■ 王翔宇 / 中國航發(fā)研究院

霍尼韋爾公司將專注于現(xiàn)在和著眼于未來結(jié)合起來，充分利用在通用航空領(lǐng)域的固有產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢，瞄準(zhǔn)城市空中交通這一熱門市場，全力發(fā)展混合電推進系統(tǒng)。

在過去60多年里，霍尼韋爾公司共交付了72000余臺燃?xì)鉁u輪發(fā)動機和100000臺輔助動力裝置（APU），是全球航空動力市場的核心供應(yīng)商之一。隨著以數(shù)字化和電氣化為典型特征的航空“第三時代”的到來，電氣化的航空旅行已經(jīng)成為業(yè)界公認(rèn)的未來發(fā)展趨勢，霍尼韋爾公司在對其燃?xì)鉁u輪發(fā)動機產(chǎn)品不斷改進升級的同時，以清潔低噪、安全高效為核心目標(biāo)，開始全力發(fā)展混合電推進系統(tǒng)。

推進高功率高效率發(fā)電機的研發(fā)

早在2017年，霍尼韋爾公司就參與了由美國國防預(yù)先研究計劃局（DARPA）資助、波音公司旗下極光飛行技術(shù)公司（Aurora）主導(dǎo)的XV-24A“雷擊”驗證機項目，主要負(fù)責(zé)開發(fā)高功率高效率發(fā)電機。按照最初的計劃，該無人混合電動驗證機將配裝3臺兆瓦級發(fā)電機，由一臺羅羅公司的AE1107渦軸發(fā)動機驅(qū)動，為分布在機翼和鴨翼上的24個推進風(fēng)扇提供動力。要知道，當(dāng)前最先進的多電飛機波音787由6臺發(fā)電機供電，總發(fā)電量也不過1.4MW，霍尼韋爾公司兆瓦級發(fā)電機輸出功率是波音787單臺主發(fā)電機的4倍，質(zhì)量卻僅比后者多40%，功率質(zhì)量比接近驚人的8kW/kg，其獨特的同步發(fā)電機設(shè)計可直接為電動機提供交流電，省去了逆變器有助于整個推進系統(tǒng)進一步減輕質(zhì)量。不僅僅是“小塊頭大動力”，霍尼韋爾公司聲稱其兆瓦級發(fā)電機效率將從普通發(fā)電機的90%達(dá)到98%，在節(jié)能的同時也可有效降低大量廢熱對發(fā)電機自身以及電池系統(tǒng)的不利影響。

XV-24A“雷擊”驗證機概念圖

遺憾的是，DARPA在2018年4月決定取消“雷擊”驗證機項目第三階段研發(fā)和相關(guān)飛行試驗，主要原因是霍尼韋爾公司負(fù)責(zé)研制的兆瓦級發(fā)電機在熱管理等問題上也面臨著很多意想不到的困難，導(dǎo)致項目研究周期一再拖延，嚴(yán)重影響了第二階段計劃中全尺寸樣機的研制。不過“雷擊”驗證機項目的下馬并沒有動搖霍尼韋爾公司發(fā)力電動飛行市場的決心，同年7月如期在佛羅里達(dá)州立大學(xué)開始發(fā)電機全功率狀態(tài)試驗，當(dāng)然想要一步到位直接拿出兆瓦級發(fā)電機的解決方案還是比較困難的。在隨后的美國國家公務(wù)航空協(xié)會（NBAA）年會上，霍尼韋爾公司表示其兆瓦級發(fā)電機設(shè)計已完成90%，預(yù)計2019年技術(shù)成熟度可達(dá)到6級以上，與此同時正在開發(fā)60kW ～1MW的各類發(fā)電機。

霍尼韋爾公司兆瓦級發(fā)電機概念圖

兆瓦級發(fā)電機主要參數(shù)

在2019 年3 月舉辦的國際直升機博覽會（Heli Expo 2019）上，霍尼韋爾公司展示了由一臺735kW 級HTS900 渦軸發(fā)動機和兩臺200kW發(fā)電機組成的混合電推進系統(tǒng)，通過燃燒傳統(tǒng)或生物衍生的航空煤油產(chǎn)生能量，驅(qū)動電動機或為電池充電。單臺發(fā)電機質(zhì)量不超過25kg，與傳統(tǒng)的機型相比減輕了32% ～40%，整流后輸出的直流電壓達(dá)到了600V，先進勵磁系統(tǒng)的采用使其無需額外的換流裝置且具備極佳的故障調(diào)節(jié)與靈活控制能力。后續(xù)能夠根據(jù)客戶對執(zhí)行任務(wù)和有效載荷的需求，相應(yīng)調(diào)整發(fā)電機的配置數(shù)量。XTI 公司提出的“三風(fēng)扇”(TriFan)600 電動飛機計劃采用該混合電推進系統(tǒng)，目前已開展了65%縮比驗證機的系留式離地試飛，不過在驗證機上使用的仍是全電動形式。

與多家公司合作開拓城市空中交通市場

從2019年1月開始，霍尼韋爾公司陸續(xù)與斯洛文尼亞的蝙蝠（Pipistrel）飛 機公司、 德 國Volocopter公 司、Jaunt空中交通公司和英國Vertical航宇公司等4家初創(chuàng)企業(yè)簽署了諒解備忘錄，共同應(yīng)對未來城市空中交通市場可能出現(xiàn)的產(chǎn)品技術(shù)、監(jiān)管法規(guī)以及商業(yè)運作等方面的挑戰(zhàn)。此時的霍尼韋爾公司不再是一個單純的部件供應(yīng)商，而是要為電動垂直起降（eVTOL）飛行器的研發(fā)提供一攬子技術(shù)支持。

XTI公司TriFan 600電動飛機概念圖

Vertical 航宇公司的VA-IX概念圖

考慮到霍尼韋爾公司在機載配套設(shè)施以及輔助動力裝置領(lǐng)域的市場支配地位，航空電子系統(tǒng)、飛行控制與導(dǎo)航系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信傳輸系統(tǒng)和環(huán)境冷卻系統(tǒng)等方面的研發(fā)可能會相對順利一些。例如，緊湊型電傳操縱系統(tǒng)就是霍尼韋爾公司為eVTOL飛行器市場開發(fā)的一款新產(chǎn)品，其尺寸僅為一本平裝書大小，通過驅(qū)動電動裝置并動態(tài)調(diào)整飛行操縱面和電動機，控制飛機平穩(wěn)地沿航路飛行，可有效降低飛行員對重型液壓系統(tǒng)、控制電纜或操作推桿的依賴。不僅如此，下一代緊湊型相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)RDR-84K也處于測試和預(yù)生產(chǎn)階段，與基于硬件的傳統(tǒng)雷達(dá)傳感器不同，該系統(tǒng)采用多個波束同時掃描，可在同一時間檢測到來自不同目標(biāo)的信號，使無人駕駛車輛或飛機得以同步完成對多輸入信息的感知與檢測，包括天氣、飛機、人員和建筑物等，革命性地改變了未來交通工具的自主能力?；裟犴f爾公司在2019年6月宣布已與一家未透露姓名的空中出租車開發(fā)商簽署協(xié)議，將為該開發(fā)商的原型機提供多套RDR-84K系統(tǒng)。

為eVTOL飛行器定制的電傳操縱系統(tǒng)（左）和姿態(tài)航向參考系統(tǒng)（右）

安裝在AS350直升機上進行飛行測試的RDR-84K雷達(dá)系統(tǒng)

2019年6月，霍尼韋爾公司宣布與全球第二大汽車零部件供應(yīng)商日本電裝（DENSO）公司共同研發(fā)電推進系統(tǒng)，并就未來城市空中交通的地面服務(wù)保障開展深入合作?？陀^地說，霍尼韋爾公司的特長在于航空器的系統(tǒng)級集成與飛行測試、復(fù)雜軟硬件應(yīng)用環(huán)境的搭建、齒輪、軸和軸承等機械部件設(shè)計以及整機熱管理等，借助于電裝公司在車輛高可靠性牽引電動機以及逆變器上雄厚的經(jīng)驗積累（在豐田普銳斯、凱美瑞混合動力以及日產(chǎn)奇駿混合動力等經(jīng)典車型上都得到了應(yīng)用），可以更為順利地完成航空用電動機的研發(fā)工作，這可能也是完成整個混合電推進系統(tǒng)計劃的最后一塊拼圖。毫無疑問，此次航空工業(yè)和汽車工業(yè)之間的合作對于加速航空電推進系統(tǒng)技術(shù)成熟、提高城市空中交通的質(zhì)量和覆蓋規(guī)模都有著重大的意義。

在2019年10月的北京航展上，霍尼韋爾中國公司航空機械系統(tǒng)及零部件研發(fā)總監(jiān)羅迪表示，未來霍尼韋爾在混合電推進系統(tǒng)的制勝要素有3點：公司在航空航天領(lǐng)域的技術(shù)耕耘已經(jīng)超過100年，建立了極為龐大且深受好評的產(chǎn)品譜系，能夠根據(jù)時代的發(fā)展提出全新的動力解決方案，并具備強大的適航取證與服務(wù)保障能力；公司一直是全球小型燃?xì)鉁u輪發(fā)動機（160000臺以上）以及發(fā)電機（5kW ～1MW）的領(lǐng)跑者，同時在高可靠性、高經(jīng)濟性航空動力控制系統(tǒng)開發(fā)上有著50年以上的經(jīng)驗，能夠?qū)崿F(xiàn)混合電推進系統(tǒng)的全要素集成；而與電裝公司的合作則意味著全球航空界和汽車界頂尖技術(shù)水平的強強聯(lián)手，在混合電推進系統(tǒng)的研發(fā)中充分拓展電動汽車領(lǐng)域的技術(shù)邊界，為打造更適合城市空中交通市場的精品eVTOL飛行器奠定了成功的基礎(chǔ)。

混合電推進系統(tǒng)構(gòu)架示意圖與任務(wù)分工

發(fā)展特點

霍尼韋爾公司在航空電推進系統(tǒng)研發(fā)上有如下特點。

第一，延續(xù)了專注于通用航空市場的發(fā)展策略，霍尼韋爾公司將城市空中交通作為未來電氣化飛行的主要甚至是唯一發(fā)力點，同時選擇了更加審慎穩(wěn)妥、更能體現(xiàn)傳統(tǒng)航空動力制造商特長的混合電推進這一技術(shù)路徑。相比之下，羅羅公司、空客公司等制造商更加傾向于研發(fā)全電動的通用航空飛行器，而將未來航空商業(yè)運輸?shù)膭恿Ψ桨讣南Ｍ诨旌想娡七M系統(tǒng)。

第二，霍尼韋爾公司在過去的幾年里重點針對高功率高效率發(fā)電機進行了技術(shù)攻關(guān)并取得了積極的進展?；旌想娡七M系統(tǒng)的另一個核心組件電動機則是與電裝公司合作研發(fā)，這條路也是目前其他傳統(tǒng)航空動力制造商不曾走過的。無論是在產(chǎn)品技術(shù)上還是在商業(yè)運營上，所有城市空中交通的參與者都是在摸著石頭過河，參考借鑒電動汽車行業(yè)的有益成果是極為必要的。

第三，除了發(fā)電機和電動機以外，換流器、配電器、控制器以及儲能裝置長期以來都是霍尼韋爾公司的優(yōu)勢業(yè)務(wù)領(lǐng)域。不僅如此，無論是超輕固態(tài)雷達(dá)、全權(quán)限數(shù)字式控制，還是虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練、增強型近地告警，后續(xù)霍尼韋爾公司還有相當(dāng)多的前沿技術(shù)可以集成應(yīng)用到混合電推進系統(tǒng)上，電氣化、智能化和數(shù)字化的整合與統(tǒng)一將是霍尼韋爾公司在城市空中交通市場上核心競爭力的體現(xiàn)。

第四，未來電氣化飛行的時代，飛機和發(fā)動機深度融合，二者的界限越發(fā)模糊，這也使得傳統(tǒng)航空動力制造商開始投身電動飛機整機的研制。與羅羅公司和普惠公司不同，時至今日霍尼韋爾公司仍未“從幕后到臺前”提出由其主導(dǎo)的電動飛行驗證機計劃，而是選擇為多家初創(chuàng)公司提供全方位的技術(shù)支持，這樣做的好處是可以推廣普及自身產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，帶動做活整個城市空中交通產(chǎn)業(yè)。

第五，電動飛行的前景是光明的，但發(fā)展道路是曲折漫長的。霍尼韋爾公司兆瓦級發(fā)電機只是其中的一個縮影，無論是設(shè)計驗證高效電動機還是集成先進電力電子系統(tǒng)，未來電推進系統(tǒng)的研發(fā)肯定不會一帆風(fēng)順。霍尼韋爾公司在“All In”電氣化城市空中飛行的同時，也會持續(xù)完善提升其傳統(tǒng)航空動力產(chǎn)品線。兩手抓兩手都要硬，這一點也是其他傳統(tǒng)航空動力制造商不約而同的選擇。

結(jié)束語

在電動飛行開啟全球競速模式的大背景下，針對潛在的城市空中交通市場需求，霍尼韋爾公司充分挖掘和利用自身在傳統(tǒng)動力領(lǐng)域的優(yōu)勢和底蘊，以混合電推進技術(shù)為重點攻關(guān)方向，在積極研發(fā)高功率高效率發(fā)電機和新一代航空電子設(shè)備的同時，還進行了廣泛的行業(yè)內(nèi)以及跨行業(yè)技術(shù)合作，逐步開辟了一條有特色的航空電氣化發(fā)展之路，取得了令業(yè)界矚目的成果。