■ 陳玉潔 / 中國航發(fā)渦輪院

電推進技術(shù)可實現(xiàn)飛行器氣動和推進效率的大幅提升，并且能夠降低油耗、噪聲和碳排放，滿足未來綠色航空發(fā)展的需求，是未來航空推進技術(shù)的發(fā)展方向。近幾年，電氣化推進系統(tǒng)的研發(fā)可謂如火如荼，成為民用航空科技發(fā)展的熱點之一。

目前，電推進輕型飛機已經(jīng)投入生產(chǎn)，空中出租車原型機正在試飛，業(yè)界正在考慮如何將電推進系統(tǒng)的優(yōu)勢引入民用航空運輸市場，其中大部分研究聚焦于研發(fā)適用于較大型飛機（單通道客機）的電推進技術(shù)。

當前，由于電池能量密度以及發(fā)電機和電子儀器功率密度的原因，電推進系統(tǒng)的應(yīng)用局限在輕量級、短程2座和4座飛機及新興的電動垂直起降（eVTOL）飛行器上。

民航客機是航空運輸碳排放的主要來源，大型客機航程可達數(shù)千千米，采用電氣化推進系統(tǒng)會更具挑戰(zhàn)性。盡管如此，目前歐洲和美國都已經(jīng)開展了政府投資的電推進技術(shù)研究項目。

歐洲的研制進展

Imothep計劃

2020年1月，33家歐洲航空研究機構(gòu)及工業(yè)合作伙伴發(fā)起了混合電推進技術(shù)研究及成熟（Imothep）計劃，評估其在民用航空減排方面的潛力并制定混合電推進技術(shù)路線圖。

美國萊特電氣（Wright Electric）公司正與英國易捷（EasyJet）航空公司合作研制180座渦輪電推進短途客機（來源：萊特電氣公司）

歐盟在地平線2020（Horizon2020）研究計劃下，向Imothep計劃投資了1040萬歐元，用于深度研究混合電推進技術(shù)、先進飛機結(jié)構(gòu)以及能夠提升飛發(fā)一體化水平的新型推進系統(tǒng)架構(gòu)。

Imothep計劃由法國航空航天研究院（ONERA）牽頭，集合了歐洲飛機制造商空客公司和萊奧納多公司，發(fā)動機巨頭賽峰集團、GE航空集團、MTU公司、ITP公司和吉凱恩（GKN）集團，以及歐洲航空航天研究組織——意大利航空航天研究中心（CIRA）、德國航空航天中心（DLR）、奧地利國家技術(shù)研究院（AIT），波蘭航空研究院（ILOT）、羅馬尼亞國家航空航天研究所（INCAS）和荷蘭航空航天中心（NLR），法國、德國、意大利、瑞典和英國的大學，以及德國航空界智庫——包豪斯研究院（Bauhaus Luftfahr）和跨政府空中運輸組織——歐洲航行安全組織（Eurocontrol）。此外，Imothep計劃還與俄羅斯的五大研究機構(gòu)，包括中央航空發(fā)動機研究院（CIAM）、軍民用航空系統(tǒng)研究科學中心（GosNIIAS）、莫斯科航空學院（ MAI）、國家研究委員會（ NRC）和中央空氣流體動力學研究院（TsAGI）等，開展了國際合作。

“海島人”混合電動飛機

Fresson項目

2019年11月，英國政府通過航空航天技術(shù)研究院（ATI）為Fresson項目撥款900萬英鎊。

Fresson項目由克蘭菲爾德航空航天解決方案（Cranfield Aerospace Solutions）公司牽頭，采用混合電推進系統(tǒng)對9座的布里頓－諾曼“海島人”（Britten-Norman Islander）進行改進，用于短途和跨島運輸，項目成本1800萬英鎊。Fresson項目為期30個月，項目團隊由提供電力管理系統(tǒng)的羅羅公司、供應(yīng)電動機的丹尼斯·費蘭蒂（Denis Ferranti ）集團、提供電池組的華威大學（WMG）、進行電池測試和定性的德爾塔汽車運動（Delta Motorsport）公司、飛機原始設(shè)備制造商（OEM）布里頓-諾曼公司和研究關(guān)鍵技術(shù)的克蘭菲爾德大學組成。

首個原型機以現(xiàn)貨部件為基礎(chǔ)，預(yù)計將于2021年試飛，生產(chǎn)型預(yù)計將于2023年試飛。配裝上電池，改裝后的“海島人”（Islander）飛機航時可達60min，外加30min的能量儲備，比配裝雙發(fā)活塞式發(fā)動機的飛行時間更長。在Fresson原型機驗證機項目結(jié)束后，克蘭菲爾德航空方案公司將通過歐洲航空安全局（EASA）認證，計劃在下一階段設(shè)計并制造一款全新的19座客機。

其他項目

在巴伐利亞政府的支持下，德國航空航天中心計劃把多尼爾228改為電動飛行驗證機，預(yù)計于2020年進行首次全電動飛行，2021年進行首次混合電動飛行。柏林和巴伐利亞政府計劃贊助另一個電推進系統(tǒng)項目，采用專門研制的技術(shù)驗證機APUS i-6。同時，法國政府正在支持一項由空客公司、達海爾（Daher）集團和賽峰集團開展的項目，把TBM900改為分布式混合電推進系統(tǒng)。

美國的研制進展

ARPA-E

美國能源部預(yù)先研究計劃局（ARPA-E）宣布啟動兩個研究計劃，為全電的150 ～200座窄體客機研發(fā)推進系統(tǒng)。其總目標是把液態(tài)燃料的化學能高效地轉(zhuǎn)化為電能輸入發(fā)動機，實現(xiàn)波音737一級飛機零碳排放。工作的重點是輕量、超高效電動機、驅(qū)動電子元件和熱管理系統(tǒng)以及將碳中和液態(tài)燃料轉(zhuǎn)化為推進用電力系統(tǒng)。

德國航空航天中心和包豪斯研究院在“噴氣流”31基礎(chǔ)上研究了一款全電動19座飛機

這兩個計劃分別是：一體化驅(qū)動的航空級協(xié)同式冷卻電動機（ASCEND）計劃，投資3500萬美元；低碳高效電氣化航空航程擴大（REEACH）計劃，投資2000萬美元。預(yù)計這兩個計劃將于2020年11月啟動，為期4年。

ASCEND計劃旨在研發(fā)創(chuàng)新的輕量級和超高效電動機、驅(qū)動器及相關(guān)熱管理系統(tǒng)(統(tǒng)稱為“全電動力系統(tǒng)”)，使單通道、150 ～200座民用飛機（如波音737）實現(xiàn)凈零碳排放。該計劃為完全集成的全電動力系統(tǒng)設(shè)定了一個基準：功力密度超過12 kW/kg，效率超過 93%。研究計劃分為兩個階段。第一階段為期18個月，完成電動機、驅(qū)動及其集成的概念設(shè)計和計算機仿真模擬，以及關(guān)鍵使能技術(shù)的子系統(tǒng)/部件級驗證。若第一階段取得成功，且無財政制約，則順利進入第二階段。第二階段對包括熱管理系統(tǒng)在內(nèi)的集成的縮比全電動力系統(tǒng)進行研究、制造和試驗。

REEACH計劃的目標是開發(fā)一個系統(tǒng)，把碳中和液體燃料（CNLF）中包含的化學能通過電動系統(tǒng)和其他關(guān)鍵系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成飛機推進系統(tǒng)所需的電力。這種新型、經(jīng)濟的高性能儲能發(fā)電子系統(tǒng)（ESPG）必須提供足夠的電力來推動全電動窄體客機通過各飛行階段（即起飛、爬升、巡航和降落），在長期飛行中儲存足夠的能量為整個飛機提供動力。REEACH計劃將開發(fā)關(guān)鍵的使能部件和子系統(tǒng)，高效地把CNLF轉(zhuǎn)換為具有足夠功率密度的電力，用于飛機推進。

REEACH計劃的重點是動力傳動系統(tǒng)、能量存儲和發(fā)電。計劃采用一個防錯的千伏特分布系統(tǒng)把發(fā)電系統(tǒng)的電傳輸至驅(qū)動風扇或螺旋槳的電動機，但是ARPA-E的計劃中不包括電纜及推進器。

ASCEND和REEACH計劃是美國國家航空航天局（NASA）目前正在進行的民用飛機電氣化推進系統(tǒng)研究的補充。

ARPA-E還贊助了混合燃氣-電推進（HGEP）項目。在該項目下，波音公司、GE航空集團、NASA格林研究中心以及兩所大學研制并試驗了兆瓦級電動機和功率轉(zhuǎn)換器。2019財年，ARPA-E在位于俄亥俄州的NASA電氣化飛機試驗臺（NEAT）上對兆瓦級動力傳輸系統(tǒng)進行了初始地面試驗。試驗采用了民用非飛行質(zhì)量部件，聚焦于通信和控制。

ARPA-E計劃于2021年完成關(guān)鍵設(shè)計評審，驗證從一渦扇發(fā)動機高低壓轉(zhuǎn)子提取大功率的可行性。當前發(fā)動機僅從低壓軸提取功率，但是未來電動飛機將需要更大發(fā)電容量。2016年，GE航空集團曾在F110戰(zhàn)斗機發(fā)動機上驗證了雙轉(zhuǎn)子功率提取的可行性，分別從高壓軸提取了250kW、從低壓軸提取了750kW的功率。

從渦扇發(fā)動機上提取大功率會影響其操作性。但是，把兆瓦級電動機/發(fā)電機與燃氣渦輪軸集成到一起進而實現(xiàn)電功率提取，或者輸入存儲的能量，能夠使發(fā)動機在極限附近工作。這樣可以減小設(shè)計裕度，提高效率，并有可能實現(xiàn)采用耗油率更低、更小型的渦扇發(fā)動機。這種方法使所需電池質(zhì)量最小化，是研制單通道客機混合電推進系統(tǒng)的第一步。

NASA

NASA發(fā)展電氣化推進系統(tǒng)的思路是先提升當前在研技術(shù)的成熟度，然后以渦槳發(fā)動機為基礎(chǔ)進行電推進驗證機的地面和飛行試驗，再過渡到以渦扇發(fā)動機為基礎(chǔ)的電推進驗證機試驗，最后在多技術(shù)X-plane驗證平臺上驗證，最終實現(xiàn)單通道飛機的電氣化。

X-57 驗證機概念圖

Ampaire公司已經(jīng)把2架賽斯納337“空中霸主”改裝成混合電推進系統(tǒng)試車臺

2020年3月，NASA公布了第一架全電動推進驗證機X-57麥克斯韋（Maxwell）的一些新概念圖。

X-57麥克斯韋是X-plane系列飛機開發(fā)計劃中首款采用全電動系統(tǒng)的飛機，是由4座常規(guī)輕型飛機泰克南（Tecnam）P2006T改型而來，其兩臺羅塔克斯（Rotax）912S3四缸活塞式發(fā)動機被替換成12臺電動機。該飛機效率比傳統(tǒng)飛機提升了500%，同時零污染排放并且沒有噪聲污染。

X-57 麥克斯韋飛機的機翼纖巧，可通過減少飛行阻力來提高效率，并由可充電鋰離子電池來提供動力。飛機還裝有電動巡航發(fā)動機，翼梢裝有直徑為1.5m的螺旋槳，目的是從翼梢渦流中回收能量。在機翼上有12臺高升力電動機和螺旋槳，這些電動機僅在起飛和降落時使用，而在巡航模式中停用，螺旋槳葉片會向后折疊以此來減少阻力，使用時會依靠離心力旋轉(zhuǎn)出來。

NASA計劃將于2021財年啟動電氣化動力系統(tǒng)飛行驗證項目（EPFD），該項目基于目前進行的部件技術(shù)工作，利用此前已經(jīng)列入計劃的推進系統(tǒng)驗證機，實現(xiàn)多技術(shù)亞聲速X-plane目標。該項目將驗證1MW功率范圍內(nèi)的電氣化推進系統(tǒng)技術(shù)，所裝備飛機預(yù)計于2030—2035年服役。NASA相信，電氣化推進系統(tǒng)將推動未來民用飛機實現(xiàn)低能耗和低維修成本。

按照項目計劃和風險降低要求，NASA授出了5份電氣化飛機推進系統(tǒng)（EAP）初始合同。其中3份授予了包括波音、GE和普惠在內(nèi)的制造商，合同有效期截止于2020年6月。另外兩份EAP合同于2019年9月授予了Ampaire和萊特電氣這兩家初創(chuàng)公司，合同于2020年9月到期。合同包含12項任務(wù)，包括在EPFD下制訂飛行試驗臺計劃。

Ampaire公司目前正在賽斯納337“空中霸主”飛機上測試混合電推進系統(tǒng)驗證機。在NASA授予的EAP合同下，Ampaire正與Ikhana飛機服務(wù)公司合作研究把加拿大龐巴迪公司的19座 DHC-6“雙水獺”改成混合電推進系統(tǒng)。

萊特電氣公司則在進行DHC-6“雙水獺”的混合電推進系統(tǒng)地面試驗，目標是私人航空市場。該公司已經(jīng)啟動研發(fā)1.5MW、3000V動力系統(tǒng)，希望能配裝186座短程電動飛機在2030年左右服役。

波音公司及其合作伙伴一起在城市空中交通項目下研究小尺寸電推進系統(tǒng)。GE航空集團已經(jīng)測試了1MW電動機，并驗證了從F110發(fā)動機的雙轉(zhuǎn)子提取1MW功率。

GE航空集團還與NASA簽訂了價值1200萬美元的合作合同，在此合作框架下利用碳化硅動力電子器件研發(fā)可用于飛行的1MW DC-AC變流器。該變流器的飛行試驗將在NASA位于俄亥俄州梅溪站的電動飛機試驗設(shè)備模擬的9144m高空條件下進行。

GE航空集團的1MW變流器試驗將在NASA電動飛機試驗臺模擬高度條件下進行

普惠公司對其承擔的NASA項目進度保密，很有可能他們正在根據(jù)多電飛機優(yōu)化需求研究兆瓦級電動機/發(fā)電機與第二代齒輪傳動渦扇發(fā)動機的集成?？铝炙褂詈焦竞推栈菁幽么蠊菊诨诩幽么簖嫲偷瞎尽皼_”8渦槳飛機設(shè)計并聯(lián)式混合電推進系統(tǒng)驗證機，該混合電推進系統(tǒng)名為“804項目”，擬采用1臺普惠加拿大公司研發(fā)的1MW內(nèi)燃機和柯林斯宇航公司研發(fā)的由電池供電的1MW電動機替換飛機中1臺常規(guī)渦槳發(fā)動機，希望能在2022年飛機飛行時節(jié)省30%的燃料。

如果2021財年預(yù)算得到國會批準，NASA打算于2020年10月啟動5年EPFD計劃。在該計劃下，NASA將要求之前得到5份EAP合同的公司提交各自試驗臺的詳細提案。

基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

隨著飛機向電氣化結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，需要更廣泛的試驗?zāi)芰ν七M技術(shù)的成熟和驗證。傳統(tǒng)來說，渦扇發(fā)動機在風洞中進行試驗，發(fā)動機部件（如壓氣機和渦輪）在大功率電動機驅(qū)動的臺架上進行試驗。對于電動飛機，傳動系統(tǒng)的功率流動是反向的，以便渦輪驅(qū)動發(fā)電機，電動機驅(qū)動涵道風扇。所以，技術(shù)發(fā)展需要一個新的試驗臺，以支持飛行質(zhì)量、高功率發(fā)動機在飛行條件下測試。

NASA 已經(jīng)開發(fā)了3種具有試驗?zāi)芰Φ脑囼炁_：混合電集成系統(tǒng)試驗臺（HEIST）、推進電網(wǎng)模擬器（PEGS）以及1MW 低溫試驗設(shè)備，用于單通道混合燃氣電力推進飛機部件和系統(tǒng)研究。這3種試驗臺的飛行動力/空氣動力集成技術(shù)和動態(tài)電網(wǎng)管理成熟度較高，但超導(dǎo)元件試驗的技術(shù)成熟度較低。

NASA電動飛機試驗臺

近 年 來，NASA開 發(fā) 了NEAT，在電氣化飛機系統(tǒng)環(huán)境中進行全尺寸單通道飛機環(huán)境和低溫動力系統(tǒng)的研究與開發(fā)。在與NASA 阿姆斯特朗飛行研究中心的全尺寸氣動飛行試驗集成之前，先在NEAT進行電氣化飛機動力系統(tǒng)的全尺寸地面試驗。

NEAT填補了大功率、大尺寸、具有飛行質(zhì)量的動力系統(tǒng)部件和系統(tǒng)研發(fā)試驗臺的空白。NASA修建的這4種設(shè)施涵蓋了從縮比部件研制到全尺寸單通道混合燃氣-電力飛行驗證機，使整個電氣化飛機系統(tǒng)的技術(shù)成熟度得到穩(wěn)步提升。

NEAT是首個這類電推進系統(tǒng)的試驗設(shè)施，其他機構(gòu)也在開發(fā)電動飛機所需的研制、試驗、取證的基礎(chǔ)設(shè)施。在歐盟贊助的綠色飛行路徑（Green Flyway）項目下，挪威和瑞典正在開發(fā)一個試驗區(qū)，為電動飛機以及中小型無人機試驗提供環(huán)境。試驗區(qū)領(lǐng)空位于瑞典的厄斯特松德機場和挪威的勒羅斯機場之間，航線為點對點。瑞典機場運營商Swedavia把厄斯特松德機場打造為一個試驗基地，配置了電動飛機所需的充電基礎(chǔ)設(shè)施和供電系統(tǒng)。

結(jié)束語

盡管面臨許多技術(shù)挑戰(zhàn)，但是電氣化推進系統(tǒng)因為能減少碳排放而持續(xù)受到高度關(guān)注，已成為當前航空推進領(lǐng)域的研究熱點和重點。當前，歐美各國均開展了電推進系統(tǒng)研制工作，部分已從方案設(shè)計進入試驗驗證階段，預(yù)計2030年前將有大量電推進飛機投入使用。分析發(fā)現(xiàn)，由政府主導(dǎo)集中優(yōu)勢攻關(guān)和提供大量資金支持，是電推進技術(shù)快速發(fā)展的關(guān)鍵；除了方案設(shè)計與關(guān)鍵技術(shù)研究，條件保障建設(shè)也應(yīng)同步開展。