是时候对飞机发起一场电动革命了

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甲子光年科技产业...

· 2022.11.23 17:30

飞机电动化,正催生一场航空智能化变革。

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是时候对飞机发起一场电动革命了

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图片来源@视觉中国

文|甲子光年科技产业智库,作者 | 涂明,编辑 | 刘景丰

2019年12月31日深夜,北京迎来了入冬以来的最强冷空气,让许多人都早早回家,迎接新年到来。

而此时,北京大兴机场依然如同往日一般繁忙,各个航班依次驶入航站。按照惯例,民航局领导也已经在机场,等候并慰问辛苦了一年的航空机组人员。尽管室外温度已经降至零下10度,但机场工作人员的内心却涌着一股热烈的感情。

他们的热情,不仅仅是因为领导带来了关怀,也因为这已经是国内众多航空公司第十个增长之年——过去十年,绝大多数国内航空公司都度过了高速增长的黄金期。这也让航空从业者们觉得,好日子还将一如既往。

然而天有不测。十几天后一场疫情搅乱了人们的生活和工作节奏。从此,整个航空业陷入一场史无前例的“极度艰难”:

今年10月28日晚,中国国航发布今年三季报,净利润为-281亿元,今年以来已经日均亏损超1亿元;自2020年至今,其亏损总额已达591亿元,几乎赶上其此前10年净利润之和;

一天后的10月29日,南方航空发布今年三季报,净利润为-175.9亿元,自2020年至今,其亏损总额为405.3亿元,超过其此自2003年上市以来历年净利润之和;

再一天后的10月30日,东方航空也发布今年三季报,归母净亏损281.16亿元,自2020年至今,其亏损总额是521.3亿元,而其自1997年上市以来历年净利润之和也不过400多亿元……

国内最头部的三大航空公司都如此,这意味着整个行业已经进入一场生死的较量中。

中国国航历年净利润变化

让航空公司陷入巨亏的原因,除了新冠疫情导致的乘坐人数骤降外,还包括近年来不断上升的燃油成本。一个数据可以看出这种“恐怖”——仅2021年一年间,国际航空燃油价格便上涨了70%。要知道,对航空公司而言,燃料费用通常占总运营成本的31%左右,是最大的成本之一。遭受双重打击的航空公司,亟需抓住一根救命稻草。

实际上,就在2020年初那场“冷空气”到来的1个月前,航空领域发生了一件看上去并不值得大惊小怪的事情:

2019年12月11日,加拿大Harbour Air公司的一架全电动DHC-2“eBeaver”水上飞机完成首飞,这是全电动商用飞机的第一次飞行测试。Harbour Air也计划成为全球首家拥有全电动飞机机队的航空公司。

《国际航空》杂志还将其评选为2019年国际航空航天十件大事之一。

说它并不值得大惊小怪,是因为电动飞机此前已经被业内讨论过多次,但始终未能得到较大的突破,因此也一直未能引起业内的重视。

但今年,一边“旧时代”的燃油航空业已经岌岌可危,另一边“新时代”的电动飞机却突然走热,据统计截至今年8月,全球已有超340个电动飞机项目正在研发,其中,中国研发项目数量接近30款。此外,国内外相关企业也纷纷完成适航验证、首飞等,并且资本也已按捺不住热情,自2021年9月至2022年5月,我国共有9家电动飞机初创企业获得了近亿元的投资——这在经济形势下行的当下,显得尤为难得。

就在近日举办的在第十三届中国航展上,中航通用飞机研制的AG-EX电动垂直起降飞机(物理样机)也在珠海亮相。

一个此前极少被人探究的领域——航空,正式拉开电动化的大潮。

疫情,压死燃油飞机的最后一根稻草?

2022年3月的伦敦依旧寒冷,在低温衬托下,坐落于伦敦市中心北部的卢顿机场更显萧条——这是英国的第六大机场,同时也是英国最大航空公司易捷航空的本部所在地。

按照往常,人流密集才是这座大型国际机场的常态。然而今年的卢顿机场却客流稀疏,其中,诸多航空公司的飞行载客率均不足70%。就算其中的佼佼者易捷航空,在今年一季度的载客率也仅达到77%,较2018年低了近20%。

这意味着,每一架从该机场启航的飞机,都会有将近三分之一的座位是空着的。

萧条是卢顿机场的现状,同时也是世界航空业的一个缩影。事实上,自2020年新冠爆发以来,全球各大航空公司的飞行载客率均直线下滑,并在业绩上呈现出不同程度的亏损。易捷航空是一个典型的例子,从2020年开始,它在两年半的时间里就亏掉了整整25亿欧元(合人民币约180亿元)。

面对经营压力,降低成本成为航空公司的当务之急。对航运业来说,最大的成本项就是航空燃油费用。

以我国三大航空公司——国航、东航和南航为例,其燃料费用通常占总运营成本的31%左右。这意味着,如果航空公司能成功“戒”掉燃油,那么粗略计算一家公司每年可以省掉200亿元以上的成本

为了根绝燃油成本负担,一批航空公司开始尝试用更加廉价的电能取代航空燃料。降低成本,成为飞机电动化的第一个动因。

易捷航空是最积极的实践者之一,从2019年开始,易捷航空便接连宣布加大在飞机电动化技术上的投入。

据CNBC报道,早在2019年6月,易捷航空就宣布与美国电动飞机初创公司莱特电气(Wright Electric)进行战略合作,支持莱特公司开发186座版的中程全电动客机。2020年初,易捷航空又宣布与法国飞机制造巨头空客合作,初期投入2000万英镑,主要用于飞机电动化设备的研发。

2021年6月,易特航空CEO约翰·伦德格伦在接受采访时再次声明,称尽管受疫情影响,易特航空飞机电动化的计划有所推迟,但依旧希望能在2030年时将部分航线的燃油飞机替换成电动飞机,并在未来几年内,将替换比例提升至50%。

电动化确实可以帮助航空公司省掉燃油开支,但另一个问题是,研发并推动电动飞机取代燃油机本身就需要一笔巨额开支。这意味着,飞机电动化带来的成本优势是属于未来的利好,并无益于解决眼下的危机。

据南京航空航天大学动力工程学学者刘祯介绍,真正让航空公司下定决心,在大环境艰难的当下依旧坚持飞机电动化的原因,是连续不断的油价上涨。

国际油价大幅上涨是从2021年开始的。据澎湃新闻报道,仅2021年一年间,国际航空燃油价格便上涨了70%,桶均价格高达96.1美元。到了今年,受疫情持续和俄乌战争影响,国际航空燃油价格继续飙升。据7月份举行的全国民航年中会上的数据,截至今年上半年,航空燃油桶均价格已达114美元。对比2020年油价低点,航空燃油价格在两年内翻了近5倍。

与其忍受因燃油价格持续上涨而带来的成本压力,不如咬牙推动电动化替代。眼下,航空公司们正纷纷加注电动飞机。

9月27日,由以色列企业Eviation研发的全球首架全电动通勤飞机Alice宣布完成首飞,紧接着,德国艾维亚航空便宣布将从Eviation采购25架电动支线飞机,同时,德国物流巨头DHL快递也宣布,已从Eviation订购12架电动货运飞机。

不仅如此,9月中旬,加拿大航空公司(Air Canada)也公开表示,将从瑞典电动飞机初创企业Heart Aerospace手中购买30架区域性电动飞机ES-30。9月底,北欧航空、冰岛航空、新西兰航空等多家航空公司都也纷纷向Heart Aerospace伸出橄榄枝,签订了ES-30机型的意向订单。

中国航空工业发展研究中心研究员王元元介绍,与航空燃油相比,采取电驱动将使飞机的能源成本降低2/3,且因为电动机的能源利用率高达90%,远高于燃油机30%的利用水平,其由技术提升而带来的降本空间也会更加可观。另外,由于电动飞机动力结构更简单,在维修、运维成本上也能得到进一步下降。综合来算,随着电动技术的完善,在未来,电动飞机5年内的生命周期总成本将比燃油飞机低70%。

除了能源成本更低,促使航空公司大力发展电动飞机的另一原因在于环保需求。

对此,航空电力系统航空科技重点实验室主任李开省表示,飞机电动技术的快速发展更多由社会环保需要以及国际民航运输业的环保要求推动,这种推力可能比电力带来的成本优势更大

据国际能源协会统计,2019年,全球航空业的总碳排放量已经占到全球碳排放总量的2.8%。从2013年到2019年,民航业碳排放量的增长速度已经超出国际民航组织所预期排放额的70%,且这一增长态势还将延续;若不加以控制,到2050年,航空业的碳排放量将占到全世界总量的25%。

为了减少航空业碳排放量,从而更好的应对气候变化,国际民航组织已制订了一系列计划。

2016年10月,国际民航组织在第39届大会上通过了国际航空碳抵消和减排计划(CORSIA),计划提出,航空业要在2035年实现碳达峰,并在2050年将行业碳排放量降低到2005年排放水平的50%以下。

从2021年开始,该计划进入到自愿参与阶段,而到2027年,该计划将开始强制参与。

此外,从去年起,欧盟的碳排放交易体系(EU ETS)也正式进入第四阶段,按该阶段的要求,欧盟将对其碳排放交易体系之外的航班使用国际航空碳抵消与减排机制,逐渐取消航空免费碳排放配额。

据统计,在航空业碳排放中,航空燃油燃烧产生的排放占了79%。所以,对航空企业而言,用新能源替代传统能源只是时间问题,而电动化正是其中最主要的发展方向之一。

电动小飞机适航,一个开端

人们真正开始对电动载人飞机的尝试,是在50年前。

1973年,德国航模制造商Heino Brditschka将镍镉电池应用在一架改装的滑翔飞机上。由此,全球第一架纯电动全尺寸载人飞机——Militky MB-E1就此诞生。

尽管受制于当时电池的能量密度,这架飞机只飞行了12分钟,但它证明了纯电动飞机在技术上确实可行。此后,如何进一步提升电池能量供给能力成为技术突破的关键。

在诸多解决方法中,一个最简单的思路是——增加电池数量,一块不够,就十块。于是在1979年,一架在机翼和控制面上装有16128块光伏电池的电动飞机“太阳能挑战者号”从巴黎起飞,成为历史上第一架成功飞跃英吉利海峡的电动飞机。

虽然 这一方法行之有效,但过于简陋。由于电池数量过多,飞机能源系统本身的重量就已十分巨大,除了一名驾驶员以外,已难以搭载更多的负荷,根本不具备实用性。

真正让电动飞机看到市场化可能的,是近20年来锂电池的出现和发展。

2003年,德国电动飞机初创企业Lange Aviation的纯锂电池电动飞机Antares 20E获得了由欧洲航空安全局(ESEA)颁发的首部电动航空器适航证书,从此,电动航空器的商业化和量产在欧洲成为可能。

李开省称,目前市场上能效最高的电力储存装置就是锂电池,其巨大的能量密度和较长的循环寿命,让电动飞机得以拥有更远的续航能力。

2012年,在一次飞机飞行速度测试比赛中,全电动飞机Long-ESA实现了326公里/小时的飞行速度,打破此前电动飞机的飞行记录,成为全世界飞行速度最快的电动飞机。在国际航空联合会的验证结果中,该飞机的性能胜过了一同参加比赛的燃油机塞斯纳号。

由此,证实了电动飞机在飞行性能上优于燃油机。

电动飞机在中国的故事始于2011年。那一年,为了确保中国在飞机电动化进程中的领先位置,时任沈阳航空航天大学校长、中国工程院院士杨凤田牵头组成了辽宁通用航空研究院,专注于电动飞机技术的突破。

谈及创办研究院的初衷,杨凤田表示,“在通用飞机上,我们比欧美国家起步晚太多,只有研发新能源电动飞机,才有可能实现‘弯道超车’”。

依托沈阳航空航天大学、哈飞集团等资源,辽宁通用航空研究院的研发速度非常快。2012年,该院的“锐翔”系列固定翼锂电池电动飞机立项,而一年后,该系列的第一款飞机RX1E便已落地首飞,并于2015年底完成中国民航局适航认证。

不过,这款电动飞机只能乘坐2个人,续航时间仅为1个小时,航程在110公里以内。为提升续航能力,辽宁通用航空研究院开始研发增程版飞机RX1E-A。到2019年拿到民航局适航认证时,RX1E-A的续航里程已可达到280公里。

眼下,辽宁通用航空研究院的最新进展是研发具备更大载客能力的电动飞机——四座飞机RX4E。该款飞机目前的续航里程可达300公里,有效载荷为308千克。今年7月29日,RX4E电动飞机宣布完成全机结构强度测试,进入全尺寸机型的结构强度适航验证阶段——这是世界范围内首个申请正常类飞机适航审定的四座全电动飞机,当适航认证全部完成,这款国产电动飞机就将迈入量产与商业化阶段。

8月23日,冰岛的全电动飞机“韦利斯”迎来了首次载客飞行任务,而其首次任务,搭载的就是冰岛最重要的国家领袖——总统古德尼与总理卡特琳。通过这场略带危险的高规格飞行,冰岛告诉世界,在电动飞机领域,冰岛有了一席之地。

最近的事件是9月27日,全球首架全电动通勤飞机Alice在美国华盛顿州的1066米完成了首飞——目前,这款由以色列企业Eviation研发的飞机正在被美国GlobalX、德国艾维亚航空、DHL快递等一众空运公司抢购。DHL快递CEO蒋明燊认为,从Alice首飞开始,全球航空业将迎来一个新的时代。

电动小飞机适航,正拉开了电动飞机商用化的开端。

尽管电动小飞机理论上已能够满足短途的航空需要,但要想真正取代传统通用飞机,实现商业化载人,还需要等待电池技术与电机技术的进一步升级。

据李开省介绍,研发高能量密度电池技术和高推重比电机技术,是眼下电动飞机公司突破的核心,这两个技术的成熟度决定了电动飞机能否真正取代传统燃油飞机。

从能量密度对比上看,飞机燃油的能量密度大约为12700W·h/kg,而锂电池所能达到的最大能量密度仅为500W·h/kg,若要安全投入应用,则这一数值还要进一步限缩。美国国家航空航天局(NASA)燃气-电混合推进项目的技术负责人谢丽尔·褒曼曾表示:“驱动一架巡航状态的大型飞机需要至少1 kW·h/kg的能量密度。”

电池能量密度不足,这意味着传统燃油飞机的航程通常可达到1000公里以上,而绝大部分电动飞机的最大航程还在300公里范围内徘徊,且这些电动飞机只能以轻型飞机为主。

据财新网报道,电动飞机初创企业安飞(Ampaire)中国区代表潘徐曾表示,300公里的续航里程对于电动飞机而言仍然较低,“尤其在通勤航空领域,根据我们和航空运营商的沟通,航程达到500公里会更匹配市场需求”。

目前,锂电池技术的发展空间尚存。据王元元介绍,其能量密度正在以每年7%~8%的增长率提升。NASA和麻省理工学院联合进行的电池研究结果也显示,在未来10~15年内,有较大机会演变出能量密度高达1~1.5kW·h/kg的化学电池组合。

电动飞机发展路线图

在电池之外,电动飞机的飞行能力高低还与电机的功重比有关。对燃油飞机而言,其燃油重量会随着飞行时间增长而减轻,但电动飞机的电池质量却是恒定的,这就要求飞机电机的功率要比燃油发动机更大。

刘祯表示,目前,电机的功率已经比燃油发动机要高出两到三倍,其最大功重比也已接近20kW/kg,但总体而言,电动飞机的飞行续航能力与速度仍未达到燃油飞机水平。

飞机智能化,一场新变革

尽管飞机电动化技术还面临诸多问题,但航空公司和资本对此都颇为乐观。

在2019年的第53届巴黎航展上,世界七大航空制造商联合发布了一份声明,称航空业已来到继活塞发动机革命、涡轮增压发动机革命之后的“第三次技术革命”中,以电推动为核心的飞行电气化时代即将到来。

刘祯告诉「甲子光年」,传统燃油飞机的结构十分臃肿,难以实现精准化控制。而电动化后,借助电力和电子技术,飞机中的主要设备、零件基本可以做到全电子化,电信号的传导路径会大大简化,配合算法程序,电动飞机很容易实现智能化的精准控制。

目前,电动飞机智能化的方向主要有二,其一是能源系统的智能化,通过构建电动飞机电能传递、变化与控制的仿真模型,智能算法可以自动设计出能源利用率更高、稳定性与安全性更强的能源利用方案,从而优化飞机在飞行过程中的能源配置;

其二是飞行驾驶系统的智能化,目前,飞机的自动驾驶功能还局限于按照既定程序完成固定航线的飞行,而智能化后,结合人工智能与物联网技术,飞机将可以自主判断航线风险,并排查自身潜在的机械故障,从而提升飞行安全性。

随着飞机智能化水平的提升,同新能源汽车的智能化趋势一样,飞机座舱的智能化水平也将提升,如智能行李托运、行程自动设计等服务都将普及,乘客的乘机体验将由此提升。

但眼下,当纯电动技术发展面临瓶颈时,航空企业们已经寻找过渡性的替代方案。

一个发展方向是混合-电推进技术。在传统飞机中,燃油发动机的数量通常不止一台,而将其中一部分替换为电机,即是混合动力飞机。

在今年9月,加拿大航空公司宣布购置30架混动飞机,其公司总裁兼CEO Michael Rousseau在评论该交易时表示,混动飞机的载客量更大、续航时间更长,可以很好的解决电池能量密度不足的问题,同时还能兼顾由化石能源使用带来的成本与环保压力。

对于这一技术,霍尼韦尔航空航天集团高级商业拓展总监泰勒·阿尔伯施塔特(Taylor Alberstadt)曾公开表示,混动飞机内部的燃油发动机可以与发电机搭配使用,从而为电机供能,形成内循环,并由此大幅降低燃油成本。通过混合动力优化方案,飞机的航程可达到500公里左右,燃油成本将减少50%-70%。

混合动力是飞机从燃油迈向全电的过渡技术,本质是通过提升飞行器性能来适应市场需要。当下,飞机电动化的另一个出路是从技术特点出发,寻找更合适的市场。

对电动飞机而言,其可载客量低,多数机型不超过10人,同时航程较短,安全飞行距离局限在200公里以内——这些性能放在国际航行中并不够看,但放在城际交通中却刚刚好。

目前,电动飞机在城际交通中衍生的产品主要是eVTOL(electric Vertical Takeoff and Landing,电动垂直起降器),该产品既能像直升机一样垂直起落,也能像固定翼飞机一样进行巡航,无需传统飞机一样的起飞跑道,只需一个“停机位”即可正常运营。

在飞机电动化的进程中,中大型飞机的电动化尚需时日,小型固定翼飞机又缺乏应用场景,eVTOL或将成为离商业化最近的电动飞机产品。

从去年开始,资本已纷纷加速布局eVTOL。据中国工信部装备工业发展中心数据,自2021年9月至2022年5月,我国共有9家电动飞机初创企业获得融资,其主营机型均为eVTOL。目前,我国已公开的电动飞机共有近30款,其中eVTOL机型占比接近2/3。

时的科技创立于2021年5月,是全国首家采用倾转构型的载人eVTOL企业。据时的科技联合创始人兼CMO蒋俊介绍,其eVTOL产品的主要定位是充当城际及市内30公里~150公里的通勤工具,希望能补充地面交通工具的不足,缓解地面拥堵压力,甚至改变城市的出行逻辑,让人们的生活圈可以扩展到100公里。

蒋俊表示,在地面交通时代,人们的出行方式是二维的,在遇到“障碍物”时只能绕路,所以想从A点到达B点,经常需要先到达C点、D点,耗时费力。但空中交通时代则不同,空中交通是三维的,可以进行点对点的直线飞行。借助eVTOL,人们从A点到B点的快速直达问题将被轻松解决。

刘齐(化名)是eVTOL行业的资深从业者,具有20余年的行业研究经验。据刘齐估算,对比汽车和地铁等出行方式,eVTOL能轻松将通勤效率提升2倍以上。

刘齐介绍,以从上海浦东机场到宝山区滨江公园的路程为例,如果乘坐公共交通,这段56公里的路程需要近3个小时才能走完,如果驾驶汽车,在不堵车的情况下也要开1个小时,而如果乘坐eVTOL,这段路程在20分钟内就能走完。

目前,全世界范围内已涌现出300余家eVTOL企业,其中既有空客、波音、罗罗等航空巨头,也有包括丰台、吉利、现代等传统车企,此外,便是如中国企业亿航、峰飞、沃兰特,美国企业Joby Aviation等新势力创业公司,其研发产品的飞行速度基本处在120km/h~250km/h之间,续航里程多在百公里以上——尽管距离商业化应用还有些距离,但已然具备了实用属性。

而未来的应用场景,在时的科技的设想中,eVTOL的商业模式更类似“空中出租车”。蒋俊介绍,“在载人电动飞机中,eVTOL定位于城市交通,应用场景更广阔,也更容易实现每年千架级的量产。而这种大规模量产,恰恰是推动eVTOL成本下降的前提。”

据蒋俊估算,量产后的eVTOL,其销售价格可降低到几百万元人民币左右,结合eVTOL能源与运营价格低的特点,未来可实现2.5元每座/公里的服务价格,与出租车同台竞价。

当电动化的进程从地面向天空蔓延,由飞机“第三次技术革命”所带来的变化可能比我们想象的更多。对此,以色列电动飞机初创企业Eviation的总裁兼CEO格雷戈里·戴维斯表示,飞机电动化不仅意味着能源的变化,它还意味着飞机可以更轻、更小、更智能,从而具备更丰富的应用场景。

一直以来,航空业的每一次重大进步都源于发动机技术的升级——活塞式发动机的诞生开启了人类的航天时代,涡轮增压发动机的出现,则让廉价舒适的航空旅行成为可能。而现在,电动机或将把航空业带进一个完全不同的时代:

从小处讲,这个不同体现在乘坐体验上,未来的航空也有望像自动驾驶赋予汽车的变革那样,使得航班更智能化;

从大处讲,“旧时代”里,由于我国传统航空产业基础薄弱,难以追赶欧美企业;但在新的电动时代,目前全球所有参与企业的发展水平相差不大,这也就意味着,我国航空业能够以电动航空技术革新为契机,实现一场弯道超车。

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