氫能源有望在新能源航空飛機中長途市場占據主動

全球新能源飛機產業鏈與傳統航空器具有相似的體系結構，一般以整機主承包商為核心，系統承包商、分系統承包商、零部件供應商和原材料供應商共同參與、相互支撐，采用“主承包商+四級配套供應商”集群式發展模式，主要不同點有：

新能源飛機產業鏈中位于上游的主承包商，除波音、空客、洛克希德·馬丁等傳統巨頭以外，新加入了大量航空初創公司，主要聚焦城市空運（UAM）和通用航空（GA）市場；

產業鏈中游吸引了許多非航空供應商加入，主要提供大功率電機、各種電池、電力電子控制系統等新能源飛機部件，此外加入了氫能、SAF等綠色航空能源運輸與存儲的基礎設施供應商；

綠色可持續能源生產供應商在產業鏈下游的占比和重要程度大幅增加，綠色氫燃料和SAF的產能成為新能源飛機產業鏈的核心。

全球新能源飛機市場正在蓬勃發展。羅蘭貝格咨詢公司預測，城市空運（UAM）在投入運營后將以每年46%的復合增長率擴張，到2040年將有43萬架新能源通勤飛機投入使用，到2050年全球95個主要城市將會有9.8萬架新能源通勤飛機運營；摩根士丹利咨詢公司認為，到2040年城市空運（UAM）和通用航空（GA）市場規模將達到1.5萬億美元，其中中國將占據約1/4的市場份額。

根據相關研究機構的統計，全球范圍內目前有約300型新能源飛機項目正在進行中，如表1所示。新能源將會對機場、航空公司、飛機租賃公司和制造商帶來巨大的影響。從項目投資方來看，約有60%的項目是由創業公司和獨立人士投資，現有航空公司占了30%投資，其他10%左右的投資來自機構和其他企業（如NASA，以及包括西門子和谷歌在內的大型非航空公司），這些數據突顯出來自傳統航空和國防領域外的興趣與航空業內相比是更強的。從產品定位來看，大多數電動飛機都在朝著通用航空（GA）或城市空運（UAM）方向發展，10座級以下的UAM項目超過90%，10座級以上的項目約占10%；從項目來源地區看，大部分的項目都在傳統的航空市場，即歐洲（48%）和美國（35%）。但在其他地方也有一些值得注意的動向，特別是中國億航公司的億航184電動垂直起降飛機（eVTOL）、以色列Eviation公司的“愛麗絲”電動支線飛機、巴西航空工業公司與優步合作提出的空中出租車概念等；從技術方案來看，純電和油電混動項目超過85%，其余15%為氫動力和SAF，近年來的新項目中氫動力方案數量上升，約占2021年新項目的1/3左右。

○ 新能源飛機種類

新能源飛機按照能源供給方式主要分為電動飛機和氫動力飛機，除此以外還有使用可持續航空燃料（SAF）的飛機。電動飛機，按照電力供給方式的不同又分為太陽能飛機（采用光伏電池，根據太陽的輻照度與光線的傾斜度，將光能轉化為電能，為飛行器的推進系統與電子設備供電，并將多余的能量存儲在電池中）；儲能電池飛機（采用鋰電池等給電動飛機供能）；燃料電池飛機（采用氫燃料電池、固體氧化物燃料電池等給電動飛機供能）。為了統一分類標準，本文將氫燃料電池飛機劃分到氫動力飛機類別下。

氫動力飛機，包括作為新型燃料用于大型飛機傳統發動機、燃料電池中的燃料產生電力這兩種形式。作為一種燃料，氫的重量是同等能量的噴氣燃料的三分之一，但即使是低溫液態氫的體積也要比同等能量的噴氣燃料大2倍。因此，要將氫應用于飛機的推進系統，就需要體積更大的儲氫設備，并對飛機的燃油系統進行根本性的改變。而另一將氫應用于航空業的挑戰是其在全球范圍內大規模使用的可獲得性，以及生產綠色氫所需要的基礎供應設施等。

○ 電動飛機發展現狀

近年來，作為世界航空業先進水平的代表，美國和歐洲多家飛機制造商與科研機構高度關注新能源飛機研究。NASA于2015年提出了電動飛機發展路線圖，在多條技術路線同步開展研究。

NASA針對分布式電推進技術開展了X-57麥克斯韋驗證機計劃，目前已完成地面高壓和地面震動試驗；針對波音737量級飛機開展了STARC-ABL混合動力飛機研究，尾部加裝2.6MW電動機，采用附面層抽吸技術，預計可降低阻力7%～12%；針對混動支線飛機開展基于ATR42-500的飛機改造，機翼上有4個螺旋槳、尾部還增加1個螺旋槳，已完成樣機設計。

2017年10月，賽峰集團公布了其電推進技術發展路線圖，認為：2030年前實現初步混合動力推進（起飛、爬升和慢車推力的10%為電力提供）；2035年實現帶邊界層吸入的混合分布式電推進（推力的20%～50%為電力提供）；2040年實現100%電推進；近期關注更大涵道比渦扇發動機。

賽峰公司電推進技術發展路線

羅·羅公司于2019年提出“21世紀電推進飛機戰略發展計劃”， 主要在三個方向開展并行研究：

針對多電飛機需求的嵌入式起動/發電機項目，如E2SG和英國“暴風”五代機項目；

在大飛機上開展電氣化關鍵部件技術驗證，打造全球最強飛機發電機；

在小型通用飛機上開展電推進飛機概念驗證，例如推動電推進技術發展的“加速飛行電氣化（ACCEL）”項目和Volante項目。

2021年9月，搭載了功率400千瓦電動系統和有史以來最高功率密度飛機電池組的羅羅電動飛機“創新精神”首飛。

“創新精神”電動飛機

國內外還有數十家企業開展了電動飛機研制。自2016年以來，全球10家領先的電動航空初創公司和項目總共籌集了超過20億美元的資金，主要聚焦城市空運（UAM）和電動垂直起降飛機（eVTOL）領域。在通勤電動飛機領域，以色列Eviation公司率先布局，開發出“愛麗絲”電動飛機。該機是一款由三個電動機驅動推進螺旋槳的9座全復合材料飛機，三個推進螺旋槳中的一個安裝在飛機尾部，另外兩個安裝在機翼翼尖，螺旋槳在翼尖渦流中旋轉，可提高推進效率。該機最大起飛重量為6350kg，機身內安裝有3800kg電池，可提供900kWh的能量，電池重量占飛機總重60%。可使愛麗絲飛機的航程達到1000km，巡航速度達到444km/h。

“愛麗絲”電動飛機

中國銳翔公司的RX1E雙座電動輕型運動飛機于2012年立項，2013年6月首飛，2014年10月完成適航審定試飛，2015年2月獲得型號設計批準書（TDA），2015年12月份獲得生產許可證（PC），2017年初批準加入運營。RX1E飛機是中國第一款新能源輕型電動飛機，是世界首款獲得適航型號合格審定證書和生產許可證書的新能源通用飛機。銳翔公司隨后推出了增程改進型號RX1E-A，并在RX1E、RX1E-A關鍵技術攻關和型號研制基礎上研制了四座電動飛機RX4E，該機型于2019年10月成功首飛。

RX1E（銳翔）飛機

中國億航公司研發了億航184（單座，8螺旋槳，4懸臂）和億航216（雙座，16螺旋槳，8懸臂）電動垂直起降飛機，已在中國以及奧地利、卡塔爾、日本等多個國家完成載人試飛

○ 氫動力飛機發展現狀

美國、前蘇聯等國早在20世紀50年代就開展了氫燃料飛機的試驗，主要用于軍機和無人機。1955年，美國在B-57B上開展了液氫燃料的試驗飛行；1988年，前蘇聯在圖-155的三個發動機中的一個使用氫燃料驅動；2004年，美國在X-43A超高速飛機的超燃發動機使用了氫燃料；2012年波音的“幻影眼”無人機使用液氫作為能源開展試飛。

隨著技術發展與商用航空減排的要求，面向商用航空的氫動力技術開始得到關注。2020年，空客公布了三款ZEROe 氫動力概念機，目標是在2035年前開發出全球首款零碳排放商用飛機。

三款ZEROe 氫動力概念機分別是使用渦輪風扇發動機的1號概念機、使用渦輪螺旋槳發動機的2號概念機以及混合翼（BWB）3號概念機，其中使用渦輪風扇發動機的1號概念機使用兩個混合氫渦輪風扇發動機提供推力，其液氫儲存與分配系統位于壓力艙壁后；使用渦輪螺旋槳發動機的2號概念機由兩個混合氫渦輪螺旋槳發動機驅動八葉螺旋槳提供推力，其液氫儲存與分配系統同樣位于壓力艙壁后；混合翼（BWB）3號概念機超寬的內部空間則為氫的儲存與分配提供了多種選擇，其液氫儲存罐存放在機翼下方，兩個混合氫渦輪風扇發動機為其提供推力。

除此以外，美國ZeroAvia公司的HyFlyer II是目前起飛重量最大的氫燃料電池飛機，巡航功率150kW；德國DLR在開展1.5MW級燃料電池的研究，可用于小型支線客機；ATR公司成立了為ATR 42/72支線客機配備低排放混合動力系統的ATR EVO項目，通用氫公司正在開發液氫儲存和分配系統，計劃在2025年對ATR 72進行氫燃料電池混合動力改裝。

○ 新能源航空發展路線總體規劃

巴黎協定對全球改善飛機環保性能提出新要求，營造綠色航空的呼聲越來越高。國際民航組織、美國和歐洲都制定了一系列標準和指導文件，從節能、減排和降噪等方面引領綠色航空發展。本文也將從上述角度探討我國的新能源航空發展規劃。

我國的綠色航空總體規劃應充分考慮雙碳戰略目標和國內航空產業實際發展情況，以2030年碳達峰和2060年碳中和為關鍵時間節點。在2030年以前主要依靠改進現有飛機、提高航空燃料生產工藝、優化民航運營等常規手段降低碳排放，在2030年到2060年重點進行新能源航空制造業和燃料生產的轉型升級，最終實現相比2019年新冠肺炎疫情前的二氧化碳排放峰值降低50%的碳中和目標。本文對我國航空運輸業減少碳排放的路線和各工業部門貢獻占比進行了預測。

2020-2060年我國航空業減少碳排放路線

縱觀全球新能源航空產業，以eVTOL為代表的城市空運發展迅速，但未來會占航空運輸業減少碳排放絕大多數份額的新能源干支線飛機仍處于起步階段，各國企業和研究機構以技術論證和概念設計為主。我國的新能源航空階段性發展路線具體如下：

短期新能源飛機發展路線

快速布局城市空運市場，優先發展混合動力飛機。在方案選擇上，純電動飛機是城市空運機型的熱門方案，但因其存在電池能量密度瓶頸，目前難以應用于中大型干支線飛機。而針對中大型飛機的氫渦輪相關技術尚不成熟，因此氫燃料混合動力飛機是現階段發展支線或干線飛機的可行方案之一，國外航空企業和研究機構也大多數選擇了該方案。我國航空業應優先發展混合動力飛機。

中長期新能源飛機發展路線

以氫燃料混合動力飛機為切入點，逐步過渡到完全的氫渦輪干/支線飛機。同時，積極培育國內新能源飛機市場，開展新能源飛機在飛行培訓、旅游觀光、客貨運輸等領域的試點運營，推動新能源航空適航標準專業委員會工作，加速新能源飛機中國標準制定，并在2050年前后實現完全自主、覆蓋全部市場和產品線的新能源飛機產業鏈。推動我國新能源航空的快速發展。

○ 應用場景

未來我國 新能源飛機的主要應用場景是城市空運（UAM）和綠色民航運輸（GAT）。 其中城市空運的黃金發展時期在2030年前，市場關注點是eVTOL、鋰離子電池、智能駕駛、智慧城市設施（充電、運輸、管理和維護等），目前已具備從物流到通勤、從特需到日常逐步發展的軟硬件條件。 綠色民航運輸（GAT）的黃金發展時期在2040年前，市場關注點是混合動力飛機、氫動力飛機、綠氫生產、氫存儲與運輸、可持續航空燃料生產，發展投入周期較長，短期內較難實現落地應用，現階段以預研和技術攻關為主。

面向城市空運市場的eVTOL、通勤飛機等機型（20座級以下）預計在2030年前可達到技術成熟度7級并投入大規模使用，能源方案以鋰電池為主，部分可采用氫燃料電池、SAF或混合動力等形式。面向傳統航空運輸市場的新能源干/支線飛機發展周期較長，預計在2050年前可達到技術成熟度7級并投入大規模使用，飛機型號將從20到60座級支線飛機（對標ATR-42、新舟60，采用儲能電池/氫燃料電池-燃油混動）逐步向40到100座級支線飛機（對標ATR-72、新舟700，采用氫燃料電池/氫渦輪）、100到300座級干線飛機（對標空客A320、波音737，采用氫渦輪）發展。部分機型也可采用100% SAF或者氫/電與SAF混動方案。具體實施方向詳見下一章。

○ 實施方案

在我國雙碳戰略目標之下，以航空煤油為動力來源的傳統飛行器難以完成減排降噪的目標。新能源技術作為我國目前七大戰略性新興產業之一，尤其是新能源交通領域在政策支持、技術儲備、產業規模等方面已經有了長足的發展，工業級的鋰電池能量密度達到250Wh/kg，氫燃料電池系統功率密度達到0.75kW/kg，實驗室環境下電機功率密度達到4kW/kg，高溫超導電機、復合材料氫燃料存儲罐、高效液氮冷卻裝置等技術取得關鍵性突破，總體設計、能源架構、電氣元件等領域不斷發展，已經具備新能源飛機研制和落地的產業基礎。但現階段航空領域的新能源技術發展水平距離完全取代傳統化石燃料還很遠，多項性能指標仍存在瓶頸。

新能源飛機按照用途、航程和載客（貨）量可分為城市空運飛機（eVTOL、通勤飛機為主）、支線客機、中型干線客機、大型干線客機和超大型干線客機。綜合考慮飛機性能指標、技術成熟度、市場需求、產業鏈發展、法律法規等因素，不同型號新能源飛機所選擇的動力系統技術方案最終會收斂到某個優勢區間。

其中，電推進飛機的航程與載荷受限于鋰電池能量密度，適用于載客量20座級以下，航程100km以下的城市空運型號。氫燃料電池飛機的能源系統復雜度與綜合成本大于鋰電池，10座級以下無顯著優勢。航程與載荷受限于氫燃料電池功率密度瓶頸，適用于載客量80座級以下，航程1500km以下的支線客機或中型干線客機。氫渦輪飛機的能源和動力系統復雜度與綜合成本大于氫燃料電池，小型化難度較高。“綠氫”產能受限，液氫能量體積密度低，存儲系統供能效率受限，適用于載客量300座級以下，航程10000km以下的中型或大型干線客機。可持續航空燃料飛機在整機層面的技術難度和改裝成本較低，其市場應用主要受限于生產成本、產量和碳排放等因素。對于300座級以上，航程10000km以上的超大型干線客機，目前的技術水平尚不足以支撐型號推出，需要根據未來突破性技術的發展情況進一步研究。對于超大型干線客機，目前較為保守的能源方案是使用可持續航空燃料，更樂觀的能源方案是氫渦輪或者未來其他新型能源。

○ 混動飛機概念設計

受限于目前的新能源技術發展水平，采用單一的能量來源無法滿足新能源飛機的實際性能需求，因此應采用混合動力作為早期發展的過渡方案。本文以新舟60為概念原型，舉例說明新能源混合動力飛機可能的設計方案。

首先，儲能電池（主要為鋰離子電池）和氫燃料電池可以組成基本的混合能量存儲系統。儲能電池和氫燃料電池互有優劣，設計合理的儲能電池-氫燃料電池混合能量存儲系統可以取長補短，是現階段新能源飛機的最佳方案之一。氫存儲罐的能量密度遠高于儲能電池，采用最新技術的氫存儲罐能量體積密度和能量質量密度分別是1.7kWh/L和2.3kWh/kg。但氫燃料電池的功率密度低于儲能電池，鋰離子電池正常工作時的放電倍率（放電電流/額定容量）可以達到3-5C，因此氫燃料電池與儲能電池的混合能量存儲系統具有互補特性，既能保證飛機的峰值功率需求，又能保證飛機的續航能力。氫燃料電池在儲能電池輔助的情況下可以更多地在高效區運行，從而提高氫燃料經濟性。由于氫燃料電池在負載變化時的動態響應較慢，響應速度更快的儲能電池可以改善系統動態特性，在飛機起降時提供更大的電流。此外，得益于儲能電池的協同作用，氫燃料電池輸出功率的變化可以保持在較低且穩定的水平，極大地緩解了與功率波動相關的氫燃料電池老化，進一步降低飛機的運營成本。

新能源推進系統和傳統推進系統的組合方式有兩種，如下圖所示。第一種是將飛機兩臺航空燃油發動機中一臺直接替換成氫渦輪發動機或氫燃料電池驅動的電動機，技術難度和研發成本較低，但受限于推進系統功率密度，新能源在混合動力中的占比一般不超過50%，俄羅斯的雅克-18改裝高溫超導電機、通用氫公司的ATR-42改裝氫動力均采用該方案。第二種是在原有飛行器的基礎上增加新能源推進系統，新能源在混合動力中的占比可以超過50%，該方案設計更加靈活，允許新能源推進系統在飛行的不同階段采取不同的策略（起飛和爬升階段輸出推力，巡航階段休眠或給儲能電池充電），但需要對機身結構和布局進行重新設計，技術難度和研發成本更高，美國NASA的“飛馬”混合動力支線飛機采用了該方案，在ATR-42支線飛機的兩側機翼末端和機身尾部增加了3臺電動機，和原有的2臺渦槳發動機構成混合動力系統。具體采用哪一種方案，還需要進一步的論證研究。

兩種新能源混合動力渦槳支線飛機設計方案

種種跡象表明，新能源航空時代正在向我們走來，這并不是假設，而只是時間問題。未來已來，唯變不變，我們只有以創新的思維積極應對上述挑戰，才可能在未來的市場競爭中不被淘汰。

面對國家雙碳戰略目標，大力發展新能源飛機已經迫在眉睫。新能源飛機的發展，不僅可以解決航空污染排放問題，還將帶動清潔能源、清潔電力等新技術、新領域的快速發展。當前，我國在商用新能源飛機研發方面基本與國外同步，由遼寧通航研究院研發的雙座銳翔電動飛機是全球第一款同時獲得型號設計批準書和生產許可證的電動飛機，現已開始交付航校進行飛行培訓，深圳億航公司研發的億航184/216單/雙座多旋翼載人無人駕駛飛機也已經開始進行演示飛行。但總體上看，我國新能源飛機研發力量相對薄弱、研發項目少、研究的系統性和深度不夠、以我為主的創新性研究較少，基本上還處于跟蹤研究的階段。如何面對新能源航空蓬勃發展的時代浪潮，是我國航空產業必須深思的問題。

目前看來，電池能量密度短時間難以突破，氫渦輪技術尚不成熟，氫燃料電池是現階段應優先發展的技術方案。我國在鋰電池、燃料電池、機載系統、電推進系統等方面具備完整的產業鏈，相關技術可以直接應用到新舟60、新舟700等型號的新能源改裝上。我國的新能源航空發展可以將氫燃料混合動力支線飛機作為切入點，逐步向更大尺寸的氫渦輪支/干線飛機過渡，并在2050年前后實現完全自主、覆蓋全部市場和產品線的新能源飛機產業鏈。