■ 廖忠權/中國航發(fā)研究院

自21世紀以來，航空動力的電氣化發(fā)展趨勢越來越明顯。由國家發(fā)起電推進研究計劃，或由航空制造商自發(fā)發(fā)展電推進技術和產(chǎn)品，都在積極促進航空動力的電氣化。羅羅公司近年來在航空電氣化方向也呈加速發(fā)展之勢。

羅羅公司的航空動力發(fā)展包含3個方面：一是繼續(xù)發(fā)展燃氣渦輪發(fā)動機；二是發(fā)展飛發(fā)一體化技術；三是發(fā)展電推進技術。為了實現(xiàn)公司的電氣化戰(zhàn)略，羅羅公司成立了電氣部門——羅羅電氣（RRE），以適應航空領域電氣化這一不可避免的趨勢。眾所周知，目前限制電推進發(fā)展的主要因素是電池的能量密度不足和電動機的功率密度不足，這使得純電動推進目前只能用于座級和起飛質量小、航程短的輕型飛機。對座級和起飛質量較大的大中型飛機，如果采用純電動推進，電池質量將大到驚人的程度，只能采用混合電推進系統(tǒng)?；旌想娡七M系統(tǒng)通過采用燃氣渦輪發(fā)動機帶動發(fā)電機發(fā)電驅動電動機，進而驅動風扇/槳葉產(chǎn)生推力，可以避免飛機攜帶過于沉重的電池。

多電發(fā)動機

羅羅公司一直在研究多電發(fā)動機。對于正在開發(fā)的“超扇”（Ultra Fan）發(fā)動機，羅羅公司將發(fā)展更多的電氣適應性，準備在發(fā)動機軸上安裝嵌入式電起動機發(fā)電機，將此先進的燃氣渦輪發(fā)動機更多地發(fā)展成電氣機械，輸出更多電力。羅羅公司認為，這將是未來雙通道寬體客機實現(xiàn)電推進和低排放目標的關鍵舉措。

傳統(tǒng)的航空發(fā)動機是通過附件齒輪箱從發(fā)動機中提取功率驅動附件、液壓泵和燃油泵等，并為飛機的機載系統(tǒng)提供動力。附件齒輪箱安裝在發(fā)動機機匣上，機匣上還密布許多附件，例如，燃油和滑油管道。這些結構會加大發(fā)動機橫截面積，進而增加阻力。羅羅公司認為，如果把電起動機發(fā)電機安裝在發(fā)動機冷端軸上，一個100～500kW的集成電動機就能起動發(fā)動機，同時使發(fā)動機具備足夠的發(fā)電能力，為飛機系統(tǒng)供電。這樣就可以把附件變速箱放在短艙掛架或機翼上，從而減小發(fā)動機橫截面積。

羅羅公司的“超扇”發(fā)動機采用可變螺距的風扇和嵌入式電起動機發(fā)電機

羅羅公司正在實施“嵌入式電起動機發(fā)電機”（E2SG）計劃。在該計劃中，公司將嵌入式電起動機發(fā)電機安裝在一臺阿杜爾軍用發(fā)動機的低壓軸和高壓軸上進行試驗?；贓2SG計劃的成果，羅羅公司已經(jīng)著手開發(fā)一種嵌入式電起動機發(fā)電機初始樣機，額定功率為40kW，用于AE3007渦扇發(fā)動機。而且，羅羅公司后續(xù)還會發(fā)展一系列功率高達150kW的嵌入式電起動機發(fā)電機，以滿足大型飛機的電力需求。

混合電推進系統(tǒng)

羅羅公司正在推動其航空產(chǎn)品的電氣化轉型，促成這種轉變的關鍵驅動因素主要有兩個方面。

一方面，電氣化越來越引起航空界的關注，在航空動力電氣化領域既有發(fā)動機行業(yè)內傳統(tǒng)的競爭對手GE公司、普惠公司、賽峰集團，又有來自行業(yè)外的新晉對手。對此，空客集團首席技術官保羅·艾瑞蒙科曾表示，電氣化及數(shù)字化的發(fā)展令航空業(yè)的準入門檻降低，將使很多新進入者參與到航空這個歷來由少數(shù)幾個寡頭壟斷的行業(yè)中來。

另一方面，雖然傳統(tǒng)燃氣渦輪發(fā)動機的性能在未來數(shù)十年仍有提升的空間，例如，采用超大涵道比，提高發(fā)動機壓比等方式，而且在中型、大型飛機領域，在較長時間內，燃氣渦輪發(fā)動機仍是難以被取代的，但是傳統(tǒng)發(fā)動機在未來數(shù)十年終究會遇到“天花板”。為了滿足對飛機環(huán)保性、經(jīng)濟性的需求，以及為了達成國際航空研究合作項目（ICARe)設立的2050年減排目標，無論是飛機設計方還是發(fā)動機設計方都必須徹底改變，電氣化技術將促成這一目標的實現(xiàn)。

羅羅公司將航空混合電推進系統(tǒng)的未來市場應用分為4塊：一是2～4座的輕型和超輕型飛機，主要用作飛行訓練和航空運動飛行；二是空中出租車或eVTOL，主要用作城市交通運輸；三是20座及以下的支線飛機，這類飛行器也可采用垂直起降；四是20～100座的支線飛機，羅羅正在與空客聯(lián)合開展的E-Fan X飛機驗證項目，就是要開發(fā)針對這一市場的混合電推進系統(tǒng)。此外，航程1500km左右的支線飛機和航程2700km的中小型公務機或窄體客機也可以采用混合電推進系統(tǒng)，對航程更遠的窄體客機和寬體客機，燃氣渦輪發(fā)動機和電氣化技術可同時持續(xù)發(fā)展，直至電氣化比例越來越高。針對這幾類目標市場，羅羅公司正在開發(fā)相應的混合電推進系統(tǒng)。

基于M250發(fā)動機的混合電推進系統(tǒng)

2019年4月，羅羅公司完成了基于M250發(fā)動機的混合電推進系統(tǒng)的地面測試，這是公司邁向混合電推進的重要一步，這次測試也是為公司將于2021年開展的空中飛行試驗做準備，羅羅公司地面測試包含3種運行模式。

APUS i-5飛機

ACCEL原型機

串聯(lián)混合電推進：燃氣渦輪發(fā)動機驅動發(fā)電機發(fā)電，為機載電池系統(tǒng)充電，不直接產(chǎn)生推力。推進和其他機載系統(tǒng)均由電池供電。

并聯(lián)混合電推進：飛機的推力由燃氣渦輪發(fā)動機和電驅動風扇/螺旋槳聯(lián)合提供，飛機其他電力需求由電池滿足。

渦輪電力：電池系統(tǒng)為冗余系統(tǒng)。燃氣渦輪發(fā)動機驅動發(fā)電機發(fā)電，電力直接驅動電動機，進而驅動涵道風扇/螺旋槳產(chǎn)生推力；電力也可滿足飛機其他電力需求。

該電動混合推進系統(tǒng)驗證機集成了M250發(fā)動機與高能量密度電池系統(tǒng)、發(fā)電機、電能轉換器以及先進的電能管理和控制系統(tǒng)。電能管理系統(tǒng)用于優(yōu)化整體推進性能，以便使系統(tǒng)適用于eVTOL等各類平臺，同時提高效率，降低噪聲和排放。

2019年11月，羅羅公司宣布將開發(fā)基于M250混合電推進系統(tǒng)的驗證機。演示驗證計劃將采用APUS i-5飛機作為試驗平臺，該飛機質量約4t，為常規(guī)起降形式。演示驗證計劃將由羅羅公司主導，為期3年，合作伙伴包括德國航空工程公司（APUS）和勃蘭登堡理工大學（BTU）。羅羅公司聲稱本項目旨在驗證最為復雜、全面的基于燃氣渦輪發(fā)動機的混合電推進系統(tǒng)的開發(fā)和集成。值得一提的是，基于M250發(fā)動機的混合電推進系統(tǒng)可以采用分布式布局，可應用于多種起飛質量、載荷較小的飛機平臺，例如，常規(guī)起降飛行器、通用飛機、直升機以及eVTOL。

基于AE2100發(fā)動機的混合電推進系統(tǒng)

空客公司、羅羅公司和西門子公司正在聯(lián)合開發(fā)基于BAe146支線客機改裝的E-Fan X混合電推進技術驗證機，旨在測試一種功率達2MW的串聯(lián)式混合電推進系統(tǒng)。羅羅公司利用1臺安裝在機體內的AE2100發(fā)動機驅動1臺2.5MW的發(fā)電機發(fā)電，帶動1臺西門子公司2MW電動機。該電動機將替代BAe146的4臺渦扇發(fā)動機中的1臺，驅動涵道風扇。羅羅公司參與開發(fā)的這種2MW級混合電推進系統(tǒng)適宜配裝起飛質量、載荷較大的飛機。

電動飛行器

羅羅公司認識到，通用航空市場可開發(fā)電力系統(tǒng)的速度可能遠遠快于大規(guī)模的商用或軍事項目。為此，2019年年初，羅羅公司宣布研發(fā)世界上最快的全電動飛機——ACCEL項目，并獲得英國政府的資助。ACCEL飛機完全由電池供電，滿足推進和其他電力需求。

目前，羅羅公司正在與YASA公司和航空初創(chuàng)公司Electroflight合作開展ACCEL飛機項目。羅羅公司負責航空設計、可靠性驗證；YASA公司負責電動機和控制器；Electroflight公司負責傳動系統(tǒng)和能量存儲系統(tǒng)。ACCEL項目是利用Sharp Nemesis NXT競速飛機作為飛行平臺。此型飛機使用現(xiàn)有活塞式發(fā)動機的巡航速度為523km/h，飛機翼展為7.3m，將現(xiàn)有的萊康明活塞式發(fā)動機改裝為電池驅動，使用6000個鋰離子電池為動力，驅動3臺輕型YASA750R電動機，可為螺旋槳提供372kW的功率。羅羅公司計劃于2020年第一季度末進行ACCEL原型機的飛行測試，飛行速度將達到483km/h，公司還將速度目標瞄向552km/h。

羅羅混合電推進eVTOL概念

羅羅公司在2018年英國范堡羅航展上推出一型eVTOL，其動力系統(tǒng)采用基于M250發(fā)動機的混合動力系統(tǒng)，M250燃氣渦輪發(fā)動機為6個電動推進器提供動力，并配備有存儲能量的電池。羅羅公司負責動力系統(tǒng)的開發(fā)，而飛機的設計開發(fā)則委托給飛機制造商。該eVTOL飛行器可以402km/h的最大速度不間斷飛行約804km，能夠利用停機坪和常規(guī)機場等現(xiàn)有設施。飛行器的機翼能夠旋轉90°，從而實現(xiàn)垂直起降。一旦上升至巡航高度，機翼上的推進螺旋槳可以折疊收起，以降低阻力和客艙噪聲，之后飛行器依靠兩臺后側推進螺旋槳提供推力。該飛行器可用于個人和公共交通、物流和軍事領域等。

電氣化產(chǎn)業(yè)

隨著羅羅公司對電氣化領域的日益關注，在維持其現(xiàn)有傳統(tǒng)燃氣渦輪發(fā)動機領域的同時，開始關注永磁推進器等電氣產(chǎn)品領域。近年來，公司在將商業(yè)、海運業(yè)務剝離的同時，與電氣化相關的部分保留了下來。例如，羅羅公司在挪威特隆赫姆設有一個智能電動機（SmartMotor)的設計集團，在向康斯伯格公司出售一些業(yè)務時，羅羅公司將該集團保留下來，并更名為羅羅電氣挪威公司（Rolls-Royce Electrical Norway)。羅羅公司還擁有動力系統(tǒng)公司（Power Systems)，該公司已經(jīng)完成了混合動力列車、微電網(wǎng)和潛艇技術的研究。

2019年4月，羅羅公司收購了西門子電力及混合電力航空推進業(yè)務，以助力其實施電氣化戰(zhàn)略。羅羅電氣化總監(jiān)羅布·沃森表示：“電氣化將為航空業(yè)帶來深遠影響，就好比當初燃氣渦輪發(fā)動機替代活塞式發(fā)動機。我們正處于航空‘第三時代’的初期，向著更安靜、清潔的空中旅行進步”。羅羅公司的目標就是要在航空“第三時代”中發(fā)揮主導作用。

目前羅羅公司的業(yè)務已經(jīng)在電氣化方面取得頗多進展。例如，羅羅公司利用MT30航空發(fā)動機改燃氣輪機開發(fā)的混合動力推進系統(tǒng)已經(jīng)用于海軍的軍艦；公司開發(fā)的MTU混合動力也已經(jīng)用于鐵路系統(tǒng)。羅羅公司計劃在其3個主要業(yè)務領域（電力系統(tǒng)、民用和國防）中借鑒這些應用經(jīng)驗，開發(fā)相應的產(chǎn)品。

結束語

電氣化是羅羅公司當前及未來航空動力的重要發(fā)展方向，公司已經(jīng)將電氣化作為謀取航空“第三時代”競爭優(yōu)勢的戰(zhàn)略選擇。公司在繼續(xù)發(fā)展傳統(tǒng)燃氣渦輪發(fā)動機的同時，已經(jīng)從組織架構、技術和產(chǎn)品等方面全面布局電推進系統(tǒng)。正如羅羅首席技術官保羅·斯特恩所言：“為了在滿足航空旅行需求的同時降低二氧化碳排放，航空業(yè)要開發(fā)更加環(huán)保的技術和手段。電氣化是羅羅公司實現(xiàn)航空業(yè)可持續(xù)發(fā)展的承諾中的一步。此外，我們致力于提升燃氣渦輪的燃油效率，鼓勵環(huán)保和可持續(xù)航空燃油的開發(fā)，追求航空電氣化?！?/p>

羅羅公司的電氣化戰(zhàn)略也符合英國的技術戰(zhàn)略發(fā)展方向。鮑里斯在2019年7月成為英國首相后宣布設立3億英鎊的專項資金及配套推動政策，作為其新內閣環(huán)保政策的組成部分，其關注重點是eVTOL、城市空中交通（UAM）應用和物流無人機，正好與羅羅公司航空電氣化戰(zhàn)略的發(fā)展方向相契合。

值得一提的是，羅羅公司只是向航空電氣化方向狂奔的眾多企業(yè)和研究機構的一員。波音、空客、賽峰、霍尼韋爾、GE、普惠、柯林斯宇航、銳翔、優(yōu)步、吉利、貝爾、億航智能等企業(yè)都在研制電動飛機或電推進系統(tǒng)。而在國家層面，瑞典和挪威計劃到2040年將所有短程航班全部更換成全電動飛機。總而言之，電動飛機、電推進系統(tǒng)已成為當今航空業(yè)發(fā)展熱點，呈現(xiàn)出時不我待的發(fā)展態(tài)勢。