新能源飞行器发展白皮书（2024）-中国航空工业发展研究中心

NEWENERGYAIRCRAFTDEVELOPMENTWHITEPAPER 新能源飞行器发展白皮书 （2024） 中国航空工业发展研究中心 2024年11月 中航发展研究中心 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 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 目录 1前言1 2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32 附录缩略语和专有名词表34 中航发展研究中心 1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 1NASA格林研究中心《电力推进系统研究》,ElectricPropulsionSystemStudies. 2欧盟《2050年目标：欧洲航空零排放之路》,Destination2050:ARoutetoNetZeroEuropeanAviation. 3罗兰贝格咨询公司《绿色航空旅行开拓新视野》,GreenAirTravelReachesforNewHorizons. 美国垂直飞行协会《世界eVTOL飞行器目录》，WorldeVTOLAircraftDirectory.SMG咨询公司《先进空中交通报告》，AdvancedAirMobilityReport. 中航发展研究中心 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 JobyS4 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 2发展必要性 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》,WorldEnergyOutlook2024. 7国际航空运输协会（IATA）《2023年全球客运市场分析报告》,AirFreightMarketAnalysis2023. 8气候行动追踪组织（ClimateActionTracker）《航空业统计数据》 中航发展研究中心 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22024-2060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（BNPParibas）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 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A319Neo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