■ 11月8日，由中国航空工业民机系统工程研究中心牵头编制的《新能源飞行器发展展望》报告在珠海航展现场正式发布。报告以减碳为需求导向进行新能源飞行器产品型谱规划、制定技术发展路线图、并站在国家战略和产业长远发展角度提出建议，是我国航空制造业首份面向未来零排放航空的产品和技术路线图。
报告提出我国应当优先发展新能源混合动力支线飞机，以新舟60、新舟700、运-12等型号为原型进行设计和改进，聚焦电推进系统、氢燃料电池、氢涡轮发动机、氢燃料系统和储罐、气动结构和布局、能量综合管理等关键技术，精准发力城市空运（UAM）和绿色民航运输（GAT）两大关键领域，推动我国绿色新能源航空转型升级，实现航空产业发展的“换道超车”。现将报告部分内容摘要如下。
■ 前言
航空研究的战略推动力包括全球机动、环境挑战、技术聚焦3个方面，通过电能、氢能和可持续航空燃料等新能源航空技术实现向低碳航空动力的过渡，是应对环境挑战的主要举措。NASA研究认为，电推进飞机可实现节能超过60%、减排超过90%、降噪超过65%的潜在收益，欧盟认为氢动力飞机是实现欧洲2050碳排放要求的唯一途径。
近年来，全球范围内兴起新能源飞行器技术发展热潮。据不完全统计，截止2022年9月，全球约有300个在研新能源飞行器项目，主要集中在美国、欧洲和中国。多个eVTOL（电动垂直起降飞行器）和通勤飞机型号完成首飞并取得适航认证，电动/混动涡桨干线飞机进入原型机制造或地面测试阶段，更大的新能源干/支线飞机开始方案设计和技术论证。空客ZEROe、英国政府FlyZero、欧盟“氢能航空2050”等计划均提出要在2035年前将氢动力支线飞机投入市场，2050年前实现氢动力干线飞机的大规模应用。
2016年IATA发布了全球航空运输业在2050年实现碳中和增长的决议。2020年我国正式提出2030年前碳达峰、2060年前碳中和的双碳战略目标，明确要求制定交通行业碳达峰行动方案，编制碳中和技术发展路线图，加快发展新能源、航空航天等战略性新兴产业。2021年中国民航局和国家发改委等单位联合印发《“十四五”民用航空发展规划》，明确要求2025年航空运输吨公里二氧化碳排放量相比2020年下降4.5%，单位旅客能耗下降10%。虽然吨公里二氧化碳排放量和单位旅客能耗在持续下降，我国航空运输业二氧化碳排放总量仍在逐年增加。根据我国民航局在新冠疫情前的统计数据，2020年以前中国航空运输业二氧化碳排放量年均增幅为14.8%，减碳任务面临巨大压力。
在新能源飞行器领域，目前国内外各研究机构和企业均处于起步阶段。以新能源航空引发的技术革新为契机，我国航空业应当大力发展新能源飞行器，攻克绿色低碳航空关键技术，迅速追赶世界先进水平，增强同国际航空强国和企业的市场竞争力，同时带动我国多个相关产业的整体发展，为实现航空强国提供重要支撑，抢占未来航空产业的市场和技术制高点，实现绿色低碳航空转型。
■ 发展规划
在我国双碳战略牵引的背景下，以航空燃油为动力来源的传统飞行器难以完成减排降噪的目标。新能源技术作为我国目前七大战略性新兴产业之一，尤其是新能源交通领域在政策支持、技术储备、产业规模等方面已经有了长足的发展，工业级的锂电池能量密度达到250瓦时/千克，氢燃料电池系统功率密度达到0.75千瓦/千克，实验室环境下电机功率密度达到4千瓦/千克，高温超导电机、复合材料氢燃料存储罐、高效液氮冷却装置等技术取得关键性突破，总体设计、能源架构、电气元件等领域不断发展，已经具备新能源飞行器研制和落地的产业基础。
新能源飞行器除了按照能源供给方式和动力产生方式的分类以外，按照用途、航程和载客（货）量也可分为城市空运飞机（eVTOL、通勤飞机为主）、支线飞机、中型干线飞机、大型干线飞机和超大型干线飞机。综合考虑飞机性能指标、技术成熟度、市场需求、产业链发展、法律法规等因素，对未来新能源飞行器的技术发展进行预测，得到不同乘客数和航程的新能源飞行器型谱规划如下。其中，不同乘客数和航程对应的新能源飞行器技术方案包线基于对未来市场和技术发展的预测。
面向城市空运的eVTOL、通勤飞机等机型（20座以下）预计在2025年前可投入大规模使用，能源方案以储能电池和氢燃料电池为主。面向传统航空运输市场的新能源干/支线飞机发展周期较长，预计在2030年到2050年投入大规模使用，机型从20到80座支线飞机（对标ATR-42、新舟60，可能采用氢燃料电池）逐步向80到150座中型干线飞机（对标巴航E190、空客A220，可能采用氢燃料电池或氢涡轮）、150到300座大型干线飞机（对标空客A320、波音737，商飞C919，可能采用氢涡轮或SAF）发展。上述飞机也可以采用混合动力的能源方案。对于300座以上的超大型干线飞机，现阶段尚不足以支撑型号推出，需要根据未来突破性技术的发展情况进一步研究。
根据新能源飞行器型谱规划的发展需求，合理预测2020年到2050年我国新能源飞行器发展技术指标和核心关键技术如下表所示，技术指标均为量产型号可以达到的技术参数。其中氢燃料消耗率定义为氢涡轮发动机产生单位功率所需要的能量，氢燃料质量比定义为液氢燃料质量与装满燃料的存储系统质量的比值。
20到80座的混合动力涡桨支线飞机是未来五到十年内值得优先发展的新能源飞机，采用氢燃料电池/储能电池与传统航空煤油混合动力，以新舟60、新舟700、运-12等型号为原型进行设计和改进。本报告提出该机型的两种新能源推进系统和传统推进系统混合动力方案。第一种是将飞机两台航空煤油发动机中一台直接替换成氢涡轮发动机或氢燃料电池驱动的电动机，技术难度和研发成本较低，但受限于推进系统功率密度，新能源在混合动力中的占比一般不超过50%，俄罗斯的雅克-18改装高温超导电机、通用氢公司的ATR-42改装氢动力均采用该方案。第二种是在原有飞行器的基础上增加新能源推进系统，新能源在混合动力中的占比可以超过50%，该方案设计更加灵活，允许新能源推进系统在飞行的不同阶段采取不同的策略（起飞和爬升阶段输出推力，巡航阶段休眠或给储能电池充电），但需要对机身结构和布局进行重新设计，技术难度和研发成本更高，美国NASA的“飞马”混合动力支线飞机采用了该方案，在ATR-42支线飞机的两侧机翼末端和机身尾部增加了3台电动机，和原有的2台涡桨发动机构成混合动力系统。
■ 措施建议
一是加强自主创新研发和产业发展。一方面，建议从以下六个领域实现革命性的技术突破：电推进系统、氢燃料电池、氢涡轮发动机、氢燃料系统和储罐、气动结构和布局、能量管理。重视技术的自主可控，避免被外国势力“卡脖子”。另一方面，建议加强在新能源飞行器总体架构设计和方案选择方面的研究，新能源飞行器的动力系统和能源系统架构有多种，动力系统包括电推进、氢涡轮推进、混合动力推进等，能源系统包括储能电池、氢燃料电池、SAF等，国外在动力和能源系统上的技术路线并未收敛，对于不同类型飞机最佳的方案选择也没有定论。建议国内开展新能源飞行器技术方案的深入研究，动力和能源系统多条技术路线同步发展，选择最优技术路线以适应不同的需求和应用场景。
二是布局城市空运和绿色民航运输。城市空运的黄金发展时期在2030年前，关键增长点是电动垂直起降飞行器、锂离子电池、智能驾驶、智慧城市设施（充电、运输、管理和维护等），目前已具备从物流到通勤、从特需到日常逐步发展的软硬件条件。绿色民航运输的黄金发展时期在2040年前，关键增长点是氢动力飞机、绿氢生产、氢存储与运输、可持续航空燃料生产，发展投入周期较长，短期内较难实现落地应用，现阶段以预研和技术攻关为主。建议我国航空相关企业发力两大关键领域，根据自身优势、市场增长点和发展窗口期提早筹划，优先布局城市空运的产业链和市场，做好绿色航空运输的先期研究和技术储备，争取先发优势并抢占市场和技术制高点。
三是优先发展新能源混动支线飞机。纵观全球新能源航空产业，以eVTOL为代表的城市空运发展迅速，但未来会占航空运输业绝大多数的新能源干支线飞机仍处于起步阶段，各国企业和研究机构以技术论证和概念设计为主。在动力系统层面，电池能量密度和储氢系统质量比极大地限制了新能源飞行器的航程和有效载荷，发展新能源混合动力飞机是突破目前技术瓶颈的可行方案之一，多个国外航空企业和研究机构也选择了该方案。在飞机型号层面，100座以下的支线飞机研发周期相对较短，技术难度较低，23适合作为发展新能源商用飞机的切入点。建议我国航空企业优先发展新能源混合动力支线飞机，探索油电混合动力、电氢混合动力等不同技术路线。在关键技术层面，液氢存储罐及配套系统的质量和体积是制约氢动力飞机发展的核心因素之一，建议把存储罐复合材料、结构设计、冷却和环控系统作为首要攻关的关键技术，同时广泛开展电推进、氢涡轮推进、分布式布局设计、电动系统架构、电气元件等电/氢混合动力飞机关键技术的研究。以混合动力支线飞机为切入点，逐步发展更大尺寸的新能源窄体和宽体干线飞机，并在2050年前后实现完全自主、覆盖全部市场和产品线的新能源飞行器产业链。
四是积极参与新能源航空标准制定。推动新能源航空适航标准专业委员会工作，加速新能源飞行器中国标准制定；同时积极参与FAA、EASA、SAE等国际、地区和国家组织的相关新能源飞行器标准编制工作，争取发出更多的中国声音，抢占新能源飞行器标准制高点。
五是积极培育中国新能源航空市场。鼓励有基础的地方和锐翔、亿航等新能源飞行器企业合作，开展新能源飞行器在飞行培训、旅游观光、客货运输等领域的运营，建立公众信心，积累运营数据，制定相应政策措施，构建必要基础设施，为迎接新能源航空时代打好基础。
信息来源：中国航空工业民机系统工程研究中心。本平台致力于低空经济信息分享交流。编辑不易，转载请注明出处：低空行研，谢谢！
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