2024年新能源飞行器发展白皮书.pdf

NEW ENERGY AIRCRAFTNEW ENERGY AIRCRAFT DEVELOPMENT WHITE PAPERDEVELOPMENT WHITE PAPER 中国航空工业发展研究中心 2024年11月 新能源飞行器发展白皮书（2024）中航发展研究中心新能源飞行器发展白皮书（新能源飞行器发展白皮书（20242024）序 新能源飞行器是使用电、氢等新型能源以减少航空运输业对化石能源依赖的一种飞行器，是贯彻绿色航空、应对全球环境挑战的重要举措，是帮助我国航空产业实现双碳战略目标的必然选择，同时也是“第三航空”时代的重要标志。自 2016 年以来，城市空运和电动垂直起降（eVTOL）飞行器开启了新能源航空领域第一轮创新与变革热潮，氢能、可持续航空燃料（SAF）等能源形式也紧随其后，全方位推动通航、干支线领域的新能源化。2023 年 12 月，中央经济工作会议提出打造低空经济等战略性新兴产业，作为低空经济的重要载体，新能源飞行器再次被推上发展高峰。为把握航空产业变革关键机遇，指引我国新能源航空未来发展方向，中国航空研究院和中国航空工业发展研究中心先后发布了电动飞机发展白皮书（2019）和新能源飞行器发展展望（2022），聚焦重点领域关键技术，制定新能源飞行器发展战略规划，在我国绿色航空产业转型升级的关键时期起到了重要引领作用。全球新能源航空的发展日新月异，仅在 2023 年就有超过150 个新型号立项，多款 eVTOL 飞行器投入试点运营，亿航获得全球首张局方颁布的载人 eVTOL 型号合格证，氢动力支线飞机实现从零到一的首飞，可持续航空燃料的投产规模不断扩大。中航发展研究中心新能源飞行器发展白皮书（新能源飞行器发展白皮书（20242024）全球新能源航空产业在过去四年中规模翻了一番，吸引了大量企业、资本团体、科研机构跨界参与，美国、英国、法国等国家相继发布新能源航空发展规划，从单一的电动飞机转向电能、氢能、可持续航空燃料多种能源形式同步发展，从 eVTOL 和新能源通航飞机逐步向更大尺寸的干支线飞机发展。为更好把握全球新能源飞行器发展态势，引领国内新能源飞行器的技术发展和产业布局，培育低空经济新经济增长极，中国航空工业发展研究中心在电动飞机发展白皮书（2019）和新能源飞行器发展展望（2022）的研究基础上，正式发布新能源飞行器发展白皮书（2024），分析新能源飞行器的发展必要性，明确新能源飞行器的定义和分类，制定我国新能源飞行器发展规划，提出产业发展建议。白皮书提出我国应当坚持多技术路线并举，小型飞行器以电动为主攻方向，干支线等中大型飞行器加快探索氢能、可持续航空燃料等新能源方案，大力推进低空经济产业化进程，积极开拓全球航空市场，通过传统民机赛道和新能源赛道的共同发力，实现航空产业发展的“换道超车”。中航发展研究中心新能源飞行器发展白皮书（新能源飞行器发展白皮书（20242024）目 录 1 前言前言.1 2 发展必要性发展必要性.3 2.1 新能源飞行器是航空产业实现绿色发展的必然选择.3 2.2 新能源飞行器是我国追赶世界航空强国的重要领域.5 2.3 新能源飞行器面临良好的国内产业基础和发展机遇.6 3 定义与分类定义与分类.8 3.1 新能源飞行器的定义.8 3.2 新能源飞行器的分类.8 4 发展发展规划规划.11 4.1 不同新能源技术的优势区间.11 4.2 新能源飞行器技术发展目标.13 4.3 关键技术发展预测.14 4.4 氢能飞机概念设计.16 5 关键技术关键技术.19 5.1 总体设计技术.19 5.2 高效电推进技术.20 5.3 能量综合管理技术.22 5.4 能源系统技术.23 5.5 氢涡轮推进技术.25 5.6 氢燃料存储技术.25 5.7 氢能生产与使用技术.27 5.8 可持续航空燃料技术.29 6 发展措施发展措施.32 附录附录 缩略语和专有名词表缩略语和专有名词表.34 中航发展研究中心新能源飞行器发展白皮书（新能源飞行器发展白皮书（20242024）1 中国航空工业发展研究中心 1 前言前言 航空研究的战略推动力包括全球机动、环境挑战、技术聚焦 3 个方面，通过电能、氢能和可持续航空燃料等新能源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。NASA 研究认为，电推进飞机可以实现节能超过 60%、减排超过 90%、降噪超过 65%的潜在收益1，欧盟认为氢动力飞机是实现欧洲 2050 碳排放要求的唯一途径2。近年来，全球范围内兴起新能源飞行器技术发展热潮。据不完全统计3，截至 2024 年 10 月，全球范围内新能源航空企业已超 300 家，在研项目超过700个，其中大部分企业和项目集中在美国、中国和欧洲地区。亿航EH216-S 获得全球首证，多款 eVTOL 飞行器开展试点运营，氢燃料电池涡桨支线飞机完成首飞，长航程、大载客量的新能源商用飞机项目不断涌现。空客 ZEROe、英国政府 FlyZero、欧盟“氢能航空 2050”等计划提出要在 2035 年前将氢动力支线飞机投入市场，2050 年前实现氢动力干线飞机的大规模应用，全球新能源飞行器的发展已迈入快车道。2016 年，国际民航组织（ICAO）提出了 CORSIA 计划，目标是到 2050年航空运输业碳排放量降低至 2005 年同期的一半水平。ICAO 要求从 2027年开始强制实施 CORSIA 机制，按照航空运输增量分摊减排责任。2020 年我国正式提出 2030 年前碳达峰、2060 年前碳中和的双碳战略目标，明确要求制定交通行业碳达峰行动方案，编制碳中和技术发展路线图，加快发展新能源、航空航天等战略性新兴产业。2021 年中国民航局和国家发改委等单位联合印发“十四五”民用航空发展规划，明确要求 2025 年航空运输吨 1 NASA 格林研究中心电力推进系统研究,Electric Propulsion System Studies.2 欧盟2050 年目标：欧洲航空零排放之路,Destination 2050:A Route to Net Zero European Aviation.3 罗兰贝格咨询公司绿色航空旅行开拓新视野,Green Air Travel Reaches for New Horizons.美国垂直飞行协会世界 eVTOL 飞行器目录，World eVTOL Aircraft Directory.SMG 咨询公司先进空中交通报告，Advanced Air Mobility Report.中航发展研究中心新能源飞行器发展白皮书（新能源飞行器发展白皮书（20242024）2 中国航空工业发展研究中心 公里二氧化碳排放量相比 2020 年下降 4.5%，单位旅客能耗下降 10%。虽然吨公里二氧化碳排放量和单位旅客能耗在持续下降，我国航空运输业二氧化碳排放总量仍在逐年增加。根据我国民航局在新冠疫情前的统计数据4，2020 年以前中国航空运输业二氧化碳排放量年均增幅为 14.8%。根据国际航空运输协会（IATA）和中国航空运输协会的统计5，2023 到 2024 年全球和我国的民航业复苏情况远超预期。随着航空运输业的不断复苏，我国的航空减碳任务面临巨大压力。表 1 全球典型新能源飞行器项目 项目/型号 国家 企业/机构 技术方案 所处阶段 技术特点 亿航 EH216 中国 亿航 电推进 获得型号认证 2 座，多旋翼 eVTOL VoloCity 德国 Volocopter 电推进 适航取证中 2 座，多旋翼 eVTOL Joby S4 美国 Joby 电推进 适航取证中 5 座，倾转旋翼 eVTOL V2000CG 中国 峰飞 电推进 货运型完成取证 5 座，复合翼 eVTOL RX4E 中国 锐翔 电推进 适航取证中 4 座，固定翼轻型飞机 Alice 以色列 Eviation 电推进 完成首飞 9 座，涡桨支线飞机 HY4 德国 H2FLY 氢动力 完成首飞 4 座，固定翼双体飞机 Gullhyver 法国 ONERA 氢动力 概念设计 200 座，双泡升力体机身 ZEROe 法国 空客 氢动力 地面试验 三种型号同步推进 ZA600/2000 美国 ZeroAvia 氢动力 完成首飞 19 座，氢燃料电池 在新能源飞行器领域，目前国内外仍处于发展早期阶段。以新能源航空引发的技术革新为契机，我国航空业应当大力发展新能源飞行器，攻克绿色低碳航空关键技术，迅速追赶世界先进水平，增强在全球范围内的市场竞争力，同时带动我国多个相关产业的整体发展，为实现航空强国提供重要支撑，抢占未来航空产业的市场和技术制高点，实现绿色低碳航空转型。4 中国民航局 2015-2022 年民航行业发展统计公报 5 数据来源：国际航空运输协会“航空客运定期数据”-2023 年 1 月到 2024 年 9 月 中国航空运输协会“中国民航主要生产指标统计”-2023 年 1 月到 2024 年 9 月 中航发展研究中心新能源飞行器发展白皮书（新能源飞行器发展白皮书（20242024）3 中国航空工业发展研究中心 2 发展发展必要性必要性 2.1 新能源飞行器是航空产业实现绿色发展的必然选择 从第一架飞机发明到现在有超过 100 年的历史，飞机对扩大人类的活动空间、加快社会经济的发展和节约人类交流的时间起到了极大的推动作用，但带来许多便利的同时也对人类赖以生存的环境造成了危害。全球航空业快速发展对环境造成的危害主要体现在以下三点：首先飞机飞行带来的化石燃料废气排放必然导致空气污染；其次由于发动机排放的温室气体必然加速全球变暖，导致更严重的环境问题；最后在飞机起飞和降落时，巨大的噪声会对机场附近的生产生活带来影响。研究表明6，目前航空运输业碳排放量约占全球碳排放总量的 2.5%4%，随着航空旅客量的快速增长，民航正在成为碳排放上升势头最快的行业。从 20 世纪 70 年代开始，世界航空运输旅客周转量大约 15 年翻一番，预计今后 20 年将以每年 4.6左右的速度持续增长7。按照旅客周转量的增长速度，2050 年航空业的二氧化碳排放量将达到 18 亿吨，较 2022 年水平增长超三倍8，航空运输对环境的压力持续增大，如何缓解飞机对环境的影响已经成为亟待解决的问题。根据相关分析数据，飞机航空燃料的燃烧是航空运输业碳排放的首要来源，达到了航空运输业碳排放总量的 79%。航空燃料燃烧的碳排放大多由窄体和宽体干线飞机产生，分别占了43%和37%；货运飞机次之，占比为15%；支线飞机的碳排放占比为 5%；而通航飞机的占比最少，仅为 0.02%。从减少航空碳排放的角度来说，降低飞机燃料燃烧的碳排放是航空绿色低碳发展的关键，尤其是要减少以干支线航班为主的民航运输碳排放。6 国际能源署（IEA）2024 年全球能源展望报告,World Energy Outlook 2024.7 国际航空运输协会（IATA）2023 年全球客运市场分析报告,Air Freight Market Analysis 2023.8 气候行动追踪组织（Climate Action Tracker）航空业统计数据 中航发展研究中心新能源飞行器发展白皮书（新能源飞行器发展白皮书（20242024）4 中国航空工业发展研究中心 图 1 全球航空运输业的碳排放占比9 如果不采取任何措施，我国航空运输业碳排放可能会以 14.8%的年均增幅持续增长。根据预测10，通过改善气动布局和发动机结构、使用绿色材料、提高航空燃料生产工艺、优化机队结构、提升空管运行效率等多种手段，可以实现 29%的中等幅度降碳减排，但距离 2060 年碳中和目标仍有较大的差距。使用新能源技术是实现航空产业绿色发展目标的必然选择，新能源飞行器的大规模应用以及电、氢等能源的绿色生产可以贡献 71%的减碳指标。图 2 2024-2060 年我国航空运输业碳排放预测和减排路线图 9 根据法国巴黎银行（BNP Paribas）和国际清洁交通委员会（ICCT）的数据分析得到。10 基于国内历史数据和中国民航局2022 中国民航绿色发展政策与行动进行预测，同时参考了美国联邦航空管理局（FAA）美国 2021 航空气候行动计划等国外战略文件。中航发展研究中心新能源飞行器发展白皮书（新能源飞行器发展白皮书（20242024）5 中国航空工业发展研究中心 2.2 新能源飞行器是我国追赶世界航空强国的重要领域 近年来，作为世界航空业先进水平的代表，美国和欧洲多家飞行器制造商与科研机构高度关注新能源飞行器研究。NASA 于 2015 年提出了电动飞机发展路线图，在多条技术路线同步开展研究。空客公布了三款 ZEROe 氢动力概念机，目标在 2035 年前推出全球首款零排放商用飞机，目前已完成兆瓦级氢燃料电池动力系统的地面试验，同时联合赛峰、达索等公司启动VOLCAN 计划，以 A319 Neo 飞机为载体促进可持续航空燃料的大规模应用。霍尼韦尔持续开发电动航空市场，AAM（先进空中交通）部门已获得超 100亿美元订单。Archer 和 Joby 公司在美军“敏捷至上”项目的资助下开始交付 eVTOL 飞行器。ZeroAvia 完成多尼尔 228 氢燃料电池改装飞机试飞。新能源飞行器已经在多个国家掀起了发展热潮。图 3 国外新能源飞行器典型产品 我国在新能源飞行器领域也开展了多项技术与产品研究工作。在能源动力领域，依托电动汽车行业，商用锂电池能量密度已超过 250Wh/kg，宁德时代发布的凝聚态航空电池能量密度号称可达 500Wh/kg，跻身世界前列，并与商飞成立合资公司商飞时代，共同开展电动飞机研发；在小型载人新能源飞行器领域，辽宁通用航空研究院研制的锐翔系列电动飞机 RX4E，深圳亿航公司研制的 EH216-S，上海峰飞公司研制的 V2000CG 均已取得突破性进中航发展研究中心新能源飞行器发展白皮书（新能源飞行器发展白皮书（20242024）6 中国航空工业发展研究中心 展，其中亿航 EH216-S 在 2023 年 10 月获得了中国民航局颁发的全球首张载人 eVTOL 飞行器型号合格证，峰飞 V2000CG 货运型在 2024 年 3 月获得全球首张吨级以上 eVTOL 飞行器型号合格证；在新能源商用飞机领域，中国航空研究院、航发 608 所、北航、西工大等研究机构和高校开展了新概念布局和关键技术研究，聚焦总体布局方案、电推进系统、超导动力传输等重点研究方向。图 4 我国新能源飞行器典型产品 全球航空产业由于高门槛、高依存度、高投入/高附加值的特点，行业壁垒极高，先发优势明显，领头企业具有较强的垄断地位。我国的航空产业起步较晚，在技术储备、产业链发展、市场份额、品牌价值、标准与法律制定等方面明显落后于欧美航空强国，很难在短期内缩短传统化石能源航空产业的差距。以新能源飞行器为代表的全球航空产业“绿色低碳”转型是我国航空产业的重大机遇，有望打破欧美航空强国的垄断地位，解决国产航空发动机“卡脖子”问题，实现航空产业发展的“换道超车”。2.3 新能源飞行器面临良好的国内产业基础和发展机遇 截至目前，已有超过 30 家国内整机研制企业进入新能源飞行器领域，亿航、峰飞等企业研发的 eVTOL 飞行器达到世界先进水平，中国航空研究院、中国航发研究院、商飞北研、北航、南航、西工大等单位陆续开展新能源飞行器关键技术探索。我国新能源汽车、轨道交通等行业快速发展，培育中航发展研究中心新能源飞行器发展白皮书（新能源飞行器发展白皮书（20242024）7 中国航空工业发展研究中心 了一批有国际竞争力的电池、电机及控制器企业，相关技术优势可以有效提升我国新能源飞行器产业链的整体竞争力，电池产业龙头企业宁德时代已经与商飞成立合资公司商飞时代，共同进军新能源飞行器领域。整体来看，我国新能源飞行器发展具备良好基础。我国庞大的市场需求提供了足够的内需动力，低空经济产业的后发优势明显，尤其是在航空物流配送、城市空中交通等新兴领域具有全球独一无二的市场需求。另外，随着我国环境保护和能源危机意识的增强，以及低空空域的逐步开放，新能源飞行器具有广阔的市场前景。国家机关和地方政府颁布了多项政策文件支持新能源飞行器的发展。2023 年 10 月，工信部等四部门联合发布 绿色航空制造业发展纲要（2023-2035 年），部署我国绿色航空产业“换道超车”的新任务和新路径。12月，中央经济工作会议明确将低空经济作为我国战略性新兴产业之一，提出打造和大力发展低空经济，开辟产业新赛道。深圳、合肥、长沙等城市相继出台低空经济发展政策，亿航、峰飞等企业在政策支持下逐步开展城市空运试点运行。在国家的鼓励和支持下，我国新能源飞行器产业正在进入快速发展阶段。中航发展研究中心新能源飞行器发展白皮书（新能源飞行器发展白皮书（20242024）8 中国航空工业发展研究中心 3 定义定义与分类与分类 3.1 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。3.2 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。图 5 中国大百科全书对航空器的分类 中航发展研究中心新能源飞行器发展白皮书（新能源飞行器发展白皮书（20242024）9 中国航空工业发展研究中心 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。图 6 不同动力来源和构型的垂直起降飞行器 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。中航发展研究中心新能源飞行器发展白皮书（新能源飞行器发展白皮书（20242024）10 中国航空工业发展研究中心 图 7 eVTOL 和无人机、飞行汽车的主要区别 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。图 8 按照能量和动力来源的新能源飞行器分类 中航发展研究中心新能源飞行器发展白皮书（新能源飞行器发展白皮书（20242024）11 中国航空工业发展研究中心 4 发展发展规划规划 本章分为四个小节，4.1 分析了储能电池、氢燃料电池、氢涡轮和可持续航空燃料四种新能源技术方案的优劣势和最佳适用区间；4.2 评估了低空经济和民航应用场景对新能源飞行器的技术能力需求，提出了技术发展目标；4.3 预测了新能源飞行器的技术发展趋势，梳理了关键技术路径；4.4提出了一种氢燃料电池支线飞机概念设计，并对其性能和应用前景进行了分析。新能源飞行器发展规划基本框架如下所示。图 9 新能源飞行器发展规划基本框架 4.1 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。中航发展研究中心新能源飞行器发展白皮书（新能源飞行器发展白皮书（20242024）12 中国航空工业发展研究中心 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。图 10 不同乘客数（载荷）和航程的新能源飞行器能源动力方案优势区间 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氢燃料电池为主。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。上述中航发展研究中心新能源飞行器发展白皮书（新能源飞行器发展白皮书（20242024）13 中国航空工业发展研究中心 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。4.2 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。相关结论如下表所示。表 2 新能源飞行器的技术发展目标预测 技术领域 技术指标 目标技术能力 储能电池 系统能量密度 500Wh/kg（低空应用场景）1000Wh/kg（民航应用场景）放电倍率 连续放电3C，瞬时放电 5-7C 循环寿命 2000 次 电推进系统 额定功率密度 4 kW/kg 推进效率 96%1 1、储能储能电池电池 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，快速拉起和姿态调中航发展研究中心新能源飞行器发展白皮书（新能源飞行器发展白皮书（20242024）14 中国航空工业发展研究中心 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 2、电推进系统、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%。4.3 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：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）；能源系统技术（储能电池和燃料电池）；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。相关预测结果如下表所示。中航发展研究中心新能源飞行器发展白皮书（新能源飞行器发展白皮书（20242024）15 中国航空工业发展研究中心 表 3 2025-2035 年我国新能源飞行器技术发展预测 技术领域 时间节点 技术指标 关键技术路径 飞行器本体 低空飞行器 2025 年 完成多款 eVTOL 飞行器适航取证；电动飞机产业化；新能源通航飞机各项技术成熟度达到6级。分布式电推进系统、高功率电机电控与能量/热管理系统、总体气动改型设计、新型氢动力飞机结构设计等。2030 年 eVTOL 开始成熟运营；电动飞机规模化生产；新能源通航飞机各项技术成熟度达到 8 级。2035 年 电动飞机年产量持续增加；不同用途的新能源通航飞机适航取证，2035 年之后持续发展。商用飞机 2025 年 完成氢动力飞机和混合动力飞机创新构型设计和总体技术研究。2030 年 实现氢燃料电池涡桨支线飞机商业应用，完成氢涡轮窄体干线飞机概念方案设计与技术攻关。2035 年 完成氢涡轮窄体干线飞机商业应用，探索宽体干线飞机可能技术方向。能源系统 储能电池 2025 年 储能电池单体能量密度达到 500Wh/kg，连续放电倍率突破 2.5C，循环次数超过 1000 次，安全性做到不起火，不爆炸。固态电池、铝空气电池、硅阳极材料、锂金属电池等。2030 年 储能电池单体能量密度达到 700Wh/kg，连续放电倍率突破 3C，循环次数超过 1500 次，安全性做到不起火，不冒烟，动力不丢失。2035 年 储能电池单体能量密度超过 1000Wh/kg，连续放电倍率突破 4C，循环次数超过 2000 次，具备无感安全和自修复能力。氢燃料电池 2025 年 燃料电池系统功率密度提升至 1.5kW/kg，额定功率下氢电转化效率提升至 55%以上。新型电极材料、高效水热智能管理和控制系统、质子交换膜技术等。2030 年 燃料电池系统功率密度提升至 2kW/kg，额定功率下氢电转化效率提升至 60%以上。2035 年 燃料电池系统功率密度提升至 2.5kW/kg，额定功率下氢电转化效率提升至 65%以上。储氢系统 2025 年 质量储氢密度达到 25%，系统总储氢量 1.5 吨。存储轻量化设计、复合材料氢瓶、低温冷却系统、机载液氢分配系统等。2030 年 质量储氢密度达到 30%，系统总储氢量 3 吨。2035 年 质量储氢密度达到 35%，系统总储氢量 6 吨。中航发展研究中心新能源飞行器发展白皮书（新能源飞行器发展白皮书（20242024）16 中国航空工业发展研究中心 动力系统 电动机 2025 年 航空电机及驱动系统功率突破 500kW，额定功率密度达到 3kW/kg。高功率密度永磁同步电机、高温超导电机、新型磁性、绝缘、导电材料等。2030 年 航空电机及驱动系统功率突破 1MW，额定功率密度达到 4kW/kg。2035 年 航空电机及驱动系统功率突破 2MW，额定功率密度达到 5kW/kg。氢涡轮 2025 年 发动机总效率（热效率推进效率）达到 40%，额定功率密度达到 6kW/kg。发动机燃烧室结构、燃料喷射与混合装置、热循环系统、发动机冷却系统等。2030 年 发动机总效率（热效率推进效率）达到 42%，额定功率密度达到 6.5kW/kg。2035 年 发动机总效率（热效率推进效率）达到 43%，额定功率密度达到 7kW/kg。4.4 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。“氢能 1 号”的概念图和设计参数如下所示。11氢燃料电池支线飞机概念设计与性能分析J/OL.航空学报,1-152024-08-30.中航发展研究中心新能源飞行器发展白皮书（新能源飞行器发展白皮书（20242024）17 中国航空工业发展研究中心 图 11“氢能 1 号”支线飞机概念设计图 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。图 12“氢能 1 号”的商载、能量利用效率和最大航程仿真结果 中航发展研究中心新能源飞行器发展白皮书（新能源飞行器发展白皮书（20242024）18 中国航空工业发展研究中心 图 13“氢能 1 号”的运营成本和碳排放强度仿真结果12 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。图 14“氢能 1 号”支线飞机参数敏感性分析 12 表中给出了完全使用氢燃料电池和氢燃料电池-锂电池混合供电系统两种方案的性能参数，其中运营成本定义为飞机每运输 100kg 载荷一公里所需要的各项成本之和，单位是元/PPK，PPK 表示每百千克公里，碳排放强度同理。中航发展研究中心新能源飞行器发展白皮书（新能源飞行器发展白皮书（20242024）19 中国航空工业发展研究中心 5 关键技术关键技术 本章分析了新能源飞行器的八项关键技术领域总体设计技术、高效电推进技术、能量综合管理技术、能源系统技术、氢涡轮推进技术、氢燃料存储技术、氢能生产与使用技术以及可持续航空燃料技术，并在最后给出了关键技术图谱。5.1 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，电动飞机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和能量密度水平，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。1 1、气动、气动-结构结构-推进一体化设计技术推进一体化设计技术 与传统燃油飞机相比，新能源飞行器的气动布局、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机综合优化设计水平，开展气动、结构、动力系统一体化设计能够有效提高飞机性能。2 2、气动布局创新设计技术、气动布局创新设计技术 为满足新能源飞行器气动布局设计需求，优化飞机气动特性，改善飞机飞行性能，可开展以下非常规气动布局的设计与研究，例如：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，大幅改善飞机的飞行性能，同时可以满足机上储氢的空间需求。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。中航发展研究中心新能源飞行器发展白皮书（新能源飞行器发展白皮书（20242024）20 中国航空工业发展研究中心 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，附面层抽吸技术在飞机尾部安装嵌入式风扇，通过加速抽吸机身附面层降低阻力，改善气动性能。国内外企业、高校和科研机构正持续不断探索新型气动布局及各种气动技术的潜力，典型布局和产品型号如下图所示。图 15 广泛应用于新能源飞行器的气动布局设计和技术注：从左上方起依次是1、双机身布局（德国 DLR HY4 氢燃料电池飞机）；2、翼身融合布局（西工大翼身融合缩比验证机）；3、翼身融合布局（空客 ZEROe 概念机）；4、桁架支撑翼布局（NASA 跨声速桁架支撑翼（TTBW）飞