电动飞机发展白皮书

与传统飞机相比,电动飞机以电能作为推进系统的全部或部分能源,是航空业贯彻绿色航空、应对全球环境挑战的重要举措,是实现航空业2050年全球碳排放量减至2005年排放水平50%目标的必然选择,同时也是"第三航空"时代的重要标志。电动飞机开启了航空领域新一轮创新与变革热潮,引领航空技术创新、推动绿色航空发展,将对世界航空业产生革命性的影响。在电动飞机领域,目前国内外各研究机构和企业均处于起步阶段,以此为契机,我国电动航空业有望迅速达到或赶超世界先进水平,同时带动我国多个相关产业的整体发展。为进一步引领国内电动飞机技术发展、推动电动飞机产业布局,中国航空研究院组织国内优势力量,从电动飞机发展必要性、定义与分类、重点产品、关键技术、措施建议等方面,研究提出电动飞机发展白皮书。白皮书提出我国应重点发展城市空运、轻型运动、通勤运输、干支线运输等4类电动飞机;聚焦总体设计技术、高效高功重比电推进技术、能量综合管理技术、能源系统技术等重点领域关键技术发展;建议制订电动飞机发展战略规划、加大研发投入,同时关注适航能力建设与人才培养,从而推动我国电动飞机发展。     

基于绿色能源的分布式混合电推进系统性能分析

基于绿色能源的电推进飞行器是是航空运输业实现碳中和的重要技术途径。本文旨在利用理论分析和数值计算的手段,研究基于绿色能源的分布式混合电推进系统的性能,重点关注锂电池和固体氧化物燃料电池(SOFC)在航程和载荷方面的影响。本研究构建了一个包含多种能源形式的混合电推进系统架构,并基于能量流建立了功率传递模型,推导出综合考虑部件特征参数、能量分配参数、飞行气动参数的电推进系统航程方程和载荷方程。研究结果显示,在航程方面,锂电池的能量分配系数和能量密度对飞机航程有显著影响,特别是在能量密度阈值之上,增加锂电池的能量分配系数对提升航程有正收益。此外,SOFC的能量分配系数和效率的增加也提高了飞机航程,特别是在其高值区域。在载荷方面,上述锂电池和SOFC参数对飞机零燃料质量(MZF)和有效载荷具有重要影响,尤其在高能量密度、高效率和高能量分配系数的情况下飞机的载荷性能改善最佳。参数敏感性分析揭示了升阻比、边界层吸入(BLI)风扇效率、锂电池荷电状态(α_soc)和氢燃料剩余状态(α_soh)对航程的显著影响,其中在以往研究中较少出现的α_soc     

电动飞机发展关键技术与总体性能关联性分析

针对目前电动飞机航程过短的问题,为探究未来电动飞机发展关键技术对总体性能的影响,基于现有总体设计手段,建立了一套针对电动飞机的总体性能及敏感性分析方法。以四座小型通用飞机及电源系统现有技术水平为例,评估了气动优化、结构优化、电池能量密度及推进系统效率等几项关键技术对电动飞机起飞重量及航程可能的提升效果,并对5年内可成熟使用的小型通用电动飞机所需的关键指标提升提出了目标。结果表明:在对小型电动飞机提出合理的航程需求的情况下,依靠多项关键技术的共同进步能够使电动飞机在短期内覆盖传统通航飞机70%以上的使用场景。     

电动飞机的误解分析与研究综述

近年来,电动飞机已成为航空发展的热点之一,受到越来越多的企业和研发机构的重视。但由于人们对电推进飞机和传统推进飞机缺乏全面的理解,对电动飞机和混合电推进飞机的研究容易产生一些误解。本文阐述并分析了电动飞机研制中容易产生的5种主要误解及其产生的原因。在此基础上,对电动飞机的发展前景进行展望,并预测电动飞机是未来航空工业的发展方向之一。     

分布式电推进飞机设计技术综述

分布式电推进系统利用电力驱动多个推进器作为飞机的动力装置,在提升飞机气动效率、载运能力、环保性和鲁棒性等方面蕴藏着可供人们挖掘和利用的巨大潜能,被广泛认为是一种航空领域的颠覆性技术。本文在对电动飞机的优势和不足,电推进系统的尺度独立性以及分布式电推进飞机分类进行初步研究之后,重点从飞机工程设计的专业划分角度出发,分别从飞机总体设计、气动设计、结构设计、系统及支持设施设计等学科对分布式电推进飞机设计技术的研究情况和学术进展进行综述。随着电池能量密度、电机及控制器功率密度的不断提升以及相关机载电气设备的小型化和轻量化,分布式电推进通用飞机基本具备按需航空市场化能力,尽管仍存在一些挑战,但该技术为未来飞机设计提供了更多的权衡空间与可能性。     

氢燃料电池轻型飞机的能源系统方案设计

<正>顺应绿色航空的发展趋势,本文以一种氢燃料电池电动轻型飞机为研究对象,开展了该型飞机的能源系统方案设计研究。该型飞机是一种两座轻型飞机,主要用于初级驾驶培训、私人交通、摄影、旅游观光等方面。采用氢燃料电池作为飞机的能源可减少私人航空带来的空气污染。1氢燃料电池能源系统设计方法在能源系统的方案设计中,首先要对能源供应链进行设计,然后确定飞机起飞所需的需用功率(即电机的最大功率),之后进行燃料电池的选型和计算所需的氢气储备量。     

分布式电推进飞机电力系统研究综述

继飞机二次能源逐步统一为电能形成多电/全电飞机之后,电推进技术成为飞机动力系统电气化的重要发展方向,有望进一步提高飞机动力系统能量转换效率、降低燃油消耗和排放,代表了航空电气化的高级阶段。飞机电力系统及相关技术是支撑电推进技术发展的重要基础。系统总结了电推进飞机的类型与发展现状,论述了飞机混合动力系统及分布式电推进系统的基本概念、特点与意义。阐述了航空电推进系统的基本结构,比较了适用于分布式电推进系统的电力系统架构,系统分析了实现电推进技术所需的高效高功率密度电机、高效大容量功率变换器和综合热管理等关键技术。小型纯电动飞机正在逐步迈向实用化,而分布式混合电推进技术是中大型飞机电气化的重要方向,仍然需要航空机电和动力系统等交叉融合与创新发展。     

中国电动飞机技术创新与实践观点

电动飞机极大地提高了飞机的环保性、舒适性、维修性和经济性，是航空工业未来的发展方向。电动飞机应具备高气动效率、高推进效率、高结构效率、高能量密度，以提高航时。"十三五"期间，中国已完成2机首飞，2机取证。"十四五"期间，电动飞机研发应该以高功率高效率电推进系统为研发重点，以混合电推进系列飞机为研发核心，以现有新能源型号全寿命保障体系研究为关键，以拓展新型电动飞行器研发和标准构建为目标。     

工业动态

<正>CAE在中国航空科学技术大会上发布首部电动飞机发展白皮书8月15日,中国航空研究院(CAE)在2019(第四届)中国航空科学技术大会暨2019年沈阳国际航空产业发展大会上发布了国内首部电动飞机发展白皮书。会上,中国航空研究院常务副院长孙侠生对白皮书主要内容进行讲解,具体汇报了发展电动飞机的必要性、电动飞机的定义与分类、重点开发的产品、涉及的关键技术、措施和建议等内容。据不完全统计,截至2019年6月,全球约有170个在研的电推进飞机项目,主要集中在北美和欧洲地区,半数以上在2017年后启动。     

电动滑行系统研制取得进展

电动滑行技术是飞机未来的主流滑行技术，代表了多电飞机和绿色航空的发展方向，目前有多家企业组成的技术团队正在开展电动滑行技术的研究，而且全部应用集中在A320和波音737这两种单通道窄体客机上。     

小型电动无人机航程航时估算模型

小型电动无人机通常采用锂电池、无刷电机和螺旋桨组成能源动力系统,飞行过程中锂电池的实际工作电压发生变化,但飞机的总重量不变,其航程航时的估算方法与传统的燃油飞机有所不同。为了准确评估动力系统对飞机设计的影响,建立了以锂电池为动力的电动飞机推进系统模型,通过与实验数据比较,验证了各部分模型的准确性。利用该动力系统模型,对某款小型电动无人机进行了航程和航时估算,结果表明本文的建模方法准确有效,航程航时估算接近实验数据,可作为小型电动无人机设计的重要参考。     

飞机的电动力系统技术概述

电动力系统是一种使用电能的新型飞机推进系统,具有环境友好、高效节能等优点,有望推动飞机实现革命性发展。本文介绍太阳电池、锂离子电池、燃料电池、电机等关键部件／子系统技术的现状、关键技术,并给出统计数据;重点分析了电动力系统的设计技术,包括蓄电池（锂电池）、太阳电池和燃料电池三种纯电动力系统以及基于活塞动力和基于电动力两...     

航空用燃料电池及混合电推进系统发展综述

随着世界范围内碳减排需求的日益增长及长航时飞机的发展需要,高效率的燃料电池航空电推进系统逐渐受到重视,氢能航空的理念被人们所熟知。可使用碳氢燃料的高温燃料电池还可与燃气涡轮组成混合动力系统,发电效率进一步提高至70%。本文首先回顾了燃料电池及燃料电池涡轮混合系统在航空能源、动力系统方向应用概况;接着,概述了几种突破现有涡轮发动机技术瓶颈的新概念混合电推进系统,如发电与推进一体化燃料电池涡轮混合动力系统和无涡轮燃料电池混合推进系统;基于此,本文分析了限制燃料电池混合系统实际应用的关键技术难题,主要体现在混合动力系统功重比较低、大分子碳氢燃料重整技术未突破两方面。     

分布式电推进飞机动力系统评估优化方法

以电推进飞机的动力系统作为研究对象,开展了以下研究工作：采用电力系统潮流计算方法,分析了采用高压直流供电体制的分布式电推进飞机电气系统,模拟了其在稳定运行状态与断路故障状态下的能量流动关系,同时分析了直流电压等级对电气系统的影响。搭建了完整的分布式电推进飞机动力系统仿真模型,依据基于时间和基于高度的飞行剖面,对比分析了纯电推进与涡轮电推进架构在推进功率、推进效率与航程3个评价指标上的优劣。建立了动力系统典型部件的参数化模型,并使用符号规划算法对建立的参数化模型进行了优化计算,比较了传统涡轮推进与涡轮电推进架构下动力系统质量与燃油消耗率间的优化权衡关系。研究结果为分布式电推进飞机混合动力系统的设计提供了有价值的正向设计方法。     

一种电动飞机电推进系统的能效优化方法

电动飞机依靠电推进系统为飞机提供所需的动力,而电动飞机蓄电池的能量密度制约了飞机续航能力的提升。在蓄电池能量密度受限的条件下,进行电推进系统能效优化,提高电推进系统效率,降低电推进系统损耗,对增加飞机的续航时间具有重要意义。以某双座可调定桨距螺旋桨电动飞机电推进系统为例,依据飞机的飞行任务剖面搭建了飞机电推进系统在起飞及巡航阶段的系统损耗模型,以可调定桨距螺旋桨桨矩角为优化变量,以飞机完成一次飞行任务剖面能耗最小为目标,提出一种适于可调定桨距螺旋桨电动飞机电推进系统的能效优化方法。为了验证该方法的有效性,搭建样机测试平台,进行了样机试验,试验结果表明：该能效优化方法能够有效提高飞机电推进系统效率,使飞机完成一次飞行任务剖面的系统能耗降低了8%以上。     

发动机技术进步对飞机先进性的重要作用

推进技术的创新曾经是空中运输进步的基本推动力.研制大型客机,必须认识发动机技术进步对飞机性能先进性的重要作用.以用于波音公司B787梦幻飞机的美国通用电气公司(GE)的GEnx发动机为例,分析发动机技术先进性对飞机高效、低污染、智能化、低成本和舒适性的作用.最后从国外的技术发展途径,提出发展我国发动机技术的一些想法.      

电气化飞机电力系统智能化设计研究综述

能源危机和环境问题推动了绿色航空的发展，飞机电气化是绿色航空的主要实现手段，已经成为航空技术发展的重要方向。本文介绍了飞机电气化的发展历程，阐述了电气化飞机电力系统的关键技术及其研究现状，分析了先进飞机电力系统设计的关键技术，指出了飞机电力系统综合化、智能化的发展特点。在分析飞机电力系统设计存在的问题的基础上，文章初步提出了电气化飞机电力系统智能化设计平台的理论框架、功能和特点，分析了支撑电力系统智能化设计平台的关键技术，指出了航空智能化设计的研究方向。