2022年10月，国际民用航空组织通过了到2050年实现商业航班净零碳排放的目标。美国的《航空气候行动计划》已提出了基本相同的目标。现在面临的挑战是如何在减少排放的同时实现航空旅行的扩张，以支持经济增长并获得旅行对个人和社会的好处。迎接这样的挑战需要对飞机及其操作方式做出根本性的改变。

 

 

包括世界上主要的客机和大型喷气发动机制造商在内的各公司（空中客车、波音、CFM国际、巴西航空工业公司、通用电气航空航天公司、RTX普惠公司、罗尔斯-罗伊斯公司和赛峰飞机发动机公司等）已经公布了减少航空旅行排放的计划。引入可持续燃料是常见的策略，例如从生物质中提取的燃料，这种燃料可以在生产过程中吸收碳，从而减少生命周期内的碳排放。其他研究工作包括基于用氨、氢或电为飞机提供动力的策略。

 

美国国家航空航天局（NASA）和行业合作伙伴正在推动飞行演示机的研发工作，以开发电动推进系统，这是美国在开展的一项重要工作。在这个联合项目中，通用电气航空公司和波音公司旗下的极光飞行科学公司正在合作推动混合电动推进概念的开发，相关系统能够为150座至180座单通道飞机提供动力。该项目名为“电气化动力系统飞行演示”（EPFD），于2021年启动，其主要目标是对萨博340飞机进行混合动力推进系统改造。它将把两台通用电气CT7发动机与电力推进装置结合起来，展示兆瓦级并联混合动力电动系统。

 

 

在EPFD项目下，NASA的另一项活动涉及了magniX及其合作伙伴AeroTEC和AirTindi，该项目将演示由两台普惠PT6A发动机和两台magniX magni650电力推进装置驱动飞机的概念。这个项目以19座到50座的短途市场为目标。

 

EPFD倡议是计划在全球范围内进行的一系列飞行演示举措之一。我们正处于关键转型的早期阶段：电气化可能是自喷气发动机问世以来在飞机推进方面开展的第一次根本性变革。

 

这项工作的推进正值商用航空业走到十字路口。到目前为止，航空公司还可以期望飞机效率从一代到下一代发生大幅提高。麦肯锡公司2022年的一项研究指出，从历史上看，航空公司升级到新一代飞机时，预期燃油效率提高15%至20%。

不过，喷气发动机已经发展了80多年，效率提高到这种百分比也越来越难以实现。航程可达3500海里（约为6500公里）的大载客量飞机很难超越目前实现的推进和空气动力学效率。

 

以现代涡扇喷气发动机为例。其每公斤燃料的能量约为43兆焦耳，而当前型号的发动机能够以约40%的效率将储存的能量转化为推力。每单位质量的氢包含的能量要多得多，但每单位体积的氢所包含的能量却少得多。这个问题连同氢的生产、可用性和储存相关的挑战需要许多年才能克服。

 

幸运的是，汽车行业正在进行另一场技术革命，电力电子、电动机和储能方面的进步正在改变汽车行业。先进的半导体、电机和电池可将能量转换效率提高到90%以上，并能不断提高功率重量比。这些进步为飞机设计师提供了有吸引力的新选择。

 

然而相较于汽车，飞机电气化面临着独特的、在许多情况下更大的挑战，特别是在与可靠性和重量相关的方面。

因此，为了让这些架构能够用于更大的飞机，目前大量工作都集中在改进电动发电机、电力电子设备、故障管理设备和电力传输系统或减轻其重量上。事实上，NASA正在协调各方工作，开发和部署新型电动发电机、新结构材料，以及利用了新兴宽带隙半导体和优化电路设计的功率转换器。

在飞行中，安全问题至关重要。空中不可“靠边停车”。如果电池着火，飞机上的人也无法离开。

 

重量也是一个更大的问题，因为飞机的大部分能量都消耗在了飞行和停留上。通过优化推进系统与飞机空气动力学的相互作用，设计师可最大限度地减少燃料消耗和整体的能源使用。

 

对于拟开发的混合动力商用喷气式飞机来说，并联式混合动力系统是最受欢迎的配置之一。所谓并联式混合动力系统，即将两个并联动力源（通常是电力和气轮机）通过机械方式连接起来以驱动螺旋桨等推进器。例如，燃气发动机和电动机都可以单独或一起用于旋转同一传动轴。起飞时可能使用的是两个推进源，但在高空巡航时只使用一个。航空业也在研究许多其他架构，包括全电动小型飞机和全涡轮电动双通道喷气式客机，其燃油发动机被用作了发电机，可为电动风扇提供动力。

 

EPFD项目正在利用十多年来的发展成果，其中包括通用电气航空公司的混合电动推进系统，该系统包含了先进的电动发电机（安装在CT7涡轮螺旋桨发动机旁的机舱内）、电池、供电的转换电子设备，以及在混合动力模式下运行所需的控制和管理系统。

 

2022年，NASA和通用电气航空公司实现了一个重要的里程碑，演示了兆瓦级和数千伏混合电动推进系统，并模拟了单通道客机在4.5万英尺（1.4万米）高度遇到的环境。

 

2021年6月，这项高空集成测试在位于俄亥俄州桑达斯基的NASA电动飞机试验台开始。通用电气航空公司的工程师们为这个测试系列组装了两套混合动力系统，分别代表飞机发动机的右侧和左侧，并模拟了帮助优化发动机所需的电力负载，从而为飞机提供动力。

 

 

该测试总体上展示了混合电动推进系统的不同操作模式和灵活性。假设一架飞机有两台涡轮发动机，每侧机翼下各一台，还有一台与每台发动机的轴相连并与电池系统电连接的电动发电机。飞机的每一侧各有一个转换系统，可以将直流电池的电力转换成驱动涡轮旋转的电机所需的交流电。它还可以将交流电转换回直流电，以便将电能储存在电池中。

 

这是测试的基本配置。NASA各系统还被用于驱动通用电气航空的电动发电机，或反之由通用电气航空的电动发电机驱动，以提供实际负载，并取代飞机的螺旋桨和涡轮发动机。直流电源也被用来模拟电池。所有组件都连接完成并运行时，其电气部件经历了未来电气化飞机在通常飞行中可能经历的所有操作模式测试，特别是起飞、巡航和着陆。

 

值得注意的是，这一切都是在模拟高空条件下完成的。这些系统可协同安全运行，没有电气危险和电磁干扰。

让这些系统在高电压、高功率和低气压条件下协同工作是一项重大成就。在这些测试中，最大的挑战之一是如何在飞机飞行时所处的低气压环境下安全地执行较高的电压。客机通常使用270伏范围内的电压，但对于混合电动推进系统来说，这个值太低了。这类飞机将需要两台甚至更多台额定功率在1 兆瓦或更高的电动机。要给这些电机提供足够的动力，需要大约30米的重型电力电缆和较长的缠绕电线。

要让这些电缆重量保持在可承受范围内，工程师需要寻求更高的电压。这源于最基本的欧姆定律。以100伏电压驱动一台兆瓦级电机所需的电流是以1000伏电压驱动该电机所需电流的10倍。因此，如果将该电机安装在飞机上，通常需要以接近1000伏的电压来驱动。原因如下：导体可以承载的电流量与其横截面积成正比，但导线的重量会随横截面积扩大而线性增加。要降低导线的重量，需要将横截面积最小化。这种必要性反过来又限制了电线能够承载的电流量。正如欧姆定律所指出的，限制电流的唯一方法是提高电压。

 

 

不过，在飞机上使用高电压又违反了帕邢定律。本质上，该定律表明，两个导体之间的间隙电击穿电压取决于导体之间的距离，也取决于导体之间空间的气体压力。较低的压力意味着较低的击穿阈值。这对飞机上使用的电气系统来说尤其具有挑战性：在3.5万英尺（1.1万米）的典型巡航高度，压力约为0.28个大气压，不到海平面气压的1/3。这意味着击穿阈值大约降低了1/3。

 

保持低重量和避免电压击穿导致的安全风险是两个相互矛盾的要求，因此电气化领域的领导者们正在投入大量资源来“突破270伏关卡”。NASA技术项目正在致力于研究故障管理、安全性和可靠性等几个方面。研究人员正在寻找材料解决方案，希望能够在不增加重量的情况下可靠地保护导体之间的间隙。这种保护是通过改善绝缘甚至多功能绝缘体（可以同时用于多种用途的多层材料系统）来实现的。这些措施包括防止导体周围空气电离（电晕效应）、提供防潮层、屏蔽电磁干扰、提高导热性以及提供机械强度和耐用性。

 

有几项工作正在研究固态电路断路器，其重量仅为地面断路器的1/10，但解决直流电故障的速度却是地面断路器的10倍。此外，研究人员还在开发电路和设备，旨在减少噪声、干扰以及与电力传动系统常见的线路电压和电流快速变化有关的问题。

NASA的EPFD项目也在继续推进商用混合动力飞机的下一步开发。这些团队的目标是在不久的将来完成至少两次演示，并将电气系统引入商业机群。

现在，通用电气航空公司的工程师们正在收集2022年开展的高空集成测试结果以及通用电气航空公司其他内部项目的信息，并且在利用它们为有人驾驶飞机制造推进系统。

这也是极光飞行科学公司的目标。这家波音子公司正在将通用电气航空公司的混合动力系统集成到萨博340飞机上，萨博340是一款双引擎涡轮螺旋桨飞机，可搭载36名乘客。这项集成工作包括针对新的推进系统修改飞机和制造机舱以适应增加的电动发电机。该公司还需要设计一个界面来从驾驶舱控制推进系统，并确保一切安全协调。如果一切顺利，该团队计划在21世纪20年代中期试飞这款采用混合动力的萨博340。

 

 

通过在飞行中演示这项技术，通用电气航空和波音团队将能够解决与通过高空飞机传输高压电力有关的问题，研究与其他飞机系统的电磁干扰、系统安全、飞机层面的故障管理和保护、质量和重心管理以及热管理相关的问题。

 

在解决混合电动推进设计挑战的同时，NASA、通用电气航空公司和波音公司也在研究操作和维护整个系统的方法。

 

通过在飞行高度对集成到商用飞机中的混合动力传动系统进行飞行测试，团队将有实际的机会为未来的商业运营开发设备和程序。这项工作包括驾驶舱显示和地面维护。

 

测试期间，飞行员和地面人员将处理新的数据，例如电池的状态和条件。控制工程师正在开发适用于混合动力推进的驾驶舱控制和反馈软件。还有因为混合技术而变得更复杂的飞机后勤保障，例如大型高功率电缆的布线和维护。另一个挑战是应对比传统飞机所面临的更高水平的电磁干扰。此外，在准备改装飞机进行飞行的同时，团队正在研究各种细节，比如需要哪些地面支持设备，以及需要哪些流程来确保地面和飞行期间新电气系统的安全等。

 

所有这些知识将有助于定义航空界如何利用电气化，以及如何为21世纪30年代的潜在商用做准备。

 

为了降低风险，该团队正在集成和飞行测试中采用渐进式方法。首先，萨博340将在没有改装的情况下飞行以确定基线测试数据，以便该项目能够测量飞机改装后在性能和规格方面的变化。接下来会改造其中一个发动机舱，放入混合动力组件。借此，该团队可以在仅使用涡轮发动机动力的情况下，在一系列相关重量、高度和空速条件下评估飞机的性能和操纵特性。然后会有条不紊地逐步安装电气部件：第一次飞行将在飞机的一侧安装混合电动推进系统，另一侧安装传统发动机。最终，这架飞机将被改装为两侧均使用混合电动推进系统。

 

这种最终配置将能够进行双向功率传输。这是混合电力传动系统的独特优势，它可以在一台发动机上发电，并通过电缆和飞机控制系统传输到另一台发动机。这是电气化可以实现灵活性的一个例证，为设计师提供了优化燃料燃烧和提高安全性的有力选择。目前，大型全电动商用飞机受到了电池性能的限制，所以EPFD项目将重点放在了那些仅用电力替代部分飞机总推进动力的系统上。不过，用于电气化推进的电池和其他构件仍在改进，研究人员相信未来会有更高的电力水平，将提高一个数量级甚至更多。这将大幅削减空中交通的排放和碳使用量。

航空业要想达成到2050 年实现净零碳排放的宏伟目标，既需要革命性的新技术，也需要新能源。虽然没有哪一种解决方案可以实现净零排放，但混合动力技术的灵活性和兼容性意味着它们可以发挥重要作用。混合动力系统也与其他喷气燃料兼容，例如可持续航空燃料，甚至氢气。

 

NASA、通用电气航空和波音公司这三大美国航空业巨头为推进混合动力飞机的发展所作出的共同努力和承诺，保证了未来的飞行将越来越电动化。