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飞机引擎的电动化和自动飞行最新技术
随着电池、马达、电力电子等电子技术的进化，汽车行业的动力电动化和自动驾驶已获得了惊人的进步。相反，由于飞机引擎具有严格的安全标准，一直以来人们都认为，无论从技术层面还是商业层面其电动化是不可能实现的，因此始终未采取有效举措。
但是，2019年的航空客运旅客人数约达到2001年的2.7倍*1。今后，随着航班数量的增加，其排放气体对环境造成的副作用令人堪忧。此外，事故件数预计也将会增加，尤其飞机起降时的事故率较高。为了提高此类环节的安全性，自动飞行技术的开发势在必行。
本期中，我们将就能够解决飞机排放气体问题的引擎电动化、以及能够提高飞机航运安全性能的自动飞行技术的最新信息进行解说。
*1 出处：（一般财团法人）日本航空机开发协会（该链接页面为日文。）
飞机引擎的电动化
到目前为止，飞机引擎的电动化主要是围绕液压泵和燃料供给装置等辅助设备类进行的。但是，随着国际性脱碳化进程的推进，在抑制排放气体量方面以往的措施已无法达到要求。因此，近年来人们开始尝试通过引擎本身（推进系）的电动化，实现零排放或大幅削减废气排放。在此，我们将对以往举措的不足之处、飞行引擎电动化的必要性及电动引擎的方式等进行说明。
迄今为止的努力
飞机所搭载的各类装置的电动化已经得到相当大的发展。这一举措称为“飞机用引擎系统电动化（MEE：More Electric Engine）”，即用电力代替以往的机械或者液压、气压来进行设备驱动的技术。例如，以往燃料泵和液压泵所需的驱动力是从喷气引擎的动力和抽气（排气）*2得到的，但通过将其替换为电动马达，实现了引擎负担的减轻。此外，还通过在航空燃料中混合被称为“SAF（Sustainable Aviation Fuel：可持续航空燃料）”的生物燃料，削减了二氧化碳的排放量，并通过推进风扇的大型化提高了燃料效率等。
但是，这些对策终究只是对喷气引擎以外的辅助设备和燃料的改进，不足以达到零排放或大幅削减废气排放的效果。
*2 在燃气轮机引擎中，抽出由压缩机压缩的部分空气。
电动化的进程
国际民航组织（ICAO：International Civil Aviation Organization）和国际航空运输协会（IATA：International Air Transport Association）等机构提出了到2050年为止，将二氧化碳排放量减至2005年一半的目标。在这样的国际化进程中，显而易见，仅依靠至今为止的引擎辅助设备电动化、燃料和油耗的改善等措施已难以达到目标。
因此，作为一项能够同时满足未来的航空需求增加和减少废气排放要求的技术，飞机引擎的电动化备受瞩目。将飞机引擎从喷气引擎替换为电动马达，可实现引擎的尾气零排放或大幅减少。因此，对于很多航空相关的研究机构和飞机制造厂商来说，电动引擎的开发已成为一项紧迫的课题。
电动引擎方式
替代喷气引擎的电动引擎有两种，一种是仅通过电动马达获得推力的“纯电子方式”，另一种则是同时使用喷气引擎和电动马达的“混合方式”。
纯电子方式
也称为“全电子方式”。该方式的引擎由二次电池、电动马达、推进风扇构成（图1）。用来自二次电池的电力来驱动电动马达，并通过推进风扇的旋转来得到推进力。在这种方式中，不使用任何喷气燃料，因此实现了二氧化碳的零排放。但由于其推进力依赖于电动马达，仅由二次电池来进行电力供给，所以在目前的锂离子电池的能量密度下，使用这种方式仍很难实现大中型飞机的飞行，仅能满足单座和复座等小型飞机的飞行需要。
混合方式
混合方式中又分为“并联混动方式”和“串联混动方式”。两种均为喷气引擎或燃气轮机与电动马达相组合的方式，与纯电子方式相比能够长时间获得更大的推力，因此也能够满足大中型飞机的飞行需要。
并联混合方式
并联混合动力引擎由喷气引擎、二次电池、二次电池驱动的电动马达构成（图2），通过同时使用喷气引擎和电动马达来实现推进风扇的旋转，从而获得推进力。
串联混动方式
串联混动方式的引擎构成部分除电动马达以外，还有发电机、发电机驱动用喷气引擎及二次电池（图3）。喷气引擎的旋转传至发电机，进行发电，并用产生的电力来驱动电动马达，使推进风扇产生旋转。喷气引擎的特征是，其作为发电机的驱动使用时在机体上的设置位置自由度较高，对产生推力的电动风扇的配置位置和风扇数量也没有限制。此外，也能够再生不使用剩余电力和电动马达时的喷气引擎的旋转能量，用于二次电池的充电。
这种方式是使用喷气引擎所发电的电力来驱动电动马达，因此在发电时会产生能量损耗。但通过充分利用其设计方面的高度自由度，可实现推进风扇的配置和数量的最优化，从而提高推进效率。
飞机自动飞行的最新技术
飞机的自动飞行技术其实已经早已存在，在起飞后的航行中已经能够实现稳定的航行，但是在起飞中以及条件较差的情况下，因着陆操作往往伴随危险，所以未能使用自动飞行技术。但是近年来，由于雷达、图像识别系统、电波传感器的精度提高、马达和阀门等执行器的响应速度的速度提高等因素，即使在以往困难的条件下也可以通过自动飞行来进行操纵。因此，为了实现从起飞到着陆所有操作的自动飞行，近年来一开始实施相关实验。
什么是自动飞行
所谓自动飞行，是通过飞机的操纵自动化来减轻飞行员操纵负荷的系统。通过利用自动飞行系统，便可让飞行员根据来自航空管制中心的指示和气象信息、位置信息、周边飞机的信息等，设定高度、方位、速度、目的地等，实现飞机的自动飞行。
一般来说，在客机的飞行中，飞行员在起飞几分钟之后便把操纵切换为自动飞行。在此之后，除了大雾和强风等情况以外，均可进行安全的自动飞行。着陆过程因存在危险，再次转换为手动操纵。当然，飞行员本身必须具备手动进行所有操纵的技能。但是在飞行过程中，飞行员必须进行飞行管理和飞行计划的制定等很多除操纵以外的工作，所以将操纵交给自动飞行，可实现更安全的飞行。
自动飞行装置
自动飞行具有机体姿势控制功能（俯仰、滚转、偏航：图4）、高度与速度控制功能以及到达目的地的引航功能。
其中，机体姿势控制和高度、速度控制是由加速度传感器、倾斜传感器等传感器与FCC*3、ACC*4、执行器*5共同进行的。通过传感器检测机体的姿势、方向、高度和速度，将检测到的信号发送至FCC。此后再由FCC将执行器驱动所需的命令发送至ACC，由ACC将提供驱动执行器所需的电力。由此，执行器通过对旋翼（副翼、方向舵、升降舵等）进行最佳的操作，实现自动飞行的安全飞行。
通常，执行器及旋翼的动作也会传达到驾驶室的监视器和仪表上并显示出来。飞行员可通过显示器和仪表的显示，掌握各装置的动作状况和机体的姿势。另外，由于自动飞行系统一旦发生故障就会造成重大事故，因此由多重系统构成，从而确保了其高可靠性。
*3 FCC（飞行控制计算机）：考虑机体各装置的状态、引擎推力、气流等因素，根据飞行控制规则来计算最佳转向角度，并将决定旋翼（副翼、方向舵、升降舵等）动作量的信号输出至ACC。
*4 ACC（执行器控制计算机）：根据来自FCC的命令，向驱动旋翼的执行器提供所需的电力。
*5 执行器：将电、压力（液压、气压等）、热、磁等能量转换为旋转、伸缩、弯曲等机械运动的装置，包括电动马达、液压活塞、电磁螺线管等类型。
飞机引擎的电动化和自动飞行的电子技术
对于飞机引擎的电动化来说，最需优先解决的课题是实现长距离续航。要延长续航距离，其方法是通过增加装载电池的数量来提高能量搭载量。但是，飞机与其他运输装置不同之处是，机上不容许因增加电池搭载量而导致机体本身重量的增加，因此需要提高电池本身的能量密度。目前，世界各国已在开展大幅度提高电池能源密度的相关研发。据相关报告，目前电池水平已可达到450Wh/kg以上。如能够达到500Wh/kg水准的话，便有望可实现飞机引擎的混合化，用于客机起飞升空时的辅助电力。另外，在变换器和逆变器等的冷却中，水冷系统也会带来重量负荷，因此最好采用空冷系统，在半导体中则需要使用发热较少的GaN（氮化镓）和SiC（碳化硅）。当然，其周边电路中所使用的电子部件也需要具有较高的性能，能够满足从高温到低温的使用温度范围和耐振性能。
另一方面，自动飞行系统是由众多传感器、计算机、执行器组合实现的电子技术的结晶。因此，电子技术的提高将直接带来自动飞行系统功能和安全性的改进。例如，在可通过电信号控制旋翼操作的电传操纵系统中，FCC将电信号传递给ACC。如有电噪声侵入此信号，则会导致执行器的错误操作，因此需要使用不受电噪声影响的光纤电缆来避免这一问题。此外，为了实现包括起降在内的全自动飞行（自主飞行），高精度姿势指示器和姿势方位基准装置（AHRS：Attitude Heading Reference System）的搭载也是必不可少的。这些装置都需要兼备高可靠性和高性能的MEMS传感器*6。
由此可见，在电动飞机中，与飞行相关的很多要素均由电信号和电动力承担，因此无论电动引擎采用何种方式，为实现其实用化，电子技术的提高都是必不可少的。
*6 MEMS技术基础知识
总结
电动飞机的特点是，与以往搭载喷气引擎的飞机相比其温室气体的排放量大幅度减少，并且具有出色的自动飞行功能，可以说是一种搭载了适合安全航行的飞行系统的飞机。
今后，如各国的航空产业希望在电动飞机领域进入世界市场，不仅需要改善机体的空气动力特性*7，提高动力机的效率，还需要通过与机体素材、生物技术等广泛领域的交流，来获得相关的技术和知识。要实现这一目标绝非易事，从目前我们看到的电动飞机的构思图来看，可以想见要付诸现实还遥不可及。但正如之前所述，为了实现其实用化，人们已经开始进行相关的研究和实验。
特别是在电子领域，在电力电子、高输出电机、高能量密度电池等其他领域，很多技术已经成为现实，通过进一步提高性能，完全可能将其转用至电动飞机方面。综上所述，只要能够通过严格的安全要求，在不久的未来，定能在技术和商业层面实现环保型电动飞机的实际应用。
*7 空气动力特性：在飞机飞行中，会遇到机体空气阻力、机体推动力和空气阻力之比（升阻比）等问题。通过改善这些问题，能够减少对引擎的负荷，降低燃料消耗量。
