新能源飛行器發(fā)展白皮書

1 32.1新能源飛行器是航空產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展 32.2新能源飛行器是我國(guó)追趕世界航空強(qiáng)國(guó) 52.3新能源飛行器面臨良好的國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ) 6 8 8 8 通過(guò)電能、氫能和可持續(xù)航空燃料等新能源技術(shù)實(shí)現(xiàn)向低碳航空動(dòng)力的過(guò)1NASA格林研究中心《電力推進(jìn)系統(tǒng)研究》,ElectricPropulsionSystem2歐盟《2050年目標(biāo)：歐洲航空零排放之路》,Destination2050:ARoutetoNetZeroEuropeanAviation.3羅蘭貝格咨詢公司《綠色航空旅行開拓新視野》,GreenAirTravelReac噸公里二氧化碳排放量和單位旅客能耗在持續(xù)下降，我國(guó)航空運(yùn)輸業(yè)二氧化碳排放總量仍在逐年增加。根據(jù)我國(guó)民航局在新冠疫情前的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)4，V2000CG2動(dòng)空間、加快社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和節(jié)約人類交流的時(shí)間起到了極大的推動(dòng)作業(yè)快速發(fā)展對(duì)環(huán)境造成的危害主要體現(xiàn)在以下三點(diǎn)：首先飛機(jī)飛行帶來(lái)的化石燃料廢氣排放必然導(dǎo)致空氣污染；其次由于發(fā)動(dòng)機(jī)排放的溫室氣體必根據(jù)相關(guān)分析數(shù)據(jù)，飛機(jī)航空燃料的燃燒是航空運(yùn)輸業(yè)碳排放的首要航空碳排放的角度來(lái)說(shuō)，降低飛機(jī)燃料燃燒的碳排放是航空綠色低碳發(fā)展2024年全球能源展望報(bào)告》,WorldEnergyOutlook2024.2023年全球客運(yùn)市場(chǎng)分析報(bào)告》,AirFreightMarketAnalysis2023.9根據(jù)法國(guó)巴黎銀行（BNPParibas4瓦級(jí)氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的地面試驗(yàn)，同時(shí)聯(lián)合賽峰、達(dá)索等公司啟動(dòng)我國(guó)在新能源飛行器領(lǐng)域也開展了多項(xiàng)技術(shù)與產(chǎn)品研究工作。在能源定等方面明顯落后于歐美航空強(qiáng)國(guó)，很難在短期內(nèi)縮短傳統(tǒng)化石能源航空產(chǎn)業(yè)的差距。以新能源飛行器為代表的全球航空產(chǎn)業(yè)“綠色低碳”轉(zhuǎn)型是7升我國(guó)新能源飛行器產(chǎn)業(yè)鏈的整體競(jìng)爭(zhēng)力，電池產(chǎn)業(yè)龍頭企業(yè)寧德時(shí)代已我國(guó)龐大的市場(chǎng)需求提供了足夠的內(nèi)需動(dòng)力，低空經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)的后發(fā)優(yōu)國(guó)家機(jī)關(guān)和地方政府頒布了多項(xiàng)政策文件支持新能源飛行器的發(fā)展。中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議明確將低空經(jīng)濟(jì)作為我國(guó)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，提出打能源來(lái)減少航空運(yùn)輸業(yè)對(duì)污染大的化石能源依賴的綠色航空技術(shù)新型飛行9看作是同一類產(chǎn)品的不同表述形式，直升機(jī)不只有常見的“單旋翼+尾槳”除了從應(yīng)用場(chǎng)景和構(gòu)型的角度進(jìn)行分類，還可以針對(duì)新能源飛行器的能源和動(dòng)力方式進(jìn)行分類。新能源飛行器從能量來(lái)源的角度可分為電能飛能飛行器的能量來(lái)源是氫和氨燃料。新能源飛行器從動(dòng)力來(lái)源的角度可分所有以電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力來(lái)源的飛行器的總稱，電動(dòng)機(jī)的電力來(lái)源可以是動(dòng)力經(jīng)濟(jì)和民航應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)新能源飛行器的技術(shù)能力需求，提出了技術(shù)發(fā)展目提出了一種氫燃料電池支線飛機(jī)概念設(shè)計(jì)，并對(duì)其性能和應(yīng)用前景進(jìn)行了在我國(guó)雙碳戰(zhàn)略牽引的背景下，以航空燃油為動(dòng)力來(lái)源的傳統(tǒng)飛行器新能源飛行器除了按照能源供給方式和動(dòng)力產(chǎn)生方式的分類以外，按新能源飛行器的技術(shù)發(fā)展進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到不同乘客數(shù)和航程的新能源飛行白皮書以滿足低空經(jīng)濟(jì)和民航運(yùn)輸應(yīng)用場(chǎng)景需求為標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)測(cè)新能源的儲(chǔ)能電池和電推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測(cè)，在今后的研究中會(huì)增加更多的技術(shù)能儲(chǔ)能電池達(dá)到500Wh/kg，美國(guó)能源部（DOE）認(rèn)為航空電池的能量密度應(yīng)當(dāng)超過(guò)能滿足eVTOL在起降或者懸停時(shí)的動(dòng)力系統(tǒng)功率需求。也有研究者認(rèn)為考慮到經(jīng)濟(jì)性等因素，新能源飛行器所需的電池循環(huán)壽命應(yīng)盡量在低空經(jīng)濟(jì)應(yīng)用場(chǎng)景下的絕大多數(shù)低空裝備所需的電動(dòng)機(jī)單機(jī)功率不超過(guò)200kW。美歐國(guó)家現(xiàn)有的航空電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品額定功率密度一般在2.5到白皮書采用德爾菲法、趨勢(shì)外延法等方法對(duì)未來(lái)我國(guó)新能源飛行器的飛行器本體低空飛行器分布式電推進(jìn)控與能量/熱管理系能源通航飛機(jī)各項(xiàng)技術(shù)成熟度達(dá)到8級(jí)。商用飛機(jī)完成氫動(dòng)力飛機(jī)和混合動(dòng)力飛機(jī)創(chuàng)新構(gòu)型設(shè)計(jì)能源系統(tǒng)儲(chǔ)能電池氣電池、硅陽(yáng)極材氫燃料電池高效水熱智能管理儲(chǔ)氫系統(tǒng)存儲(chǔ)輕量化設(shè)動(dòng)力系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)高功率密度永氫渦輪燃料噴射與混合裝線飛機(jī)設(shè)計(jì)方案，白皮書在此基礎(chǔ)上提出一種氫燃料電池支線飛機(jī)概念設(shè)和分析結(jié)果進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，更多信息詳見相關(guān)論氫燃料電池提供飛行過(guò)程中的大部分電力，鋰電池在飛機(jī)的起飛和爬升階/kcms/detai成本的降低和新技術(shù)新構(gòu)型的應(yīng)用，氫動(dòng)力飛機(jī)對(duì)氫燃料電池飛機(jī)的設(shè)計(jì)模型進(jìn)行敏感性分析可以深入了解各項(xiàng)參數(shù)電動(dòng)機(jī)的功率體積密度對(duì)航程的影響較小。敏感性分析還可以作為優(yōu)先改進(jìn)哪些技術(shù)的參考。燃料電池效率和儲(chǔ)氫質(zhì)量比的提高將對(duì)飛機(jī)航程產(chǎn)生12表中給出了完全使用氫燃料電池和氫燃料電池-鋰電池混合供電系統(tǒng)兩種方案的性本章分析了新能源飛行器的八項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域——總體設(shè)計(jì)技術(shù)、高與傳統(tǒng)動(dòng)力形式相比，電推進(jìn)系統(tǒng)具有一定程度的功率相對(duì)尺度無(wú)關(guān)翼身融合布局——將傳統(tǒng)的機(jī)身與機(jī)翼結(jié)構(gòu)融合，通過(guò)一體化設(shè)計(jì)制20分布式電推進(jìn)布局——在機(jī)翼或機(jī)身上分布安裝多個(gè)螺旋槳/涵道風(fēng)國(guó)內(nèi)外企業(yè)、高校和科研機(jī)構(gòu)正持續(xù)不斷探索新型氣動(dòng)布局及各種氣電推進(jìn)技術(shù)通過(guò)高功率密度電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)涵道風(fēng)扇或螺旋槳，為飛機(jī)提21超導(dǎo)電機(jī)是采用超導(dǎo)體代替常規(guī)導(dǎo)電材料來(lái)實(shí)現(xiàn)電磁能與機(jī)械能之間用方面具有極高潛力，將會(huì)成為代替煤油噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的新型飛行動(dòng)力裝置得益于電機(jī)的相對(duì)尺度近似無(wú)關(guān)性，總功率相同時(shí)單個(gè)大功率電機(jī)和多個(gè)小功率電機(jī)系統(tǒng)的功率密度和效率基本一致，采用多個(gè)小功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)較小直徑風(fēng)扇的分布式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以在保證總功率不變的前提下有效電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器是保證永磁同步電機(jī)和超導(dǎo)電機(jī)高效可靠運(yùn)行的必要代碳化硅和氮化鎵功率器件的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器是2223超導(dǎo)電機(jī)需要低溫環(huán)境以維持超導(dǎo)狀態(tài)，采用熱管理技術(shù)能夠保障超導(dǎo)系飛機(jī)系統(tǒng)日益復(fù)雜且高度耦合，采用傳統(tǒng)的各系統(tǒng)獨(dú)立能量管理方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)飛機(jī)能量的高效利用。能量智能管理從飛機(jī)整體層面研究能量綜能源系統(tǒng)指的是為新能源飛行器提供電能的組件系統(tǒng)，其性能從根本池的發(fā)展。國(guó)內(nèi)外的相關(guān)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)也在研發(fā)更多的電池技術(shù)方案滿24氫/氨燃料電池是重要的航空能源系統(tǒng)解決方案，通過(guò)氫/氨在燃料電池中的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能。由于氨燃料電池的效率和功率密度普遍低于能量轉(zhuǎn)換效率下降甚至是系統(tǒng)故障。使用燃料電池的地面車輛一般選擇強(qiáng)儲(chǔ)能電池-燃料電池混合供電系統(tǒng)是一種兼顧儲(chǔ)能電池和燃料電池優(yōu)料電池的功率密度又低于儲(chǔ)能電池，因此兩者的混合供電系統(tǒng)具有互補(bǔ)特氫燃料電池在負(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25氫渦輪推進(jìn)技術(shù)指的是用氫作為發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒原料替代傳統(tǒng)的航空燃為了充分發(fā)揮氫渦輪推進(jìn)方案的性能優(yōu)勢(shì)，發(fā)動(dòng)機(jī)必須進(jìn)行針對(duì)性改進(jìn)和燒室的幾何結(jié)構(gòu)不利于氫燃料和氧化劑的有效混合，降低了氫燃料的燃燒量體積密度也僅僅是航空煤油的三分之一。氫動(dòng)力飛機(jī)需要額外的氫燃料目前看來(lái)液氫存儲(chǔ)是比較合適的機(jī)上氫燃料存儲(chǔ)方案，相比于氣態(tài)存儲(chǔ)具有更高的能量體積密度，缺點(diǎn)是需要維持低溫高壓環(huán)境(≤-253℃,26⑥箱式機(jī)翼結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，提高飛機(jī)內(nèi)部空間的利用率并減小飛機(jī)圖16飛機(jī)氫燃料存儲(chǔ)罐布局方案（a,b,c,d是機(jī)體集成式，e,f是外掛式14）14文獻(xiàn)來(lái)源：KhandelwalB,etal.Hydrogenpoweredaircraft:Thefutu27則舍棄了溫控裝置，采用真空夾層等手段被動(dòng)地隔絕氫燃料和環(huán)境之間的本的氫動(dòng)力汽車產(chǎn)業(yè)在政府和企業(yè)長(zhǎng)達(dá)十余年的大力推動(dòng)下仍然收效甚微，一個(gè)很重要的原因就是始終沒有解決氫動(dòng)力汽車全面鋪開時(shí)的氫氣供應(yīng)鏈安全性和經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題。基礎(chǔ)設(shè)施配套的兩大關(guān)鍵技術(shù)分別是氫氣經(jīng)濟(jì)可持28現(xiàn)低成本的氫燃料運(yùn)輸與存儲(chǔ)是氫動(dòng)力飛機(jī)能否投入大規(guī)模商業(yè)運(yùn)營(yíng)的關(guān)領(lǐng)域是向機(jī)場(chǎng)輸送氫氣和機(jī)場(chǎng)的存儲(chǔ)與加氣設(shè)施。輸送氫氣的一個(gè)選擇是通過(guò)現(xiàn)有的天然氣輸送網(wǎng)絡(luò)，對(duì)天然氣管道的改造需要投入大量的資金并端到端氫燃料運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)是另一種解決方案，在氫生產(chǎn)基地將氫燃料加邊際成本較高，在氫燃料需求量達(dá)到一定規(guī)模后的效率和經(jīng)濟(jì)性落后于機(jī)29可持續(xù)航空燃料飛機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)主要是不同種類燃料的生產(chǎn)、儲(chǔ)存與工藝和技術(shù)的影響以外，原材料的供應(yīng)量對(duì)其大規(guī)模應(yīng)用也起著決定性作家政策導(dǎo)向等要素評(píng)估不同可持續(xù)航空燃料技術(shù)路線的可行性。可持續(xù)航從原料來(lái)源的角度來(lái)說(shuō)，我國(guó)具有較大發(fā)展?jié)摿Φ目沙掷m(xù)航空燃料原303132一是強(qiáng)化頂層戰(zhàn)略規(guī)劃和方向指引。我國(guó)新能源航空產(chǎn)業(yè)應(yīng)強(qiáng)化頂層此舉一方面可以引導(dǎo)廣大企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)在充分進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)研、審慎考慮技術(shù)發(fā)展路線圖中所列產(chǎn)品和技術(shù)的企業(yè)和項(xiàng)目，引導(dǎo)市場(chǎng)和社會(huì)資源向二是加強(qiáng)自主創(chuàng)新研發(fā)和多路并舉。新能源航空的發(fā)展離不開產(chǎn)業(yè)鏈機(jī)為主要載體的低空經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)迎來(lái)黃金發(fā)展期，正逐步實(shí)現(xiàn)從城市周推動(dòng)低空經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)化