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中国航空研究院发布:2021电动飞行汽车发展白皮书
来源:尖兵之翼 | 作者:高博特 | 发布时间: 2021-10-20 | 531 次浏览 | 分享到:
聚焦总体设计技术、高效高功重比电推进技术、能量综合管理技术、能源系统技术等重点领域关键技术发展......

当地面上的电动汽车越来越普及时,天空上的“电动飞行汽车”(以下简称为“电动飞车”或“飞车”)也在紧锣密鼓的研究着,尝试着,推进着。电动飞行汽车以电能作为推进系统的全部或部分能源,是“第三航空”时代的重要标志。它将开启航空领域新一轮创新与变革热潮,引领航空技术创新、推动绿色航空发展,将对世界航空业产生革命性的影响。由中国航空研究院组织国内优势力量,从电动飞行汽车发展必要性、定义与分类、重点产品、关键技术、措施建议等方面,研究提出《电动飞行汽车发展白皮书》。白皮书提出我国应重点发展城市空运、轻型运动、通勤运输、干支线运输等4类电动飞车;聚焦总体设计技术、高效高功重比电推进技术、能量综合管理技术、能源系统技术等重点领域关键技术发展;建议制订电动飞车发展战略规划、加大研发投入,同时关注适航能力建设与人才培养,从而推动我国电动飞行汽车发展。

美国贝塔公司Alia电动垂直起降飞车

美国弓箭手公司展出的双座飞车

航空研究的战略推动力包括全球机动、环境挑战、技术聚焦三个方面,通过替代燃料和先进低碳推进技术实现向低碳航空动力的过渡,是应对环境挑战的主要举措。

在电动飞行汽车领域,目前国内外均处于起步阶段,以电动飞行汽车技术引发的技术革新为契机,我国航空业有望迅速达到或赶超世界先进水平,同时带动我国多个相关产业的整体发展。

电动飞行汽车是指以电能作为推进系统的全部或部分能源的私人空中出行工具,其电能全部或部分来自蓄电池、燃料电池、发电机等供电装置。

按照应用场景,电动飞行汽车可分为轻型运动电动飞车、城市空运电动飞车、通勤运输电动飞车、干支线运输电动飞车4类。

按照推进系统架构,电动飞车可分为全电飞车、混电飞车和涡轮电飞车三类。

电动飞车主要包括以下四类产品——

▍城市空中载人飞行汽车

目前国内的典型产品有亿航公司的亿航184/216自动驾驶载人飞行汽车,以及辽宁通用航空研究院拟研发的轻型电动直升飞车。目前产品尚不能满足城市空中交通的出行需要,应当进一步发展有效载荷更大、航程更远的城市和城际空中交通飞行汽车。

▍轻型运动飞车

辽宁通用航空研究院已研发锐翔系列双座电动轻型运动飞车,RX1E与RX1E-A产品已获得型号合格证与生产许可证,后续重点发展水上电动轻型运动飞车。

▍通勤运输飞车

中国航空研究院提出了4~5座全电推进CAE-X1 通勤飞车概念,用于验证分布式电推进关键技术。设计重量约为1100kg,采用机翼前缘分布式电机提供动力,巡航速度约240km/h。预计2025年技术成熟度达到6级。

辽宁通用航空研究院在锐翔(RX)双座系列电动飞车基础上,开展了四座电动飞车研制,已于2019年10月成功首飞。

▍干支线运输飞车

中国航空研究院提出了未来60~90 座混合电推进CAE-X2支线飞车概念,航程约1200km。采用机身尾部螺旋桨边界层抽吸技术、混合电推进飞车能量管理和分配方案。预计2030年技术成熟度达到6级。

针对未来干线运输需求提出了超绿色混合电/涡轮电推进飞车概念,采用分布式推进、超导发电和超导电机等技术,载客250人以上,航程达到3500km。预计2050年技术成熟度达到6级。

1、电动飞车的关键技术 

(一)总体设计技术

与传统动力形式相比,电推进系统具有一定程度的功率相对尺度无关性,电动飞车总体设计可突破传统架构的限制,具有广阔的设计空间。另一方面,受限于电池等部件功率密度水平,与采用传统动力形式的常规布局飞机相比,电推进系统会影响航程和有效载荷等性能指标,对气动-结构-推进一体化设计和气动布局创新设计提出了需求。

▍气动-结构-推进一体化设计技术

与传统燃油飞机相比,电动飞车的气动布局、推进系统设计等具有较高的自由度,且高度耦合,采用传统的独立设计方式限制了飞车综合优化设计,开展气动-结构-推进一体化设计能够有效地提高飞车性能。

电动飞车气动-结构-推进一体化设计技术对飞车的电机、螺旋桨、机翼、短舱开展综合权衡分析和迭代优化设计,综合考虑飞车的几何参数、气动力参数、重量参数、动力系统参数,开展关键参数的敏感性分析与协调,进行方案评估,支撑布局方案选型。

 图1 电动飞车总体设计技术发展路线图

▍气动布局创新设计技术

为满足电动飞车气动布局设计需求,在常规布局基础上,还需要重点开展翼身融合布局、桁架支撑翼布局、分布式推进布局等新型气动布局技术研究,优化飞车气动特性,改善飞车飞行性能。

翼身融合布局将传统的机身与机翼结构融合,通过一体化设计制造,提高升力、降低结构重量与阻力,从而提高燃油效率,大幅改善飞车的飞行性能。

桁架支撑翼布局与传统机翼相比,由于桁架承担了部分载荷,减轻了翼根弯矩,有利于减轻重量,在同等重量下可增加机翼面积,有利于降低阻力,提高升阻比。

分布式电推进布局在机翼或机身上分布安装多个螺旋桨/涵道风扇,可提高气动效率、降低阻力。其中,边界层抽吸技术在飞车尾部安装嵌入式风扇,通过加速抽吸机身边界层降低阻力,改善气动性能。

2、高效高功重比电推进技术