新能源飞行器定义、分类及发展规划分析

在我国双碳战略牵引的背景下，以航空燃油为动力来源的传统飞行器 难以完成减排降噪目标。

1.新能源飞行器的定义

新能源飞行器是以实现未来零碳排放飞行为目标，使用电、氢能等新型 能源来减少航空运输业对污染大的化石能源依赖的绿色航空技术新型飞行 器。新能源飞行器是满足国防装备建设、碳中和、航空电气化等国家重大战 略需求的关键核心，应符合以下条件：（1）全生命周期内降低温室气体（以 二氧化碳为主）排放；（2）对环境友好，保护生态系统，保障生物多样性； （3）具有技术可实现性；（4）具有经济价值及市场竞争力。

2. 新能源飞行器的分类

《中国大百科全书》将航空器（飞行器）分为气球、飞艇、滑翔机、飞 机、直升机、自转旋翼机、倾转旋翼机和扑翼机共八类。无论是传统的燃油 动力还是电驱动、氢能等新能源动力，均遵循以上分类方式。传统的民用航 空范畴包括通用航空和公共航空运输两种，近些年又催生出城市空运、无人 机作业等新应用领域。从应用场景的角度，新能源飞行器可粗略分为电动垂 直起降（eVTOL）飞行器、新能源通航飞机以及干支线飞机等，其中 eVTOL 飞行器又分为多旋翼、复合翼、倾转旋翼等构型。

eVTOL 作为一种新式的飞行器，其在定义和分类上与传统的直升机、无 人机之间有着密不可分的联系，同时也极易被混淆。从航空行业的视角来看， 电动垂直起降（eVTOL）飞行器可以拆分为“电动”和“垂直起降”两个属 性，前者表示动力来源，后者表示飞行能力。垂直起降飞行器和直升机可以 看作是同一类产品的不同表述形式，直升机不只有常见的“单旋翼+尾桨” 构型，也有多旋翼、倾转旋翼和复合翼等构型，一般认为 eVTOL 和直升机的 区别主要在于动力方式的不同。FAA 将具有飞机和直升机特性的飞行器定义 为“动力升降”类飞机，其中就包括 eVTOL 飞行器。

eVTOL 和无人机的核心区别在于是否有“人”，而与构型、尺寸等因素无关。一般认为有人驾驶或者载人的飞行器属于eVTOL，无人驾驶且同时载物的飞行器属于无人机。另一个极易被混淆的概念是 eVTOL 和飞行汽车。飞行汽车作为一种特殊的 eVTOL 飞行器，其核心特征是可以同时满足地面行驶和空中飞行两种功能,具备汽车和飞行器的双重属性。飞行汽车也分为常规起降构型和垂直起降构型两种，前者早在上世纪就推出过多个产品,和eVTOL无直接关系，后者伴随着近些年电动航空技术的发展逐渐兴起，属于eVTOL 的一个分支。

除了从应用场景和构型的角度进行分类，还可以针对新能源飞行器的 能源和动力方式进行分类。新能源飞行器从能量来源的角度可分为电能飞 行器、氢/氨能飞行器和可持续航空燃料飞行器，其中电能飞行器的能量来 源包括作为储能装置的动力电池和作为能量转化装置的太阳能电池，氢/氨 能飞行器的能量来源是氢和氨燃料。新能源飞行器从动力来源的角度可分 为电动飞行器、氢/氨动力飞行器和可持续航空燃料飞行器，电动飞行器是 所有以电动机为动力来源的飞行器的总称，电动机的电力来源可以是动力 电池和太阳能电池，也可以是氢和氨燃料电池。氢/氨动力飞行器只包含将 氢和氨作为发动机燃料的飞行器，其范围要小于刚才提到的氢/氨能飞行器。 另外，使用可持续航空燃料的飞行器单独归为一类，以上分类方式暂不包括 核动力、飞轮储能等应用前景尚不明朗的航空动力方案。

3.发展规划

不同新能源技术的优势区间

在我国双碳战略牵引的背景下，以航空燃油为动力来源的传统飞行器 难以完成减排降噪目标。新能源技术作为我国八大战略性新兴产业之一，尤 其是新能源交通领域在政策支持、技术储备、产业规模等方面已经有了长足 的发展，工业级的锂电池能量密度超过 250Wh/kg，氢燃料电池系统功率密 度接近 1kW/kg，实验室环境下电机功率密度超过 4kW/kg，高温超导电机、 复合材料氢燃料存储罐、高效液氮冷却装置等技术取得关键性突破，总体设 计、能源架构、电气元件等领域不断发展，已经具备新能源飞行器研制和落 地的产业基础。

新能源飞行器除了按照能源供给方式和动力产生方式的分类以外，按 照用途、航程和载客（货）量可以粗略地分为通航飞机、eVTOL 飞行器、支 线飞机、窄体干线飞机、宽体干线飞机和超大宽体干线飞机。综合考虑飞机 性能指标、技术成熟度、市场需求、产业链发展、法律法规等因素，对未来 新能源飞行器的技术发展进行预测，得到不同乘客数和航程的新能源飞行 器能源动力方案优势区间如下。其中，不同乘客数和航程对应的新能源飞行 器性能包线基于对未来市场和技术发展的预测。

面向低空经济应用场景的 eVTOL、新能源通航飞机等机型(20 座以下)预计在 2025年左右可投入商业应用，能源方案以储能电池和燃料电池为主。面向传统航空运输市场的新能源干支线飞机发展周期较长，预计在 2030年到 2050 年之间投入使用，机型从20到100座支线飞机(对标新舟 60、ATR-72，可能采用氢燃料电池)逐步向100到200座窄体干线飞机(对标商飞 C919、空客 A320，可能采用氢燃料电池或氢涡轮)、200 到 400 座宽体干线飞机(对标空客 A350、波音747，可能采用氢涡轮或 SAF)发展。上述飞机也可以采用混合动力的能源方案。对于 400 座以上的超大宽体干线飞 机，目前仅有可持续航空燃料可以满足其性能要求，其他新能源方案需要根 据未来突破性技术的发展情况做进一步的论证。

新能源飞行器技术发展目标

白皮书以满足低空经济和民航运输应用场景需求为标准，预测新能源 飞行器能源动力系统的目标技术能力。由于燃料电池、氢涡轮等技术尚处于 研究阶段，分析样本和可靠依据较少，因此白皮书仅对技术成熟度相对更高 的储能电池和电推进系统进行预测，在今后的研究中会增加更多的技术能 力指标。

1、储能电池 对于电池能量密度，NASA 认为 eVTOL 飞行器的电池系统能量密度需要 达到 500Wh/kg，美国能源部（DOE）认为航空电池的能量密度应当超过 1000Wh/kg 才能满足中型以上商用飞机的飞行需求。综合考虑各项研究结论， 面向 eVTOL、中小型无人机等低空飞行器的储能电池系统能量密度目标设定 为 500Wh/kg，面向新能源商用飞机的系统能量密度目标设定为 1000Wh/kg。 对于电池放电倍率，NASA 认为电池的最大放电倍率必须达到 3 到 5C 才 能满足 eVTOL 在起降或者悬停时的动力系统功率需求。也有研究者认为 eVTOL 在降落过程中如果遇到侧风、障碍物等突发情况，快速拉起和姿态调整所需的电池瞬时放电倍率将达到 7C。电池放电倍率目标设定为连续放电 3C，瞬时放电 5 到 7C，其中 5C 应至少持续 10 分钟，7C 应至少持续 2 分钟。 考虑到经济性等因素，新能源飞行器所需的电池循环寿命应尽量在 1000 次以上，也有学者认为需要达到 2000 次才有较好的经济性。电池循环 寿命目标设定为 15℃测试环境下 2000 次循环充放电后电池容量衰减到 80%。

2、电推进系统 低空经济应用场景下的绝大多数低空装备所需的电动机单机功率不超 过 200kW。美欧国家现有的航空电动机产品额定功率密度一般在 2.5 到 3.5kW/kg 之间，峰值功率密度可以达到 5 到 8kW/kg，基本能够满足轻负载 应用场景下的使用需求。如果是电动机功率更高的干支线飞机，相应的功率 密度要求也会增加。白皮书认为，对于 100 到 200kW 级电推进系统，额定 功率密度目标设定为 4 kW/kg。 在航空领域广泛应用的永磁同步电机效率可以达到 94%~95%，越往上提 升的难度越大。近些年受到较多关注的超导电机理论效率在 98%以上，但在 超导材料、电机强度、可靠性等方面仍存在技术问题，短期内较难实现落地 应用。综合考虑新能源飞行器的功能性能需求，100 到 200kW 级电推进系统 的推进效率目标设定为 96%。 

关键技术发展预测

白皮书采用德尔菲法、趋势外延法等方法对未来我国新能源飞行器的 阶段性技术发展指标和技术路径进行预测分析。技术预测的范围包括：①飞 行器本体技术（eVTOL、无人机等低空飞行器，以及干支线商用飞机）；②能 源系统技术（储能电池和燃料电池）；③动力系统技术（电动机和氢涡轮发 动机）。考虑到技术的长期发展存在较多不确定性因素，预测时间跨度从 2025 年到 2035 年。技术指标的预测基准为投产装备型号可以达到的技术能 力水平。

氢能飞机概念设计

20 到 100 座的氢动力支线飞机在未来的五到十年内具有较高的发展价 值，既可以验证电推进、储氢、能量管理等新能源航空技术，又能加快机场 氢能基础设施建设，对我国新能源航空的全面发展具有重要推动作用。2022 年发布的《新能源飞行器发展展望 2022》分析了两种氢能混合动力涡桨支 线飞机设计方案，白皮书在此基础上提出一种氢燃料电池支线飞机概念设 计，命名为“氢能 1 号”。限于篇幅，白皮书仅对“氢能 1 号”的设计方案 和分析结果进行简单介绍，更多信息详见相关论文11。 “氢能 1 号”使用液氢存储罐+氢燃料电池+锂电池+电动机的动力方案， 氢燃料电池提供飞行过程中的大部分电力，锂电池在飞机的起飞和爬升阶 段进行辅助供电。储氢罐放置在机身后部（占用大约四排座椅空间），锂电 池放置在机身底部，氢燃料电池和电动机放置在发动机短舱内。依托我国快 速发展的新能源装备、氢能等相关产业，使用国产涡桨支线飞机改装氢动力 的成本和风险相对较低，有望在 2 到 3 年内实现首飞。

根据仿真计算结果，与常规的航空煤油动力飞机相比，采用氢-锂混合 供电的“氢能 1 号”支线飞机理论航程降幅为 31.9%到 43.3%，载客量降幅 为 13.3%到 26.7%，商载减少 8.7%，能效提升 5.1%，运营成本增加 46.9%， 碳排放减少 87.5%。尽管“氢能 1 号”支线飞机在商载和航程方面无法与常 规动力飞机相媲美，其仍可以满足大部分国内支线航线的使用需求，而且在 能量利用效率、碳排放等方面具有较大的优势。同时，随着氢燃料生产使用 成本的降低和新技术新构型的应用，氢动力飞机的性能劣势将逐渐缩小。

对氢燃料电池飞机的设计模型进行敏感性分析可以深入了解各项参数 对飞机性能的影响程度，例如燃料电池效率、氢燃料质量比、电机功率密度 等。经过计算可知，氢燃料电池效率对飞机性能的影响最大，而燃料电池和 电动机的功率体积密度对航程的影响较小。敏感性分析还可以作为优先改 进哪些技术的参考。燃料电池效率和储氢质量比的提高将对飞机航程产生 巨大的影响，与之相比，燃料电池和电动机的功率体积密度则对飞机航程的 提升几乎没有影响。