未来飞行：浅谈电力推进与混合动力系统

上期，霍尼韦尔航空航天集团高级总监菲尔·罗宾森（Phil Robinson ）带我们了解了氢燃料电池相关技术。今天，我们来看看霍尼韦尔航空航天集团高级商业拓展总监泰勒·阿尔伯施塔特（Taylor Alberstadt）谈电力和混合动力推进技术。

Taylor的日常可以用几个缩略词来高度概括：eVTOL、OEMs、UAS、UAM、AAM。

VTOL（Vertical Takeoff and Landing）

是指垂直起降的飞行器，比如直升机、旋翼机这些起飞和降落都可以在同一地点完成的飞机，不像固定翼飞机那样需要跑道。eVTOL则是从这种飞行器发展而来的以电力驱动的垂直起降飞机，E代表的就是电力（electric）。这类面向未来的飞行器可以做到零排放，不使用发动机，而是由电池或Phil谈到的氢燃料电池驱动。

OEM（Original Equipment Manufacturers）

是指原始设备制造商，也就是我们的客户，他们制造这些面向未来的飞行器。

UAS（Unmanned Aerial Systems）和UAM（Urban Air Mobility）

是近几年来的媒体热词，UAS是指无人机系统，比如一些小型无人机；UAM指城市空中交通，包括稍大一些的货运无人机、“飞的”等在城市区域运营的飞行器。

AAM（Advanced Air Mobility）

即先进空中交通，指一项新兴的、革新性的航空技术，可用于经济高效地进行城市与市郊地区的货运和客运。也有一些人把AAM的概念扩大，将其看做航空2.0，涵盖帮助塑造新兴航空市场的所有全新技术，包括UAS、UAM以及固定翼飞机的混合动力和全电架构。再说到航空运输和支线飞机，我们称这一航空细分领域为ATR，也有很多飞机制造商在行动。

目前，已经有200多家OEM公司进入了AAM市场，他们专注于各类飞行任务和运营，包括用于快递行业的小型一级或二级货运无人机、将会彻底改变城市内及城市间出行的“飞的”，以及飞行更安静、运营更环保高效的核载12-19名乘客的飞机，还有就是ATR市场的新型零排放窄体或宽体飞机。我们正在与这个市场的合作伙伴共同研究用于新型窄体机的创新技术。

令人激动的是，AAM市场的OEM公司正在不断前进。

一方面，目前已经有Joby、Vertical、Lilium和Archer四家eVTOL公司上市了，他们筹集了大量资金，估值上亿。可以看出人们对这个领域非常感兴趣。

另一方面，说到真正投入运营，有一些公司计划两到三年内开始投入服务。这些公司中的大多数会先从货运开始，不过也会有私人飞行器和“飞的”。还有更多的公司计划在2030年以前开始投入服务。

这些是这个AAM市场正在发生的，而且进展非常快。

说到电力推进和混合动力，从技术的角度出发指的是什么？

有很多方式可以驱动一架飞机。当我们讨论全电解决方案时，意味着我们需要电力推进单元EPUs（Electric Propulsion Units）。EPUs由电机和电机控制器组成，他们通过带动转子或风扇来驱动飞机。这些EPUs是电动的，电力的来源可以是燃料电池、电池等等。除了这类全电解决方案以外，还有其他的发电方式，例如涡轮发电机，这就需要用燃气涡轮发动机搭配发电机来产生电力，也就是我们所说的混合动力解决方案。

霍尼韦尔在整条价值链上都有相应的解决方案。

我们可以根据客户特定飞行运营要求生产相适用的涡轮发电机，通过电力分配系统，将电力输送到电力推进单元。然后，电力推进单元将电能转化为机械能，带动风扇和转子，进而产生推力。

我们近期成功完成了1兆瓦发电机首轮测试。该系统是设计用于混合动力飞机的新型机载电源，此次测试的成功也将成为混合动力解决方案的重要基石。

为什么需要不同的推进架构呢？区别在哪里呢？

考虑驱动飞机的方式时，有两个主要的方向。

第一，动力源是什么？也就是说能量是怎么来的？动力源可以是使用传统航空燃料的燃气涡轮发动机，或是使用50%可持续航空燃料（SAF）混合的发动机，或是不远的未来采用100%可持续航空燃料（SAF）的发动机。那么，即使依然使用燃气涡轮发动机，整体解决方案也更加环保了。或者采用电池或燃料电池作为动力源，也可以有混合动力的解决方案。

第二，推力来源是什么？首先可以来自涡轮发动机本身，也就是我们现在出行所乘坐的飞机的推进方式。也可以来自电机，也就是前面说了很多的电力推进。然后，就是二者相结合的解决方案。

所以，结合这两个层面的考虑，如果我们把使用航空燃料的传统发动机放在坐标轴的左下角，不论是从动力源的方向出发，还是从推力来源的方向出发，最终都将达到全电解决方案。而其间则是多种混合动力解决方案，可以满足不同客户的各类飞行运营需求。

这些解决方案的优势有哪些呢？客户为何对这些技术有所期待？

我们并不是单单为了技术而研究技术。这些解决方案最大的优势就是环境友好。

从运营的角度来说，全电解决方案能够为我们带来零排放的飞机，这非常有利于可持续发展。当然，更深一层的讨论会涉及到电池或燃料电池的生产及原材料、电池达到使用寿命后的处理等等。但如果只讨论运营环节，电池或燃料电池解决方案是非常环保的。

再说到电池的充电，这比目前我们所使用的传统航空燃料成本低多了。比如说电动汽车，人们会对比，给电动汽车充电花的电费比起动辄三位数的加油费，那是低多了。也就是说，全电解决方案能够降低运营成本。产生运营成本的另一个方面是维护。燃气涡轮发动机结构复杂、维护成本高，电力推进单元的维护成本相对较低。

还有就是安全性方面。分布式电力推进系统冗余性更好，从而更加安全。举个例子，直升机是一个大的转子带动旋翼旋转，如果这个转子遇到故障，那麻烦就大了。而再看这些全新的电力推进飞行器，设计上一般有8、10、12、甚至30个由EPUs驱动的推进器或转子，如果某个推进器或转子遇到故障，这种分布式电力推进系统可以让飞行器更安全地降落。

另一个优势则是噪声低。对于全电解决方案来说，虽然依然有风扇和转子在运转，但因为没有了燃气涡轮发动机，噪声大大降低。根据一些制造商发布的信息，在60-90米的高度，电力推进飞行器产生的声音也就跟我们日常聊天的声音差不多大。

全电解决方案是未来发展趋势，只是时间和方式的问题。未来会有针对环保和可持续的规章出现，而全电解决方案从运营角度来看是可以做到零排放的。

在这个行业兴起的过程中，有哪些我们必须克服的困难和障碍？

确实有很多挑战。首先，是基础设施——必须有相应的设施支持电池充电或更换。第二，要为这类垂直起降的飞行器建设专门的起降机场（Vertiport），人们在这些起降机场乘坐垂直起降飞行器。

建设充电或更换电池的基础设施将是个复杂的任务，也需要大量资金。就像现在开电动车出行的人会遇到的困境，需要充电的时候找不到充电桩，垂直起降飞行器的配套设施也需要考虑类似问题。还有，充电设备不一定能适配所有垂直起降飞行器，目前来说这方面还没有设立相关标准。

同时，电池的能量密度也是不一样的，也就是说一个电池所能提供的能量大小不一样。再加上电力推进系统的动力密度不尽相同，也就是说在一定时间内能够从一块电池获得的动力大小不一样。在设计具体的电力推进系统时，会在能量密度和动力密度这两者之间有所权衡，以满足不同的需求，比如有的飞行器在起飞阶段需要更多动力、有的希望飞行距离能够更远等等。因此，无法做出一个能够适配所有飞行器的电池系统。而在电池领域，关于能量密度和动力密度的最佳组合，目前还没有定论。

另一方面的挑战是，我们提到的小型货运无人机、“飞的”等都是采用全电解决方案的飞行器，而现有的电池种类并不能满足如此多的应用需求。这也是为什么会有很多混合动力系统——用涡轮发电机来缓解一些电池的压力，甚至在飞行中用涡轮发电机产生的电能给电池充电。这样的结构就不需要耗费大量时间在地面充电了。

适航审定则是另一个需要解答的难题。我们熟知现有的喷气式发动机技术，世界各国、各地区的航空管理机构有完善的适航审定相关要求及流程。而对于电力推进系统、混合动力系统等各类新技术，管理机构需要先制定好相应的适航审定基础。

在垂直起降飞行器这个新型领域，随着发展，我们会看到行业的头部企业形成和竞争者淘汰。现在有200多家OEM公司活跃在这个领域，但未来不可能有200多种不同的飞行器。OEM会有一定整合。同时，一些OEM可能在技术上会遇到瓶颈，导致设计无法实现。而航空业的竞争成本是很高的，制造原型机和实现早期生产所需的资金可能达到5亿美金。

因此，必然会有一些竞争者被淘汰。

可以预见的是，未来几年，我们会看到一些最初进入这个市场的公司取得突破性进展。但他们能够保持优势吗？而当第二波OEM公司进入市场，在适航审定、飞行器设计等方面都有了更好的理解和积累，站在前人的肩膀上，将有可能带领整个行业大踏步向前。

霍尼韦尔积极投身于电力推进和混合动力解决方案

在电力推进系统方面，我们与日本电装集团（Denso）达成战略合作伙伴关系。电装集团在汽车领域积累了丰富经验，拥有广泛的解决方案，服务于全球客户。我们携手电装集团，利用我们在适航审定、系统集成、航空航天技术知识方面的专长，结合电装集团在汽车规模生产及自动化方面的优势，共同努力，致力于打造电力推进单元核心系列产品，服务于多种不同动力级别、采用全电结构的飞行器，助力AAM市场发展。我们全力以赴，与电装集团通力合作，开发原型机并期待早日投入生产。

在涡轮发电机和混合动力方面，霍尼韦尔在燃气涡轮发动机设计和制造上拥有很长历史，从APU、涡轴发动机、涡轮螺旋桨发动机到最新的1兆瓦发电机和250千瓦发电机，我们可以通过变速箱将燃气涡轮发动机与发电机相集成，满足客户对于涡轮发电机的独特需求。