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【航发科普】未来航空动力新趋势?这些设计令人“脑洞大开”
  • 来源:
  • 发布时间:2017-11-08

导读

       美国国家航空航天局(NASA)近日展示了一种被称为“飞马”的混合电推进48座概念支线客机。“飞马”除了在机翼翼尖设有2个混合电螺旋桨外,其机翼内侧下有2个电动螺旋桨,尾部还有1个螺旋桨,这是典型的分布式混合电推进系统。

  随着全球航空业的飞速发展,越来越多的航空制造商将目光聚焦于节能、环保和可持续性上,电推进成为动力革新的“新秀”。不过,电动飞机在技术与市场应用上还远未成熟,在燃气涡轮动力依然占据主流的今天,集电推进与燃气涡轮之所长的分布式混合电推进系统开始初显锋芒。

在现有技术中融入新概念

  分布式混合电推进系统,是指通过传统燃气涡轮发动机带动发电机发电,为分布在机翼或机身上的多个电动机/风扇提供电力,并由电动机驱动风扇/螺旋桨提供全部或绝大部分推力(燃气涡轮发动机不提供或只提供部分推力)的一种新概念推进系统。

  电推进系统具有相对尺度无关的特性,若将一个100千瓦的电机和控制器分解成100个1千瓦的电机或10个10千瓦的电机,其总的功率重量比和总效率基本保持不变。

  将大的涡扇/涡桨发动机拆分成若干小的电动风扇/螺旋桨分布在机身各处,能够更好地利用空气滑流效应提高气动效率、降低边界层阻力,大幅提高发动机等效涵道比,在减轻结构重量,降低油耗、噪声和污染排放方面具有优势。

  目前,美国、欧洲均将混合电推进系统视为未来有广泛前景的民用航空动力解决方案,都在组织飞机制造商和发动机商开展探索和预研,波音、GE、空客、西门子、罗罗等公司都已经在政府科研计划支持下开展民用航空分布式混合电推进系统研究。

“脑洞大开”的设计思路

  目前,美欧的各家工业企业和科研机构在分布式混合电推进系统领域设计思路不尽相同,充满想象力的设计方案给分布式混合电推进带来更多“未来科技感”。

  NASA在很早以前就开始关注分布式混合电推进系统的发展,在其推出的概念研究中,美国波音公司是最早“吃螃蟹”的企业之一。波音提出Sugar概念飞机,该飞机由一个涡轮轴发动机带动发电机给分布在机翼上部、下部或内部的多个电动机/风扇提供动力。

  此外,欧盟在“航迹2050”计划下探索了分布式混合电推进系统。空客最早开始参与电动飞机的研发,推出由四台电动机驱动四个反转螺旋桨提供推力的Cri-Cri飞机以及电动涵道风扇推进E-Fan飞机,两款飞机都是轻型飞机,验证了轻质、高效的发电机和电动机技术。

  空客还与西门子和罗罗联合开发100 座级支线客机E-Airbus飞机,该飞机由一台安装在机身后部的涡扇发动机带动发电机驱动机翼上的6 台电动风扇提供动力,等效涵道比超过20,为大型民用客机推进技术提供新思路。

跳出传统带来的技术挑战

  从燃气涡轮到发电机/机载电池再到电动风扇,如何高效利用电能成为影响该技术发展的关键。而目前电池的能量密度(即单位质量的电池材料放出电能的大小)太低和电动机的功率密度不足,使得分布式混合电推进系统的发展受到很大限制。

  所以,分布式混合电推进系统未来发展的重点是能量密度更大的电池和超导电动机、发电机这两个技术难点。目前,欧美都在大力开展这两个方面的研究。

  NASA正在开展超导技术研究,以提高电机功率密度和能量效率。由于使超导发电机和电动机高效工作的关键之一是实现超冷环境,因此NASA重点关注低温冷却和液氢冷却两种冷却方案。不过,两种方案都面临着机上存储空间不足的难题。

  欧盟也在寻求开发轻质、高效的发电机和电动机技术,尤其是在超导技术方面寻求突破,以提高分布式混合推进技术的技术成熟度。

  在欧美国家的技术发展规划上,分布式混合电推进系统有望于2030 年投入商业运营。为了夺取这一未来的战略制高点,美欧政府都予以大力支持,各自发起了一系列前沿技术研究计划,以推动本国的混合电推进系统的发展。(廖中权)