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        飛機也混動 ?

        2018-04-16 05:29:56江成
        航空知識 2017年11期
        關(guān)鍵詞:混動機翼客機

        江成

        眾所周知,飛機起飛時的耗油量最大,產(chǎn)生的綜合污染也最為嚴(yán)重,例如波音747大型客機起飛一次耗油約需要5噸,尺寸較小的空客A320也需要4噸左右,而這些燃油都是在短短的幾分鐘之內(nèi)燒掉的,這也為未來低污染飛機的發(fā)展指明了改進(jìn)的方向。頗具諷刺意味的是,與低污染地面車輛的發(fā)展相似,在此之前,由于在運行中幾乎不產(chǎn)生污染,純電推進(jìn)的飛機一度被歐洲人作為未來研發(fā)的重要方向。但是,由于目前最好的鋰離子蓄電池的功率密度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的燃油推進(jìn)系統(tǒng),這使得電動飛機遇到了比電動汽車更為嚴(yán)重的載重量瓶頸。

        由于必須依賴自身能量來起飛和巡航,目前的電動飛機都是超輕型飛機,多數(shù)為單座、雙座設(shè)計,最大航速和續(xù)航時間也不盡人意,并不能達(dá)到取代傳統(tǒng)飛機的作用。而采用電動力和燃油動力相結(jié)合的混動汽車,卻在實際應(yīng)用中展示了遠(yuǎn)比純電動汽車優(yōu)秀的性能,在正常運行參數(shù)與傳統(tǒng)汽車相差無幾的前提下,使得燃油消耗顯著下降,產(chǎn)生的污染也得到了良好控制。

        由此可見,如果新一代的飛機也采用與混動汽車相似的動力系統(tǒng),利用電動力和燃油動力在不同運行條件下的優(yōu)勢互補,也可以做到在不明顯降低飛機使用性能的情況下,大幅度減少起飛過程的燃油消耗,并進(jìn)一步降低巡航狀態(tài)的燃油消耗,從而使得燃油燃燒帶來的污染可以明顯降低。

        但是,與混動汽車不同的是,由于運行環(huán)境不同,混合動力電推進(jìn)的飛機所采用的技術(shù)要復(fù)雜得多,而并非簡單的將電動力和燃油動力聯(lián)合起來,這也是近年來歐美航空業(yè)界尋求技術(shù)突破的主要方向。從目前來看,混合動力電推進(jìn)飛機的主要優(yōu)勢,與混動汽車相似,可以通過蓄電池系統(tǒng)事先儲存一部分能量,在起飛階段釋放,從而明顯降低起飛油耗。由于蓄電池系統(tǒng)提供的是電能,那么飛機的推進(jìn)器與其他控制設(shè)備也必須采用電動方式。

        而將傳統(tǒng)的液壓和機械控制設(shè)備轉(zhuǎn)為電動方式,也會帶來顯著的效益。由于電動控制系統(tǒng)實際上將傳統(tǒng)的發(fā)動機與電力系統(tǒng)、環(huán)境控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)等進(jìn)行了整合,以實現(xiàn)能量的綜合管理和合理分配,效率較高。根據(jù)空中客車公司的研究,可以比傳統(tǒng)的液壓和機械控制降低約35%的傳遞損失,這部分效率的提高可以表現(xiàn)為油耗的下降。同時,由于電動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,布置方便,控制性能好,壽命較長,可以顯著降低維護(hù)工作量和維修費用。目前,電動控制系統(tǒng)在部分新型飛機上已經(jīng)獲得應(yīng)用,例如空客A380客機、波音787客機和F-35戰(zhàn)斗機等,這也為混合動力電推進(jìn)飛機的實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

        荷蘭航空航天研究中心的研究成果表明,如果不采用傳統(tǒng)推進(jìn)方式,而是采用渦輪發(fā)電機組、再用電力驅(qū)動螺旋槳提供動力的方式,可以將飛機油耗降低大約10%。然而,目前混動飛機面臨的最主要突破,是需要發(fā)展新一代的高功率密度發(fā)電機,以滿足大功率電推進(jìn)的需要。在波音787客機上,共有6臺發(fā)電機,總功率1 400千瓦,而F-35戰(zhàn)斗機的發(fā)電機是目前單臺功率最大的,為400千瓦。但是,如果需要實現(xiàn)大型客機的電力推進(jìn),需要10兆瓦(1兆瓦=1 000千瓦)級別的發(fā)電功率,根據(jù)空中客車公司的推算,如果要為空客A320級別的客機實現(xiàn)電推進(jìn),需要實現(xiàn)最大功率40兆瓦的輸出,巡航輸出也需要達(dá)到20兆瓦,而為了降低系統(tǒng)的復(fù)雜度,同時又保障足夠的冗余度,通常并聯(lián)輸出的發(fā)電機組以2~3臺為宜,這就要求單臺發(fā)電機的功率達(dá)到10兆瓦以上,這已經(jīng)大幅度超出了目前航空工業(yè)的實際應(yīng)用水平。

        歐洲和美國的混動飛機

        2017年6月,空中客車集團向外界公布了其規(guī)劃中的支線飛機級電推進(jìn)飛行驗證機——E-Fan X的更多細(xì)節(jié),作為開發(fā)混合動力電推進(jìn)單通道客機的前期探索,該機可能在3年內(nèi)實現(xiàn)試飛??湛图瘓F在E-Fan X驗證機上采用了較為保守的方案,計劃改裝一架BAe 146/Avro RJ支線客機,使用一臺2兆瓦級的渦輪發(fā)電機和電池為電推進(jìn)器提供動力,以替代原飛機上4臺渦扇發(fā)動機中的1臺或者2臺??湛褪紫夹g(shù)官保羅·艾瑞蒙科解釋說,之所以采用2兆瓦級的發(fā)電機,是因為這是目前常規(guī)配電方案可達(dá)到的上限,而無需采用復(fù)雜的超導(dǎo)技術(shù),這也適合E-Fan X驗證機的定位,即只是為混合動力電推進(jìn)方案進(jìn)行飛行驗證,而不是為了開發(fā)下一代支線客機的混動電推進(jìn)系統(tǒng)。

        在大西洋對面的美國,著名的霍尼韋爾公司也為極光飛行科學(xué)公司的XV-24A “雷擊”(LightningStrike)混動電推進(jìn)無人機提供了先進(jìn)的發(fā)電機,該機計劃于2018年首飛,使用了3臺1兆瓦發(fā)電機,由1臺羅·羅公司的AE1107渦軸發(fā)動機驅(qū)動。在波音787客機上。4臺250千瓦的主發(fā)電機各重95千克,而霍尼韋爾研制的1兆瓦發(fā)電機功率是其4倍,重量僅增加了約40%,每臺只有127千克。除了功重比出色之外,霍尼韋爾公司還宣稱這一型發(fā)電機的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于之前的航空發(fā)電機,從90%增加到了98%。對于飛機來講,新型發(fā)電機效率的提高,意味著需要冷卻、排放的廢熱大幅度減少了,可以顯著降低飛機環(huán)境控制系統(tǒng)的負(fù)荷,也避免了因為廢熱積蓄導(dǎo)致高溫、甚至造成發(fā)電機和機體損壞的可能,這對于未來的大功率航空發(fā)電機推廣應(yīng)用是極其重要的。

        通過在飛機上采用混合動力電推進(jìn)技術(shù),除了引人注目的環(huán)保優(yōu)勢之外,一些新技術(shù)也得以實現(xiàn),從而進(jìn)一步提高飛機的性能和效率,其中比較重要的是分布式電推進(jìn)技術(shù)和柔性機翼技術(shù)。

        在傳統(tǒng)的螺旋槳推進(jìn)中,機翼前方的螺旋槳產(chǎn)生的高速滑流吹過機翼,具有良好的減阻增升作用,但由于發(fā)動機能驅(qū)動的螺旋槳數(shù)目有限,大部分的機翼都處于螺旋槳滑流之外,使得升阻比提高的效益受到限制。而在電推進(jìn)中,由于機翼上可以安排數(shù)量較多的電動推進(jìn)器,可以使得大部分機翼都處在滑流之中,機翼的升阻比可以顯著提高。另外,由于電推進(jìn)器具有優(yōu)異的啟停、調(diào)速能力,通過控制不同位置的電推進(jìn)器的工作狀態(tài),還可以對飛機的姿態(tài)控制施加有利作用,特別是在低速起降階段,可以提高飛機的控制能力和安全性。由于分布式電推進(jìn)的優(yōu)勢巨大,目前相關(guān)驗證機的推進(jìn)器數(shù)目有越來越多的趨勢。例如NASA的X-57驗證機采用了12個電推進(jìn)器;XV-24A “雷擊”有24個電驅(qū)動涵道風(fēng)扇,其中每個機翼上有9個,每個鴨翼上有3個,每個風(fēng)扇都采用了變距槳葉,這使得飛行員可以靈活地在六個自由度上對飛機實施控制;而法國最新研制的“安培”驗證機上,沿翼展布置了多達(dá)32個電驅(qū)動涵道風(fēng)扇,可以在更大的范圍內(nèi)實現(xiàn)主動控制。

        柔性機翼技術(shù)也是航空界早已進(jìn)行研究、但遲遲不能獲得有效進(jìn)展的技術(shù)。這是因為柔性機翼需要在較大的運行范圍內(nèi),根據(jù)不同飛行條件,通過機翼的自適應(yīng)變形保持最佳氣動效率,并與柔性蒙皮技術(shù)結(jié)合,使得機翼表面可以維持連續(xù)不斷的線型。而傳統(tǒng)的液壓和機械控制技術(shù)占用空間和重量都比較大,只適合對大片襟翼、副翼實施控制,其翼面線型和氣動效率的優(yōu)化,也只能針對某些狹窄的設(shè)計區(qū)間來進(jìn)行。當(dāng)采用電控制系統(tǒng)之后,矛盾便迎刃而解了,現(xiàn)代的小型電制動器不僅具有較小的體積和重量,更具有優(yōu)秀的變化調(diào)節(jié)能力,可以在飛行計算機的控制下進(jìn)行迅速的翼面狀態(tài)變化,以適應(yīng)飛行狀態(tài)的需求。在NASA進(jìn)行的可扭轉(zhuǎn)柔性機翼襟翼試驗中,已經(jīng)驗證了在電控制器的作用下,襟翼不同部分保持不同偏轉(zhuǎn)角的測試,這種扭轉(zhuǎn)變形可以改變機翼升力中心,進(jìn)而降低陣風(fēng)載荷對飛行狀態(tài)的影響。目前,NASA仍在進(jìn)一步擴大可扭轉(zhuǎn)柔性機翼襟翼的試驗?zāi)繕?biāo),可望使未來電推進(jìn)飛機的運行效率得到進(jìn)一步提升。

        未來的進(jìn)展

        目前,混動飛機已經(jīng)成為了先進(jìn)國家的研究重點。2017年初,通用航空制造商協(xié)會(GAMA)電推進(jìn)創(chuàng)新委員會(EPIC)發(fā)布了全球首份度量通用航空混合推進(jìn)和電推進(jìn)性能的標(biāo)準(zhǔn)。GAMA全球創(chuàng)新與政策副總裁格雷格·鮑列斯(Greg Bowles)就此聲稱,由于在混合動力和電推進(jìn)領(lǐng)域的許多活動,表明這個行業(yè)確實開始大發(fā)展,在把握情況之后,我們決定發(fā)布相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。歐盟也資助了近900萬歐元,啟動了一個名為“混合電推進(jìn)模塊化架構(gòu)”的新項目(Mahepa),主要開發(fā)混合電推進(jìn)系統(tǒng)的模塊和部件,計劃用于2020年服役的2~4座混動電推進(jìn)飛機。

        未來混動飛機的大發(fā)展,很可能還需要超導(dǎo)電機技術(shù)的應(yīng)用,可以使得電機的效率進(jìn)一步提高,最大運行功率和功率密度也會出現(xiàn)飛躍。但超導(dǎo)技術(shù)的難點在于必須保持較低的溫度,目前看來,如果未來氫燃料技術(shù)在飛機應(yīng)用上可以獲得突破,可以利用液氫汽化產(chǎn)生的低溫來維持電機的超導(dǎo)狀態(tài),這樣一來,混動電推進(jìn)飛機技術(shù)有可能在亞聲速飛機上獲得全面普及。

        據(jù)目前估計,在未來混動飛機技術(shù)實用化之后,在載客量低于100人的支線客機范疇內(nèi),比起純電動飛機和傳統(tǒng)飛機,采用混合動力電推進(jìn)的飛機具有明顯優(yōu)越的比較優(yōu)勢。艾瑞蒙科表示,空客集團與羅·羅公司合作的E-Thrust混合電推進(jìn)單通道概念飛機有可能在10年內(nèi)成為現(xiàn)實。而在NASA發(fā)布的未來20年混合電推進(jìn)路線圖中,2035年之后,將實現(xiàn)300座級別的混合動力電推進(jìn)飛機。

        目前,以德法為首的許多歐洲國家已經(jīng)制訂了淘汰傳統(tǒng)燃油汽車的時間表,而傳統(tǒng)燃油飛機被混動飛機淘汰的時間表,也已經(jīng)遙遙在望了。

        責(zé)任編輯:王鑫邦

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