大起飛重量為6350kg，機身內(nèi)安裝有3800kg電池，可提供900kWh的能量，電池重量占飛機總重60%。可使愛麗絲飛機的航程達到1000km，巡航速度達到444km/h。

“愛麗絲”電動飛機

中國銳翔公司的RX1E雙座電動輕型運動飛機于2012年立項，2013年6月首飛，2014年10月完成適航審定試飛，2015年2月獲得型號設計批準書（TDA），2015年12月份獲得生產(chǎn)許可證（PC），2017年初批準加入運營。RX1E飛機是中國第一款新能源輕型電動飛機，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。銳翔公司隨后推出了增程改進型號RX1E-A，并在RX1E、RX1E-A關鍵技術攻關和型號研制基礎上研制了四座電動飛機RX4E，該機型于2019年10月成功首飛。

RX1E（銳翔）飛機

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，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

○ 氫動力飛機發(fā)展現(xiàn)狀

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

隨著技術發(fā)展與商用航空減排的要求，面向商用航空的氫動力技術開始得到關注。2020年，空客公布了三款ZEROe 氫動力概念機，目標是在2035年前開發(fā)出全球首款零碳排放商用飛機。

三款ZEROe 氫動力概念機分別是使用渦輪風扇發(fā)動機的1號概念機、使用渦輪螺旋槳發(fā)動機的2號概念機以及混合翼（BWB）3號概念機，其中使用渦輪風扇發(fā)動機的1號概念機使用兩個混合氫渦輪風扇發(fā)動機提供推力，其液氫儲存與分配系統(tǒng)位于壓力艙壁后；使用渦輪螺旋槳發(fā)動機的2號概念機由兩個混合氫渦輪螺旋槳發(fā)動機驅(qū)動八葉螺旋槳提供推力，其液氫儲存與分配系統(tǒng)同樣位于壓力艙壁后；混合翼（BWB）3號概念機超寬的內(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翼下方，兩個混合氫渦輪風扇發(fā)動機為其提供推力。

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，巡航功率150kW；德國DLR在開展1.5MW級燃料電池的研究，可用于小型支線客機；ATR公司成立了為ATR 42/72支線客機配備低排放混合動力系統(tǒng)的ATR EVO項目，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進行氫燃料電池混合動力改裝。

○ 新能源航空發(fā)展路線總體規(guī)劃

巴黎協(xié)定對全球改善飛機環(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準和指導文件，從節(jié)能、減排和降噪等方面引領綠色航空發(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)劃應充分考慮雙碳戰(zhàn)略目標和國內(nèi)航空產(chǎn)業(yè)實際發(fā)展情況，以2030年碳達峰和2060年碳中和為關鍵時間節(jié)點。在2030年以前主要依靠改進現(xiàn)有飛機、提高航空燃料生產(chǎn)工藝、優(yōu)化民航運營等常規(guī)手段降低碳排放，在2030年到2060年重點進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。本文對我國航空運輸業(yè)減少碳排放的路線和各工業(yè)部門貢獻占比進行了預測。

2020-2060年我國航空業(yè)減少碳排放路線

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

短期新能源飛機發(fā)展路線

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

中長期新能源飛機發(fā)展路線

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

○ 應用場景

未來我國 新能源飛機的主要應用場景是城市空運（UAM）和綠色民航運輸（GAT）。 其中城市空運的黃金發(fā)展時期在2030年前，市場關注點是eVTOL、鋰離子電池、智能駕駛、智慧城市設施（充電、運輸、管理和維護等），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。 綠色民航運輸（GAT）的黃金發(fā)展時期在2040年前，市場關注點是混合動力飛機、氫動力飛機、綠氫生產(chǎn)、氫存儲與運輸、可持續(xù)航空燃料生產(chǎn)，發(fā)展投入周期較長，短期內(nèi)較難實現(xiàn)落地應用，現(xiàn)階段以預研和技術攻關為主。

面向城市空運市場的eVTOL、通勤飛機等機型（20座級以下）預計在2030年前可達到技術成熟度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)航空運輸市場的新能源干/支線飛機發(fā)展周期較長，預計在2050年前可達到技術成熟度7級并投入大規(guī)模使用，飛機型號將從20到60座級支線飛機（對標ATR-42、新舟60，采用儲能電池/氫燃料電池-燃油混動）逐步向40到100座級支線飛機（對標ATR-72、新舟700，采用氫燃料電池/氫渦輪）、100到300座級干線飛機（對標空客A320、波音737，采用氫渦輪）發(fā)展。部分機型也可采用100% SAF或者氫/電與SAF混動方案。具體實施方向詳見下一章。

○ 實施方案

在我國雙碳戰(zhàn)略目標之下，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。新能源技術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域在政策支持、技術儲備、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到250Wh/kg，氫燃料電池系統(tǒng)功率密度達到0.75kW/kg，實驗室環(huán)境下電機功率密度達到4kW/kg，高溫超導電機、復合材料氫燃料存儲罐、高效液氮冷卻裝置等技術取得關鍵性突破，總體設計、能源架構、電氣元件等領域不斷發(fā)展，已經(jīng)具備新能源飛機研制和落地的產(chǎn)業(yè)基礎。但現(xiàn)階段航空領域的新能源技術發(fā)展水平距離完全取代傳統(tǒng)化石燃料還很遠，多項性能指標仍存在瓶頸。

新能源飛機按照用途、航程和載客（貨）量可分為城市空運飛機（eVTOL、通勤飛機為主）、支線客機、中型干線客機、大型干線客機和超大型干線客機。綜合考慮飛機性能指標、技術成熟度、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所選擇的動力系統(tǒng)技術方案最終會收斂到某個優(yōu)勢區(qū)間。

其中，電推進飛機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以下的城市空運型號。氫燃料電池飛機的能源系統(tǒng)復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以下的支線客機或中型干線客機。氫渦輪飛機的能源和動力系統(tǒng)復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。可持續(xù)航空燃料飛機在整機層面的技術難度和改裝成本較低，其市場應用主要受限于生產(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，目前的技術水平尚不足以支撐型號推出，需要根據(jù)未來突破性技術的發(fā)展情況進一步研究。對于超大型干線客機，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。

○ 混動飛機概念設計

受限于目前的新能源技術發(fā)展水平，采用單一的能量來源無法滿足新能源飛機的實際性能需求，因此應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可能的設計方案。

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，設計合理的儲能電池-氫燃料電池混合能量存儲系統(tǒng)可以取長補短，是現(xiàn)階段新能源飛機的最佳方案之一。氫存儲罐的能量密度遠高于儲能電池，采用最新技術的氫存儲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）可以達到3-5C，因此氫燃料電池與儲能電池的混合能量存儲系統(tǒng)具有互補特性，既能保證飛機的峰值功率需求，又能保證飛機的續(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)運行，從而提高氫燃料經(jīng)濟性。由于氫燃料電池在負載變化時的動態(tài)響應較慢，響應速度更快的儲能電池可以改善系統(tǒng)動態(tài)特性，在飛機起降時提供更大的電流。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的氫燃料電池老化，進一步降低飛機的運營成本。

新能源推進系統(tǒng)和傳統(tǒng)推進系統(tǒng)的組合方式有兩種，如下圖所示。第一種是將飛機兩臺航空燃油發(fā)動機中一臺直接替換成氫渦輪發(fā)動機或氫燃料電池驅(qū)動的電動機，技術難度和研發(fā)成本較低，但受限于推進系統(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改裝高溫超導電機、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上增加新能源推進系統(tǒng)，新能源在混合動力中的占比可以超過50%，該方案設計更加靈活，允許新能源推進系統(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），但需要對機身結構和布局進行重新設計，技術難度和研發(fā)成本更高，美國NASA的“飛馬”混合動力支線飛機采用了該方案，在ATR-42支線飛機的兩側(cè)機翼末端和機身尾部增加了3臺電動機，和原有的2臺渦槳發(fā)動機構成混合動力系統(tǒng)。具體采用哪一種方案，還需要進一步的論證研究。

兩種新能源混合動力渦槳支線飛機設計方案

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，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，大力發(fā)展新能源飛機已經(jīng)迫在眉睫。新能源飛機的發(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、新領域的快速發(fā)展。當前，我國在商用新能源飛機研發(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是全球第一款同時獲得型號設計批準書和生產(chǎn)許可證的電動飛機，現(xiàn)已開始交付航校進行飛行培訓，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也已經(jīng)開始進行演示飛行。但總體上看，我國新能源飛機研發(fā)力量相對薄弱、研發(fā)項目少、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。

目前看來，電池能量密度短時間難以突破，氫渦輪技術尚不成熟，氫燃料電池是現(xiàn)階段應優(yōu)先發(fā)展的技術方案。我國在鋰電池、燃料電池、機載系統(tǒng)、電推進系統(tǒng)等方面具備完整的產(chǎn)業(yè)鏈，相關技術可以直接應用到新舟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作為切入點，逐步向更大尺寸的氫渦輪支/干線飛機過渡，并在2050年前后實現(xiàn)完全自主、覆蓋全部市場和產(chǎn)品線的新能源飛機產(chǎn)業(yè)鏈。