2021年，航空机电与飞控领域继续向电气化和自主化方向发展，多个重要项目继续进行，通过演示验证提升技术成熟度。在电动飞机迅速发展的趋势引领下，高功率密度电机、高能量密度储能技术等发展迅速，同时，自主飞行技术成为研发热点。

一、从政府到企业大力推动航空电气化发展

1.英国政府资助全电推进系统研究项目

2021年1月，英国政府商业/能源和工业战略部、航空航天技术研究所（ATI）、创新英国共同支持的“电动飞机综合飞行控制、储能与推进技术研究”（INCEPTION）项目正式启动。该项目由蓝熊系统研究公司（Blue Bear Systems Research）牵头，项目周期24个月，旨在研发高功率密度、低噪声、高效率、零排放全电推进系统。该推进系统具有可扩展性，将发展系列型号。项目研制的首个型号将用于5吨内的小型飞机。通过模块化扩展，该系统能为不同类型飞机提供动力。

图 1 蓝熊系统研究公司研制的综合推进系统

2.NASA X-57项目开展高压地面试验

2021年2月，美国航空航天局（NASA）X-57“麦克斯韦”项目启动了高压地面试验。根据计划，X-57验证机将首先开展低功率试验，测试启动和停机程序，验证电机控制软件效能；随后将启动2台巡航电机，测试螺旋桨工作情况；进而提高电机功率，验证功率输出情况，测试仪表、传感器是否正常；高压试验是地面试验的最终验证阶段，是滑行试验前的关键步骤。turbojet engine

3.欧盟“洁净天空2”计划支持航空领域电气化高效应用

2021年1月，欧盟“洁净天空”计划网站介绍了“飞机模块化电力变换解决方案”（AMPS）项目的研究情况。该项目旨在开发既能有效传输功率又能供高功率密度的方法。研究团队首先设计并制造了一系列电源模块，随后使用其中一种模块构建了一个高压直流矩阵变换器演示器，成功开发出首款符合航空航天标准的无基座电源模块。该无基座电源模块不仅体积小、成本低、重量轻，且易于集成到配电系统中。

2021年6月，欧盟“洁净天空”计划网站介绍了“可靠飞机电绝缘系统选择”（RAISE）项目的研究情况。该项目旨在解决宽禁带半导体的可靠性问题，使航空领域更安全、更高效地部署宽禁带半导体设备，满足多电飞机发展要求。RAISE项目综合采用了双重方法，实现了宽禁带半导体设备的应用模拟和实验验证。

图 2 RAISE项目示意图

4.柯林斯航空航天公司参与多个航空电气化项目

2021年9月，柯林斯航空航天公司称，其正在从多电系统到混合电推进各个方面不断探索飞机电气化可能性，以助力实现航空脱碳目标。柯林斯合作伙伴普惠加拿大公司计划将新的混合电推进技术集成到德哈维兰加拿大“冲-8”（Dash-8）飞行验证机中。普惠公司的发动机将与柯林斯的先进电机以混合配置相结合，能够在飞行的不同阶段优化发动机性能，节省约30%的燃料。柯林斯还与英国混合航空器公司和诺丁汉大学的研究人员合作，研制出全球第一种“Airlander10”零排放飞艇。为了实现零排放运营目标，柯林斯航空航天公司500千瓦电机将取代“Airlander10”飞艇上配装的四台燃油发动机。该项目将分阶段进行，从2025年的两台前置发动机开始实现混合电动运行，到2030年的两台后置发动机实现零排放。此外，柯林斯正在与NASA和伊利诺伊大学合作研制兆瓦级的电机，以推动未来更环保和更经济的可持续飞机。在2021年春，该电机在伊利诺伊州罗克福德市柯林斯电力系统卓越中心的实验室进行了测试。

5.莱特电气公司计划2026年前实现全电动支线客机商用化

2021年11月，莱特电气（Wright Electric）公司表示，计划2026年前实现全电动型BAE146系列支线客机的商用化。新电动支线飞机重新命名为“莱特精神”（Wright Spirit），将使用航空电机取代飞机原有的四台涡扇发动机，使其续航时间达到一小时左右。根据莱特电气公司计划，2022年底前将完成新航空电机、变频器和推进桨叶的开发，2023年使用完整的电推进装置取代现有涡扇发动机，并完成首架电动BAE146飞机的试飞。莱特电气公司设计的2兆瓦航空电机比其他厂商的产品功率大四倍左右，比功率达到10千瓦/千克；该逆变器效率达99.5%，比功率高达30千瓦/千克，可集成功率500千瓦到20兆瓦范围的电推进系统。变频器具有较低热损失率，能够更有效储能，增加飞机航程和有效载荷。

二、先进电力系统技术发展迅速

1.兆瓦发电系统技术逐渐成熟

2021年6月，罗罗公司启动“动力生成系统1号”（Power Generation System 1，PGS1）航空发电系统地面试验。该系统以AE2100发动机为核心机，提取轴功率发电，目标功率高达2.5兆瓦，是当前全球航空领域内功率最大的发电系统。初始试验在布里斯托市进行，主要涉及核心机、控制和热管理技术领域。7月，挪威特隆赫姆工厂交付了发电机和电力电子设备，随后进行全系统集成。12月，PGS1试验功率超过1兆瓦，达到里程碑节点。

2021年3月，霍尼韦尔公司公布了一种正在开发中的全新涡轮发电机。该发电机专为空中出租车、货运无人机和混合电动商用飞机设计，与目前A350XWB飞机上的HGT1700辅助动力装置配套使用，可产生1兆瓦的电力。霍尼韦尔公司指出，许多新的空中出租车设计都采用了“分布式电推进架构”，这种涡轮发电机可为飞机上的多台电动机提供电力。

图 3 霍尼韦尔兆瓦涡轮发电机

2.超导电力系统开始技术验证

2021年3月，空客公司启动了“先进超导冷却试验电力系统演示验证”（ASCEND）项目，研究基于超导技术的电推进系统技术。该项目为期3年，目标是通过高温超导技术大幅提高电推进系统功率密度和效率（功率密度较常规系统提高2-3倍，效率达到97%），以满足未来大型长航程电动飞机的需求。项目将研制500千瓦级全电/混合电推进系统，包括：超导配电系统（超导电缆和电力电子设备）、低温电机控制器、超导电机、冷却系统。空客公司已经启动了ZEROe氢动力飞行器项目，开展液氢在航空推进系统的应用。ASCEND项目可与之结合，利用机载液氢作为冷却系统的冷源。heavy fuel engine

图 4 ASCEND系统示意图

2021年7月举行的莫斯科航展上，采用超导电机的雅克-40飞机进行了演示飞行。该机的500千瓦高温超导电机由俄罗斯前景研究基金会与SuperOx公司共同研发，项目于2016年12月启动；2020年7月进行了世界上首次基于统一高温超导平台的航空综合电力系统部件的实验室试验，平台由电池、高温超导电缆、高温超导限流装置和高温超导电动机组成。2020年12月，SuperOx公司将超导电动机安装在了作为试飞平台的雅克-40飞机上，并进行了螺旋桨试运行。2021年2月开始进行地面台架测试，随后进行了地面滑行测试。

3.GE航空公司为“隼”10X公务机开发下一代配电系统

2021年7月，达索公司选择了GE航空公司为其“隼”10X公务机项目提供主配电和二次配电系统。GE航空公司表示，“隼”10X的主配电和二次配电系统采用下一代设计方案，减少了设备，重量将比传统架构减少很多。这种配电系统通过一套构型工具支持，为达索公司提供了高效配电能力，也为调整飞机客舱构型带来了灵活性。GE航空公司将利用位于英国切尔滕纳姆的电源综合中心（EPIC）先进的建模、仿真和分析软件工具来预测该系统及其组件的运行状态，同时还将在“铜鸟”试验台上进行全系统试验。

4.赛峰集团和Pyroalliance公司共同开发高压断路器

2021年5月，赛峰集团宣布与Pyroalliance公司合作，为未来电动飞机上的大功率电网开发应急电气断路解决方案。高压断路器解决方案适用于带有电推进系统的飞机，其电网的电压范围为800-1200伏。该解决方案具备“毫秒级”超快速使用特性，可在发生电力故障的情况下为机上电网提供保护。

5.先进电机助力电动飞机发展

2021年6月，美国MagniX公司发布了两种电机Magni350和Magni650，功率分别为350千瓦和650千瓦，两者采用相同的通用核心架构，配备该公司MagniDrive-100逆变器与电机控制器，采用液冷，转速可达2300转/分，可在10600米高空环境运行。

2021年10月，无人机愿景网站报道称罗罗公司、Magnax公司等多家企业都在研究轴向磁通电机技术。由于转矩重量比很高，轴向磁通电机被认为是电动航空的未来。Magnax公司宣称，其轴向磁通电机的峰值与标称比功率分别为15千瓦/千克和7.5千瓦/千克。

图 5 Magnax公司轴向磁通电机

6.新型航空电池提升能量密度

2021年3月，法国LiBAT实验室开发出能使载人滑翔机平飞的交流电池组，目前已通过实验室测试。LiBAT研发团队利用多电平逆变技术，开发出结构独特、性能可调的交流电池系统；利用电子氟化液对电池和多电平逆变器进行沉浸式热管理，使得电池组重量较轻、尺寸较小，能量密度较高、输出功率较大。

2021年4月，NASA开始实施“增强可充电性和安全性的固态架构电池”（SABERS）项目，研究如何通过使用全新的材料和新颖的构造方法来制造更安全的电池，目标是制造一种比目前使用的锂离子电池具有更高能量的、可用于电动飞机的电池。项目团队对使用硫和硒元素的独特组合来保持电荷的方法进行了研究，发现固态硫硒电池具有诸多优点。SABERS项目重点关注五个因素：安全性、能量密度、放电率、封装设计和可扩展性。

2021年4月，英国OxisEnergy公司推出用于电动飞机的高性能固态锂硫电池，性能较传统锂离子电池有显著提升。OxisEnergy公司第一代准固态锂硫电池单体比能量450瓦时/千克，能量密度550瓦时/升。据公司初步推测，2023年秋，固态锂硫电池相关性能指标可提高到550瓦时/千克、700瓦时/升，2026年可提高到600瓦时/千克、900瓦时/升。

图 6 OxisEnergy锂硫电池原理示意图

三、环控系统与防除冰技术推陈出新

1.泰莱达因控制公司新型环境传感器获FAA补充型号合格证

2021年3月，泰莱达因控制公司（Teledyne Controls）为波音737飞机开发的新型飞机客舱环境传感器（ACES）获得美国联邦航空管理局（FAA）补充型号合格证，成为同类产品中“首个获得FAA认证的产品”。ACES系统采用传感器和飞机数据采集技术相结合的方式，实现对客舱环境信息的采集，可记录13个环境参数，包括0.3到10微米的空气颗粒物、二氧化碳、一氧化碳、臭氧、挥发性有机化合物和其他一些参数。这些参数跟踪可能在客舱中发现的物质，如液压油、发动机滑油、除冰液或燃油。

2.美国BREEZE公司推出创新型机载空气净化过滤器

2021年6月，美国BREEZE公司开发出一种新型空气净化过滤器，并在实验室环境条件（模拟飞机通风系统条件）下完成原型产品演示。演示结果表明，这种新型过滤器可成功降低85%的挥发性有机化合物和80%的臭氧，同时具有去除生物污染物的特性。新型过滤器技术结合了吸附和光催化（PCO）。PCO过程可产生高活性物质，如羟基自由基，在光催化剂暴露于具有足够能量使其活化的光中时，能够矿化有机物并破坏臭氧和生物污染物。

3.美国弗吉尼亚理工学院研究新型静电除冰技术

2021年2月，美国弗吉尼亚理工学院研究人员在美国国家科学基金的资助下进行了静电除冰研究，有望利用冰霜的电荷分离效应开发出一种颠覆式的除霜/除冰解决方案。研究团队在物体表面上人为生成了一层冰霜，然后通过滤纸在冰霜上面悬浮了一层水膜，通过高速摄像机观察发现，由于异向电荷相吸，冰霜带负电的顶部受到水膜中正离子的吸引，产生的电场会使冰霜颗粒从物体表面脱落。研究者认为，如果能够放大这种静电除冰效果，使整片冰或霜能即刻从其表面脱离，那将会改变飞机除冰行业的游戏规则。

四、自主飞行技术成为研发热点

1.Xwing公司成功完成了无人机“门对门”自主飞行试验

2021年2月，Xwing公司对其改装的塞斯纳208B“大篷车”飞机进行了完全自主的“门对门”飞行试验。试验在位于加利福尼亚康科德的布坎南机场进行的，飞机由任务中心进行远程监控，并搭载了一名飞行员用于在紧急情况时操控飞机。飞机从机库门滑向跑道、起飞、降落，然后完全自主地返回机库门，过程中与空管员的所有交流都是由任务中心的地面监控人员进行的，地面监控人员通过多冗余数据链来监控飞行。

2.空客公司公布“顶点”直升机自主飞行系统研究项目

2021年4月，空客公司称正在开展一个名为“顶点”（Vertex）的直升机全自主飞行能力研发项目，该项目使用的飞行试验平台为一架改装的H130直升机，飞行员可通过触屏设置飞行目的地并在系统推荐方案中选择合适的飞行路线。该技术还具备障碍物探测能力，可在低速、低空飞行时自动探测并规避飞行路线上的障碍物。项目预计将于2023年开始飞行验证。

“顶点”系统的组成包括一套先进传感器、摄像机和激光雷达组成的探测系统，用于为飞行器提供其所处环境状态的实时数据；使用2台机载计算机，一台用于视景系统，一台用于航电系统，每台计算机的计算能力都是当前产品的500-800倍；2台计算机将处理各种传感器获取的数据，并通过算法识别障碍物，构建三维地图，识别直升机停机坪，最后完成飞行规划并对电传飞控系统实施操纵。

图 7 空客“顶点”系统示意图

3.瑞士苏黎世大学利用人工智能实现无人机在未知环境下的自主高速飞行

2021年10月，瑞士苏黎世大学的研究人员称开发了一种新方法，可以使四旋翼飞行器仅凭借使用机载传感和计算设备，在没有地图的未知复杂环境中自主高速飞行。该研究团队在一架自主四旋翼飞行器应用人工智能技术，使之可以在森林、建筑物、废墟和火车等未提前准备地图的环境中以高达40千米/小时的速度飞行且不会撞到障碍物。无人机的神经网络是通过“观察”一种“模拟专家”来学习飞行的。这种“模拟专家”是种算法，可随时能获取关于四旋翼飞行器状态完整信息，依靠足够的时间和计算能力找到最佳飞行路线。

4.天空居民公司完成飞机自主性与制导、导航和控制飞行演示

2021年10月，太阳能飞机开发商天空居民航空公司（Sky Resident Aero）宣布，基于先前演示中收集和评估的数据，成功完成了飞机自主性与制导、导航和控制系列飞行演示。该公司通过10次飞行测试了自主飞机控制和航路点导航功能，评估了所有自动驾驶仪指令，验证了自主系统技术的初步能力以及不同高度的飞行品质，并安装和评估了新的通信链路和各种自动起降传感器，以确保飞机为下一次升级做好准备。