新能源飛行器發(fā)展白皮書2024

序新能源飛行器是使用電、氫等新型能源以減少航空運(yùn)輸業(yè)對化石能源依賴的一種飛行器，是貫徹綠色航空、應(yīng)對全球環(huán)境挑戰(zhàn)的重要舉措，是幫助我國航空產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)的必然選擇，同時(shí)也是“第三航空”時(shí)代的重要標(biāo)志。自2016年以來，城市空運(yùn)和電動垂直起降（eVTOL）飛行器開啟了新能源等能源形式也緊隨其后，全方位推動通航、干支線領(lǐng)域的新能源化。2023年12月，中央經(jīng)濟(jì)工作會議提出打造低空經(jīng)濟(jì)等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，作為低空經(jīng)濟(jì)的重要載體，新能源飛行器再次被推上發(fā)展高峰。為把握航空產(chǎn)業(yè)變革關(guān)鍵機(jī)遇，指引我國新能源航空未來發(fā)展方向，中國航空研究院和中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心先后發(fā)布了《電動飛機(jī)發(fā)展白皮書（2019）》和《新能源飛行器發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，在我國綠色航空產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵時(shí)期起到了重要引領(lǐng)作用。全球新能源航空的發(fā)展日新月異，僅在2023年就有超過150個新型號立項(xiàng)，多款eVTOL飛行器投入試點(diǎn)運(yùn)營，億航獲得全球首張局方頒布的載人eVTOL型號合格證，氫動力支線飛機(jī)實(shí)現(xiàn)從零到一的首飛，可持續(xù)航空燃料的投產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大。全球新能源航空產(chǎn)業(yè)在過去四年中規(guī)模翻了一番，吸引了大量企業(yè)、資本團(tuán)體、科研機(jī)構(gòu)跨界參與，美國、英國、法國等國家相繼發(fā)布新能源航空發(fā)展規(guī)劃，從單一的電動飛機(jī)轉(zhuǎn)向電能、氫能、可持續(xù)航空燃料多種能源形式同步發(fā)展，從eVTOL和新能源通航飛機(jī)逐步向更大尺寸的干支線飛機(jī)發(fā)展。為更好把握全球新能源飛行器發(fā)展態(tài)勢，引領(lǐng)國內(nèi)新能源飛行器的技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)布局，培育低空經(jīng)濟(jì)新經(jīng)濟(jì)增長極，中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心在《電動飛機(jī)發(fā)展白皮書（2019）》和《新能源飛行器發(fā)展展望（2022）》的研究基礎(chǔ)上，正式發(fā)布《新能源飛行器發(fā)展白皮書（2024）》，分析新能源飛行器的發(fā)展必要性，明確新能源飛行器的定義和分類，制定我國新能源飛行器發(fā)展規(guī)劃，提出產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議。白皮書提出我國應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持多技術(shù)路線并舉，小型飛行器以電動為主攻方向，干支線等中大型飛行器加快探索氫能、可持續(xù)航空燃料等新能源方案，大力推進(jìn)低空經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，積極開拓全球航空市場，通過傳統(tǒng)民機(jī)賽道和新能源賽道的共同發(fā)力，實(shí)現(xiàn)航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“換道超車”。 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追趕世界航空強(qiáng)國 52.3新能源飛行器面臨良好的國內(nèi)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ) 6 8 8 8 通過電能、氫能和可持續(xù)航空燃料等新能源技術(shù)實(shí)現(xiàn)向低碳航空動力的過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)我國民航局在新冠疫情前的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)4，V2000CG2動空間、加快社會經(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作業(yè)快速發(fā)展對環(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說，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)市場分析報(bào)告》,AirFreightMarketAnalysis2023.9根據(jù)法國巴黎銀行（BNPParibas4瓦級氫燃料電池動力系統(tǒng)的地面試驗(yàn)，同時(shí)聯(lián)合賽峰、達(dá)索等公司啟動我國在新能源飛行器領(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，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升我國新能源飛行器產(chǎn)業(yè)鏈的整體競爭力，電池產(chǎn)業(yè)龍頭企業(yè)寧德時(shí)代已我國龐大的市場需求提供了足夠的內(nèi)需動力，低空經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)的后發(fā)優(yōu)國家機(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)工作會議明確將低空經(jīng)濟(jì)作為我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，提出打能源來減少航空運(yùn)輸業(yè)對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)用場景和構(gòu)型的角度進(jìn)行分類，還可以針對新能源飛行器的能源和動力方式進(jìn)行分類。新能源飛行器從能量來源的角度可分為電能飛能飛行器的能量來源是氫和氨燃料。新能源飛行器從動力來源的角度可分所有以電動機(jī)為動力來源的飛行器的總稱，電動機(jī)的電力來源可以是動力經(jīng)濟(jì)和民航應(yīng)用場景對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)，并對其性能和應(yīng)用前景進(jìn)行了在我國雙碳戰(zhàn)略牽引的背景下，以航空燃油為動力來源的傳統(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，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)用場景需求為標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)測新能源的儲能電池和電推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測，在今后的研究中會增加更多的技術(shù)能儲能電池達(dá)到500Wh/kg，美國能源部（DOE）認(rèn)為航空電池的能量密度應(yīng)當(dāng)超過能滿足eVTOL在起降或者懸停時(shí)的動力系統(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)用場景下的絕大多數(shù)低空裝備所需的電動機(jī)單機(jī)功率不超過200kW。美歐國家現(xiàn)有的航空電動機(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、趨勢外延法等方法對未來我國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。商用飛機(jī)完成氫動力飛機(jī)和混合動力飛機(jī)創(chuàng)新構(gòu)型設(shè)計(jì)能源系統(tǒng)儲能電池氣電池、硅陽極材氫燃料電池高效水熱智能管理儲氫系統(tǒng)存儲輕量化設(shè)動力系統(tǒng)電動機(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)行簡單介紹，更多信息詳見相關(guān)論氫燃料電池提供飛行過程中的大部分電力，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，氫動力飛機(jī)對氫燃料電池飛機(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)電動機(jī)的功率體積密度對航程的影響較小。敏感性分析還可以作為優(yōu)先改進(jìn)哪些技術(shù)的參考。燃料電池效率和儲氫質(zhì)量比的提高將對飛機(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)動力形式相比，電推進(jìn)系統(tǒng)具有一定程度的功率相對尺度無關(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)身上分布安裝多個螺旋槳/涵道風(fēng)國內(nèi)外企業(yè)、高校和科研機(jī)構(gòu)正持續(xù)不斷探索新型氣動布局及各種氣電推進(jìn)技術(shù)通過高功率密度電動機(jī)帶動涵道風(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，將會成為代替煤油噴氣發(fā)動機(jī)的新型飛行動力裝置得益于電機(jī)的相對尺度近似無關(guān)性，總功率相同時(shí)單個大功率電機(jī)和多個小功率電機(jī)系統(tǒng)的功率密度和效率基本一致，采用多個小功率電機(jī)驅(qū)動較小直徑風(fēng)扇的分布式電驅(qū)動系統(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)儲能電池-燃料電池混合供電系統(tǒng)是一種兼顧儲能電池和燃料電池優(yōu)料電池的功率密度又低于儲能電池，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)的動態(tài)響應(yīng)較慢，響應(yīng)速度更快的儲能電池可以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，發(fā)動機(jī)必須進(jìn)行針對性改進(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。氫動力飛機(jī)需要額外的氫燃料目前看來液氫存儲是比較合適的機(jī)上氫燃料存儲方案，相比于氣態(tài)存儲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)來源：KhandelwalB,etal.Hydrogenpoweredaircraft:Thefutu27則舍棄了溫控裝置，采用真空夾層等手段被動地隔絕氫燃料和環(huán)境之間的本的氫動力汽車產(chǎn)業(yè)在政府和企業(yè)長達(dá)十余年的大力推動下仍然收效甚微，一個很重要的原因就是始終沒有解決氫動力汽車全面鋪開時(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)輸與存儲是氫動力飛機(jī)能否投入大規(guī)模商業(yè)運(yùn)營的關(guān)領(lǐng)域是向機(jī)場輸送氫氣和機(jī)場的存儲與加氣設(shè)施。輸送氫氣的一個選擇是通過現(xiàn)有的天然氣輸送網(wǎng)絡(luò)，對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)、儲存與工藝和技術(shù)的影響以外，原材料的供應(yīng)量對其大規(guī)模應(yīng)用也起著決定性作家政策導(dǎo)向等要素評估不同可持續(xù)航空燃料技術(shù)路線的可行性?？沙掷m(xù)航從原料來源的角度來說，我國具有較大發(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。