新能源电动飞机发展与挑战

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstrOnauticaSinicaJan．252016V01．37No．157．68ISSN1000—6893ON11-1929／Vhttp：#hkxb．buaa．edu．CRhkxb@buaa．edu．on新能源电动飞机发展与挑战黄俊1’2一，杨凤田11．辽宁通用航空研究院，沈阳1101362．北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100083摘要：发展绿色航空是人类社会形成的基本共识，新能源电动飞机为实现彻底的绿色航空提供了一条光明的技术途径。简述了航空对环境的影响、电在飞机上的应用及电动飞机的发展历程，对新能源电动飞

2、机的能源分类、电推进系统及其总体效率进行了研究，重点针对载人轻型运动飞机，分析了电动飞机的发展现状、特征以及能源需求，通过对电池作为能源的载人电动飞机的航程和极限航程研究，提出了电池能量密度提升和性能改进、高升阻比空气动力设计、低成本轻质高效复合材料结构设计与制造、高效率电推进系统设计与集成等电动飞机发展面临的挑战，给出了应大力发展电动飞机的建议和本领域未来的研究方向。关键词：绿色航空；电动飞机；电推进系统；新能源；航程；技术挑战中图分类号：V221．7文献标识码：A文章编号：1000—6893(2016)01—0057—12100多年来，飞机为改善人类生活、促进经济

3、发展和社会进步发挥了极其重要的作用，同时也给人类生存的环境带来了一些负面的影响。飞机对环境的影响主要体现在3个方面：①机场附近的噪声污染；②由于飞机排放造成的空气质量下降；③飞机向大气排放的CO。等温室气体对区域和全球气候造成的影响[1]。此外，数量上占绝大多数的活塞式通用飞机，除上述三方面的影响外，还会产生超细颗粒物污染和重金属铅污染。按照空中客车公司的统计和预测，从20世纪70年代开始到现在，世界航空运输旅客周转量(RPK)大约15年翻一番，今后20年将以每年4．6％左右的速率持续增长[2]。由此看出，航空运输对环境的压力持续加大，如何缓解和解决飞机对环境的影响以

4、及对石油资源的依赖已经成为必须考虑的问题。欧美等发达国家要求改善飞机环保性能、营造绿色航空的呼声越来越高，许多机构在为缓解航空对环境的影响而工作，其中美国国家航空航天局(NASA)对此问题颇为关注，开展了以达成能够减少噪声、排放和燃料消耗的技术能力为目标的研究工作，提出了生物燃料的使用、先进航空发动机设计、先进飞机设计、空中加油、先进空中交通管理等新思想或技术方案[1]。中国航空工业集团公司也坚持发展绿色航空技术的战略，全面开展了先进气动、降噪、多电、绿色动力、绿色材料和绿色制造等技术研究，以实现节能减排的目标[3]。这些努力都会在一定程度上缓解飞机对环境的影响，但不

5、能从根本上解决问题。新能源电动飞机的出现为航空的彻底绿色化提供了一条光明的技术途径。电动飞机是以电机带动螺旋桨、涵道风扇或其他装置产生前进动力的飞机，电机的电源来自电池、燃料电池、太阳能电池、超级电容或功率束收稿日期：2015．08—28；退修日期：2015．09—25；录用日期：2015·10-09；网络出版时间：2015—10-2616：40网络出版地址：www．cnki．net／kcms／details／11．1929V．20151026．1640．004．htmf*通讯作者．Tel．：010—82317347E-mail：junh@china．com礅磺播武I

6、黄俊．杨凤田新能源电动飞机发展与挑战￡JI．航空学报t2016．37(1)：57-68．HUANGJ·YANGFT．Developmentandchallengesofelectricaircraftwithnewenergies[JJ．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2016，37(，)j57-68．航空学报Jan．252016V01．37No．1(无线功率传输(WPT))等。电动飞机大体上可划分为全电飞机和多电飞机[4]2类，本文重点讨论全电飞机。电在飞机上的应用最先用做活塞发动机起动时的电点火，接着用于无线电通信[5]，K

7、ilgore等在20世纪40年代提出了用发电机发电驱动多个螺旋桨旋转的飞机电推进系统方案，并申请了美国专利[6]，1976年Meier等也申请了用燃料电池或蓄电池驱动螺旋桨的电动飞机专利[7]，由于功率重量比不足，这些技术只能在大展弦比的低速无人机上尝试。1957年世界上第l架用银锌电池驱动的电动模型飞机试飞成功，1973年德国人FredMilitky将奥地利生产的一架HB-3电动滑翔机改装成了电动飞机MilitkyMB-E1，使用镍镉电池和一个10kW直流电机，成功载人飞行了12min[引。世界上第1架太阳能电动飞机于1974年11月4日首飞成功[