■ 王樂(lè) 高海紅 王鵬 / 中國(guó)航發(fā)渦輪院

近年來(lái)，國(guó)際上對(duì)環(huán)保和污染排放的要求不斷提高，國(guó)際民航組織（ICAO）計(jì)劃，到2050年將CO2排放降低75%。采用傳統(tǒng)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方法已無(wú)法滿足發(fā)動(dòng)機(jī)高效、節(jié)能、環(huán)保和長(zhǎng)壽命的需求，因此需要開(kāi)始探索新的推進(jìn)技術(shù),混合電推進(jìn)系統(tǒng)便是其中之一。由于采用了部分電推進(jìn)，這種裝置在節(jié)能、環(huán)保方面的優(yōu)勢(shì)突出，是當(dāng)前世界各國(guó)先進(jìn)航空動(dòng)力研究的重要方向，其中也包括俄羅斯。

混合電推進(jìn)系統(tǒng)主要是指由傳統(tǒng)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，結(jié)合機(jī)載電池組提供電力，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)分布在機(jī)翼或機(jī)體的多個(gè)涵道風(fēng)扇/螺旋槳提供全部或大部分推力（燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)不提供或只提供部分推力）的系統(tǒng)。起飛時(shí)使用傳統(tǒng)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)；爬升到一定高度時(shí)，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始工作，燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)可以給電動(dòng)機(jī)的電池充電，或者完全關(guān)閉；降落時(shí)再次起動(dòng)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，完成著陸。這種系統(tǒng)結(jié)合了燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)和電力推進(jìn)兩種動(dòng)力的優(yōu)點(diǎn)，電池不會(huì)一直持續(xù)工作，而且在工作中燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)還可以給電池充電，所以對(duì)電池的質(zhì)量、尺寸和技術(shù)要求并沒(méi)有那么高。與此同時(shí)，這種系統(tǒng)也降低了對(duì)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的要求，可以采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性更高的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，從而延長(zhǎng)巡航飛行航程，提高動(dòng)力系統(tǒng)壽命，提高飛機(jī)整體環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性。理論上來(lái)講，采用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)和渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的軍民用運(yùn)輸類飛機(jī)、無(wú)人機(jī)都可以采用混合電推進(jìn)系統(tǒng)。混合電推進(jìn)技術(shù)具備較大的發(fā)展?jié)摿?，被列為未?lái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的主要方向之一，各國(guó)都投入大量資源開(kāi)展研究，俄羅斯也不例外。

圖1 TsAGI輕型短距起降支線飛機(jī)氣動(dòng)結(jié)構(gòu)方案

俄羅斯是最早從事電推進(jìn)飛行器基礎(chǔ)研究的國(guó)家之一，但在20世紀(jì)90年代初，由于蘇聯(lián)解體、經(jīng)濟(jì)衰退，整個(gè)航空工業(yè)發(fā)展停滯不前，在電推進(jìn)領(lǐng)域的研究也被迫中斷。經(jīng)歷十多年的沉寂，直到2004年左右才開(kāi)始恢復(fù)。之后，俄羅斯從國(guó)家層面制定了多個(gè)航空工業(yè)發(fā)展規(guī)劃，并從國(guó)家預(yù)算撥款來(lái)刺激和鼓勵(lì)飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)新技術(shù)研究，其中也包括混合電推進(jìn)技術(shù)。

目前，俄羅斯有許多科研機(jī)構(gòu)著手混合電推進(jìn)的應(yīng)用研究。中央航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院（CIAM）早在20世紀(jì)初期就開(kāi)始了該項(xiàng)技術(shù)的探索研究，在混合電推進(jìn)技術(shù)方面積累了一定的基礎(chǔ)研究經(jīng)驗(yàn)。俄羅斯未來(lái)研究基金會(huì)宣布正在進(jìn)行功率為500kW混合電推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的研制工作，原型機(jī)預(yù)計(jì)將于2020年開(kāi)展試驗(yàn)。中央空氣流體動(dòng)力學(xué)研究院（TsAGI）也提出了輕型短距起降支線飛機(jī)分布式混合電推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的方案（如圖1所示）。俄羅斯多家航空科研院所、企業(yè)和高校紛紛參與到了這些項(xiàng)目研制中，各單位在項(xiàng)目中分工明確，在各自的優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。

中央空氣流體動(dòng)力學(xué)研究院的混合電推進(jìn)研究

TsAGI是俄羅斯從事飛行器空氣動(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究以及相關(guān)流體力學(xué)研究的科學(xué)院所。該研究院提出了輕型短距起降支線飛機(jī)分布式混合電推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的方案。該飛機(jī)的特點(diǎn)是：采用安裝在機(jī)翼前端的幾個(gè)螺旋槳對(duì)機(jī)翼吹風(fēng)來(lái)提高低速狀態(tài)下飛機(jī)的升力。巡航時(shí)，其中一些螺旋槳收起，以提高飛行速度，減小氣動(dòng)阻力、降低燃油流量。與同類產(chǎn)品相比，采用這種飛機(jī)結(jié)構(gòu)方案可以使飛行速度從300～350km/h增 大 至650～700km/h， 航 程 從700～1000km延長(zhǎng)至2000km，起降距離從600～700m縮短至300～400m。在設(shè)計(jì)方案中，采用1臺(tái)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)和20～30臺(tái)電驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇、1臺(tái)發(fā)電機(jī)和備用電源來(lái)提高氣動(dòng)品質(zhì)、增大巡航速度和解決低速起降的問(wèn)題。此外，飛機(jī)還采用了小展弦比襟翼來(lái)提高升力，提高載油量來(lái)加大航程；采用飛發(fā)集成結(jié)構(gòu)，降低迎面阻力。采用上述措施后，飛機(jī)完全可以達(dá)到規(guī)定速度。截至2019年9月，該項(xiàng)目還處于計(jì)算機(jī)模擬階段，正在進(jìn)行初步評(píng)審，預(yù)計(jì)2020年將開(kāi)展模型試驗(yàn)研究。

中央航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院的混合電推進(jìn)研究

CIAM是俄羅斯航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域最權(quán)威的綜合性、系統(tǒng)性研究機(jī)構(gòu)。在混合電推進(jìn)動(dòng)力裝置方面，CIAM更多的是承擔(dān)基礎(chǔ)性研究工作，包括高轉(zhuǎn)數(shù)發(fā)電機(jī)和功率質(zhì)量比大于2～5kW/kg的電驅(qū)動(dòng)裝置研究等。

高轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)

目前，CIAM正在研制轉(zhuǎn)速可達(dá)50000r/min、直流電壓為27 ～540V、功率為300kW以上的高轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)。為了提高發(fā)電機(jī)的功率，CIAM與超級(jí)奧克斯公司（SuperOx）合作研制高溫超導(dǎo)體，并基于超導(dǎo)體發(fā)電機(jī)開(kāi)展混合電推進(jìn)動(dòng)力裝置研究。預(yù)計(jì)到2030年，該超導(dǎo)體發(fā)電機(jī)功率將不低于2MW，2035年發(fā)電機(jī)功率會(huì)達(dá)到5MW。

圖2 可調(diào)電驅(qū)動(dòng)裝置試驗(yàn)件在CIAM GU-212試車(chē)臺(tái)上的裝配情況

功率質(zhì)量比大于2 ～5kW/kg的電驅(qū)動(dòng)裝置

電驅(qū)動(dòng)裝置基于電磁激勵(lì)的非接觸式閘流管式電機(jī)開(kāi)展研制，電動(dòng)機(jī)不采用轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)線圈和刷式集電器組件。這種設(shè)備不需要經(jīng)常進(jìn)行維護(hù)，具有很強(qiáng)的抗力矩過(guò)載能力（瞬時(shí)增加5倍多），效率超過(guò)90%，而且質(zhì)量輕，尺寸小，壽命長(zhǎng)和可靠性高。

CIAM正在聯(lián)合電驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)局、鄂木斯克設(shè)計(jì)局、ERGUARD公司（專門(mén)生產(chǎn)和分析永久性稀土磁鐵和專用磁鐵系統(tǒng)）研制功率質(zhì)量比大于2 ～5kW/kg的電驅(qū)動(dòng)裝置試驗(yàn)件（如圖2所示）。目前，試驗(yàn)件已完成高速性、轉(zhuǎn)速變化范圍為400～12000r/min的高溫試驗(yàn)驗(yàn)證。該電驅(qū)動(dòng)裝置為燃油系統(tǒng)的一部分，用于調(diào)節(jié)泵的功率，還可以極大地降低飛行中燃油的溫升程度，改善滑油系統(tǒng)的溫度情況，進(jìn)而提高發(fā)動(dòng)機(jī)使用的可靠性和安全性，改善其環(huán)保特性。

聯(lián)合團(tuán)隊(duì)的混合電推進(jìn)研究

2017年莫斯科航展上，茹科夫斯基國(guó)家研究院的國(guó)家研究中心展出了一臺(tái)功率為500kW的混合電推進(jìn)動(dòng)力裝置驗(yàn)證機(jī)（如圖3所示）。項(xiàng)目的研究工作是在“建立未來(lái)全電飛機(jī)研究先進(jìn)科技基礎(chǔ)”的構(gòu)架下開(kāi)展的，牽頭單位為CIAM，參與項(xiàng)目研制的單位有CIAM、西伯利亞航空研究所、中央空氣流體動(dòng)力學(xué)研究院（TsAGI）、超級(jí)奧克斯公司、茹科夫斯基國(guó)家研究院國(guó)家研究中心、烏法國(guó)立航空技術(shù)大學(xué)和莫斯科航空大學(xué)等。其中，CIAM負(fù)責(zé)總體和制定部件要求，西伯利亞航空研究所負(fù)責(zé)飛行平臺(tái)建設(shè)和飛行試驗(yàn)，超級(jí)奧克斯公司負(fù)責(zé)高溫超導(dǎo)電氣設(shè)備研制，TsAGI負(fù)責(zé)制定總體要求和全電飛機(jī)打樣圖設(shè)計(jì)。

圖3 2017年莫斯科航展上展出的配裝混合電推進(jìn)動(dòng)力裝置的飛機(jī)模型

該型動(dòng)力裝置電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力來(lái)源為蓄電池或/和發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)通過(guò)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)軸傳動(dòng)。電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為2500r/min，額定電壓為800V，發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量為95kg，直徑為0.45m，長(zhǎng)0.4m，液氮流量為6L/h。該發(fā)動(dòng)機(jī)在研制時(shí)采用了許多新技術(shù)和新方案。例如，采用了液氮和俄羅斯自研的高溫超導(dǎo)體，當(dāng)溫度為-196℃時(shí)，導(dǎo)體的電阻效應(yīng)為零，從而輸出很高的效率（通常情況下，提高電動(dòng)機(jī)功率的同時(shí)，其質(zhì)量也會(huì)相應(yīng)增加，但采用這種高溫超導(dǎo)體就可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題）；發(fā)電機(jī)由CIAM和烏法國(guó)立航空技術(shù)大學(xué)聯(lián)合研制，這是俄羅斯首個(gè)功率超過(guò)150kW的航空發(fā)電機(jī)，可以使效率達(dá)到96%。

項(xiàng)目分兩步實(shí)施：先研制出混合電推進(jìn)動(dòng)力裝置，然后基于驗(yàn)證的技術(shù)著手開(kāi)展載客量9～19人的批生產(chǎn)電驅(qū)動(dòng)飛機(jī)研制。預(yù)計(jì)將在2020年年底或2021年年初實(shí)現(xiàn)試飛。

2019年9月，該項(xiàng)目的首個(gè)結(jié)構(gòu)方案驗(yàn)證機(jī)在CIAM試車(chē)臺(tái)上開(kāi)展地面試驗(yàn)，2020年將在西伯利亞科學(xué)研究院的雅克-40飛行平臺(tái)上開(kāi)展飛行試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)將裝備4臺(tái)這種電動(dòng)機(jī)，試驗(yàn)過(guò)程中可以根據(jù)情況對(duì)飛行要求進(jìn)行調(diào)節(jié)，檢查其效率和所有系統(tǒng)的工作情況。

莫斯科航空大學(xué)的混合電推進(jìn)研究

2019年莫斯科航空大學(xué)的專家們將俄羅斯國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的超導(dǎo)材料首次用于大功率電動(dòng)機(jī)（如圖4所示）。該電動(dòng)機(jī)可以極大地降低電阻，電功率比磁阻電動(dòng)機(jī)更高，完全可以為發(fā)動(dòng)機(jī)提供足夠的動(dòng)力，保證飛機(jī)的電力需求。因?yàn)槌瑢?dǎo)體只有在極低溫條件下才能保持電阻很低，要保證電動(dòng)機(jī)正常工作，需要在動(dòng)力裝置上安裝一個(gè)低溫保護(hù)系統(tǒng)。目前，該方案擬采用機(jī)載低溫保護(hù)系統(tǒng)，裝載溫度為-196℃的液氮冷卻。采用這種冷卻方式還可以避免導(dǎo)線短路引起失火，從而提高了飛機(jī)機(jī)載的安全性。

圖4 莫斯科航空大學(xué)研制的混合電推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)

結(jié)束語(yǔ)

俄羅斯將航空電推進(jìn)技術(shù)作為了未來(lái)航空領(lǐng)域革新的方向，其技術(shù)研究水平也走在了世界前列，部分設(shè)計(jì)方案已經(jīng)進(jìn)入了地面試驗(yàn)階段。尤其是CIAM和TsAGI，不僅具有深厚的混合電推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)科學(xué)技術(shù)儲(chǔ)備，設(shè)計(jì)方案也正在走向驗(yàn)證和應(yīng)用。此外，俄羅斯其他科研院所、高校和企業(yè)也均參與到了混合電推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研究中，并取得了不菲的成績(jī)。