創(chuàng)新精神號：航空電推的探索與展望

解鐵軍

打破世界速度紀錄

羅爾斯-羅伊斯公司宣布“創(chuàng)新精神”號全電動飛機于2021年11月16日以555.9公里/小時（345.4英里/小時）的速度飛行了3公里，打破了電動飛機速度世界紀錄。在隨后的測試中，“創(chuàng)新精神”號以532.1公里的時速飛行超過15公里，并用時202秒爬升到3000米，創(chuàng)造另兩項新的世界紀錄。這些速度紀錄申請了國際航空運動聯(lián)合會（FAI）認證，使“創(chuàng)新精神”號成為名副其實世界最快全電動飛機。

此前，電動飛機世界紀錄于2017年由西門子使用Extra 330特技飛機改裝的330LE電動飛機創(chuàng)造，最大飛行速度是210英里/小時（336公里/小時）?！皠?chuàng)新精神”號打破并大大提高了該紀錄。實際上，羅爾斯-羅伊斯于2019年收購了西門子的電動飛行業(yè)務單元， 并逐步將其技術和項目整合到羅爾斯-羅伊斯電動業(yè)務。

“創(chuàng)新精神”號全電動飛機項目于2018年啟動。項目預算6百萬英鎊，其中一半由英國政府資助。參與公司主要包括ElectricFlight、YASA和羅爾斯-羅伊斯電動業(yè)務部門。項目啟動時的主要目的是探索以多電或全電推進為代表的航空的第三個時代，力爭打破全電動飛機速度的世界紀錄，以此來展示羅爾斯-羅伊斯及其合作伙伴的技術專長和能力，從而推動可持續(xù)綠色凈零碳航空承諾的實現(xiàn)。

“創(chuàng)新精神”號概況

“創(chuàng)新精神”號的機體部分使用成熟的競速飛機平臺Sharp Nemesis NXT?！皠?chuàng)新精神”號使用72千瓦時電池，大功率飛行大約可持續(xù)8分鐘。鋰電池封裝后能量密度為155瓦時/公斤，電池殼體是機體結構的一部分。

“創(chuàng)新精神”號串聯(lián)安裝三個獨立的 750伏、133千瓦的電動機，總功率400千瓦共同驅動一副螺旋槳。包括電池包、控制器和電動機在內的主要驅動系統(tǒng)都裝有主動冷卻系統(tǒng)。機體結構重295kg，高壓動力系統(tǒng)重200kg，電池系統(tǒng)重474kg，其它輔助系統(tǒng)及部件重175kg。

從上面的數(shù)據(jù)可以看出，系統(tǒng)中超過三分之一的重量是電池。在項目啟動時，電動汽車界的電芯能量密度大約是240 wh/kg，由此對應的電池包能量密度大約是120 wh/kg。電芯和電池包輔助系統(tǒng)的重量比大約是50%比50%。“創(chuàng)新精神”號的主要挑戰(zhàn)是將航空業(yè)控制安全的理念和設計標準帶入到電池包的設計中，同時將電芯和電池包輔助系統(tǒng)的重量比提高到65%比35%。

不同于傳統(tǒng)電動飛機將高能量密度作為主要的設計目標，“創(chuàng)新精神”號為了實現(xiàn)更高的速度，必須要提高飛機的功率密度。電動飛機的功率密度可以類比傳統(tǒng)航空發(fā)動機的推重比，只有高功率密度才能支持更高的飛機飛行性能參數(shù)，比如速度或者機動性。為了實現(xiàn)高功率密度，“創(chuàng)新精神”號最快可以在8分鐘內將電池包內的能量全部消耗，這在熱管理和保證安全方面帶來很高的挑戰(zhàn)。

為了保證安全，“創(chuàng)新精神”號的電池包由三個電氣上連接，但機械上獨立的電池分包組成。這些電池包都由主動冷卻系統(tǒng)來進行熱管理。這種冗余設計提高了系統(tǒng)的安全性。電池包還進行了熱失控的模擬。熱失控模擬在60%充電狀態(tài)、60度溫度和創(chuàng)記錄飛行的狀態(tài)下進行。在人為將2個電芯加熱到排氣閥打開后，電池包在經(jīng)歷13個電芯熔化排氣閥后停止熱失控。為了實現(xiàn)熱管理，抵御熱失控，電池包的設計中采用多層級的防御措施。在電芯層仔細選擇電化學設計、材料、電池生產(chǎn)工藝和電芯防御措施;在電芯選擇上進行了大范圍的電池表征;在電池組模設計中進行模塊化設計并進行熱測試;在電芯使用時嚴格控制使用參數(shù);為了保證熱包容，電池包帶有快速壓力釋放功能并使用具有阻熱能力的電芯分隔艙。

“創(chuàng)新精神”號打破速度世界紀錄是羅爾斯-羅伊斯在電動航空推進領域多年探索和耕耘的一個小結。羅爾斯-羅伊斯已經(jīng)進行了超過1500次電動飛行，總飛行電能超過1萬7千多千瓦時。完成的試驗項目有Magnus eFusion、Extra 330LE、Flight Design F2e、ByeAerospace eFlyer 2和City Airbus。正在進行的項目有 Tecnam P-VOLT 全電動通勤飛機、Do228亞兆瓦級支線飛機，APUS i5 混合推進項目等。羅爾斯-羅伊斯的目標是在本世紀20年代中期推出面向小型螺旋槳飛機、城市空中交通（UAM/AAM）和通勤市場的電動推進產(chǎn)品組合。這個組合包括電池包，電控和電動機。

航空電動推進有諸多優(yōu)勢。電動推進控制難度低、響應快，使它可以更方便快捷地應用在響應要求高的場合，比如城市空中交通（UAM/AAM）。與此同時，電動推進相對于燃氣輪機的環(huán)境影響小，包括低/零空氣污染、低噪音和低二氧化碳排放，這使電動推進適應性更高，并在航空可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮關鍵作用。航空電動推進的能源利用率也更高，在許多場景下高于往復式或燃氣輪機推進系統(tǒng);電池和電力電子器件近期的發(fā)展使航空電動推進成為可能。電動推進有可能帶來新的出行方式，并重塑航空運輸業(yè)。電動航空推進已經(jīng)在一些領域展現(xiàn)出經(jīng)濟競爭力，比如說飛行培訓領域。

在此背景下，基于在航空推進領域積累的行業(yè)經(jīng)驗和技術專長，羅爾斯-羅伊斯持續(xù)在電動航空領域進行投資。羅爾斯-羅伊斯是往復式發(fā)動機和燃氣輪機領域的先驅和領導者，現(xiàn)在把電動航空當作航空的第三個時代未來重點發(fā)展。電動航空推進，同持續(xù)提高燃氣輪機效率和擴大可持續(xù)航空燃料（SAF）的使用一起，構成了羅爾斯-羅伊斯推動可持續(xù)航空、實現(xiàn)凈零碳的三大戰(zhàn)略。希望“創(chuàng)新精神”號創(chuàng)造的速度世界紀錄能讓全社會更加關注航空電動推進的潛力，并共同促進航空電動推進的發(fā)展。

航空電動推進處于發(fā)展的初期，需要參與各方，特別是企業(yè)的持續(xù)的高質量創(chuàng)新活動來開發(fā)和應用新的技術;需要持續(xù)提高電動推進系統(tǒng)的能量密度、功率密度、可靠性、安全性和效率。電動航空推進的所有參與方，包括電芯、芯片等技術提供方，部件集成方和飛機集成方需要密切配合，對系統(tǒng)進行優(yōu)化。將航空電動推進技術轉變?yōu)檫m航的產(chǎn)品則需要相關法規(guī)和標準、測試方法和工業(yè)界同局方的密切溝通。最后，電動航空推進可能會重塑整個航空運輸系統(tǒng)，影響機票預訂，機場、空中交通管理以及包括電網(wǎng)在內的基礎設施建設和改造。民航業(yè)界各方需要攜手打造一個生態(tài)系統(tǒng)，共同促進大規(guī)模電動航空推進的早日實現(xiàn)，加速振奮后疫情時代民航的生機和活力，并為實現(xiàn)碳中和/凈零碳排放做出貢獻。