■ 蘭海青 / 中國(guó)航發(fā)動(dòng)力所

在未來(lái)先進(jìn)推進(jìn)系統(tǒng)的各種可能形式中，混合電推進(jìn)技術(shù)改善了原有飛機(jī)氣動(dòng)結(jié)構(gòu)、大幅提高等效涵道比、降低耗油率和排放及減少噪聲，展現(xiàn)出較為明顯的發(fā)展?jié)摿?，是?yīng)對(duì)航空業(yè)日益嚴(yán)峻的氣候變化挑戰(zhàn)的重要手段。

近年來(lái)，針對(duì)混合電推動(dòng)技術(shù)開(kāi)展了大量研究，主要有渦輪電力推進(jìn)、串聯(lián)混合電推進(jìn)和并聯(lián)混合電推進(jìn)等。目前支線/干線客機(jī)采用混合電推進(jìn)的大多尚處于驗(yàn)證和概念設(shè)計(jì)階段，包括美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）研制的N3-X飛機(jī)、帶后部邊界層推進(jìn)的單通道渦輪電力飛機(jī)（STARC-ABL）、采用協(xié)同利用方案的并聯(lián)電燃?xì)饨Y(jié)構(gòu)（PEGASUS），波音公司研制的Sugar Volt方案，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)航宇（ESAero）公司的ECO-150飛機(jī)，以及空客公司的E-Fan X驗(yàn)證機(jī)、E-Airbus客機(jī)等。近年來(lái)，新的研究方案更是層出不窮，包括帶前緣嵌入式分布的單通道渦輪電力飛機(jī)（STARC-LEED）和法國(guó)航空航天實(shí)驗(yàn)室（ONERA）研制的帶發(fā)電機(jī)的分布式風(fēng)扇研究飛機(jī)（DRAGON概念飛機(jī)）。

ECO-150飛機(jī)

項(xiàng)目概況

美國(guó)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)航宇公司于2008年開(kāi)始在N+3計(jì)劃下進(jìn)行ECO-150飛機(jī)研究。ECO-150為150座的干線飛機(jī)，如圖1所示，最大巡航速度為Ma0.785，計(jì)劃于2035年投入使用。

圖1 ECO-150飛機(jī)

該飛機(jī)的動(dòng)力裝置為渦輪電力分布式推進(jìn)（TeDP）系統(tǒng)，左右機(jī)翼中間位置各安裝1臺(tái)功率為11185kW的渦輪發(fā)電機(jī)，向嵌在分裂式機(jī)翼的上半部分和下半部分之間的16個(gè)（左右各8個(gè)）風(fēng)扇供電，如圖2所示。在該推進(jìn)系統(tǒng)中，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)不產(chǎn)生推力，只帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電，直接為電動(dòng)機(jī)供電，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇。TeDP系統(tǒng)的關(guān)鍵部件為采用液態(tài)氫冷卻的超導(dǎo)發(fā)電機(jī)和超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)[1]，能夠顯著減輕質(zhì)量并提高效率。

圖2 TeDP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

研制歷程及進(jìn)展

2009年，ESAero公司在NASA授予的小型企業(yè)創(chuàng)新研究（SBIR）合同下，開(kāi)始研制ECO-150-16支線飛機(jī)，重點(diǎn)研究低溫冷卻電子部件提高效率的潛力。

2010年，ESAero公司在SBIR后續(xù)合同下，以ECO-150-16飛機(jī)作為基準(zhǔn)，研究分布式風(fēng)扇概念。在該研究中，推進(jìn)器安裝在分裂機(jī)翼內(nèi)，以確定該布局對(duì)機(jī)翼結(jié)構(gòu)、推進(jìn)器性能和整個(gè)機(jī)翼氣動(dòng)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)側(cè)機(jī)翼部分的桁架結(jié)構(gòu)具有固定的剛性，與類(lèi)似平面形狀的傳統(tǒng)機(jī)翼相比，分裂機(jī)翼方案不需要壓縮支柱支架，可以使機(jī)翼質(zhì)量減輕22%。

2011年，ESAero公司研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于特定級(jí)別的飛機(jī)來(lái)說(shuō)，采用低溫冷卻降低油耗和機(jī)場(chǎng)噪聲不是必需的，因此重新設(shè)計(jì)了ECO-150飛機(jī)，采用常規(guī)而不是低溫冷卻的電子部件，旨在確定不依靠低溫技術(shù)的TeDP結(jié)構(gòu)能否實(shí)現(xiàn)N+2飛機(jī)目標(biāo)。該飛機(jī)保持了ECO-150-16飛機(jī)的分裂式機(jī)翼設(shè)計(jì)，采用渦輪發(fā)電機(jī)和電池、電動(dòng)機(jī)、電功率管理系統(tǒng)、功率分配電纜和總線、電力控制器和涵道風(fēng)扇等，但取消了液態(tài)氫冷卻系統(tǒng)。結(jié)果表明，相比ECO-150-16飛機(jī)，該飛機(jī)燃油節(jié)省較少，無(wú)法實(shí)現(xiàn)N+2飛機(jī)的目標(biāo)。

2016年，ESAero公司研究發(fā)現(xiàn)ECO-150飛機(jī)（攜帶液態(tài)氫冷卻電子部件）的基礎(chǔ)設(shè)施近期無(wú)法實(shí)現(xiàn)，因此開(kāi)始研究配備常規(guī)電子部件的ECO-150R飛機(jī)，將帶有沖壓空氣熱交換器的再循環(huán)液體熱管理系統(tǒng)集成到設(shè)計(jì)中，冷卻電子部件，以實(shí)現(xiàn)N+2飛機(jī)目標(biāo)。研究結(jié)果表明，ECO-150R飛機(jī)至少能與目前運(yùn)營(yíng)的飛機(jī)一樣高效。

2019年，ESAero公司再次對(duì)ECO-150飛機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，重新設(shè)計(jì)熱管理系統(tǒng)，并且增加電池供電，最終研制出ECO-150-300飛機(jī)，預(yù)計(jì)于2030—2040年中期推出。研究發(fā)現(xiàn)，ECO-150-300飛機(jī)TeDP系統(tǒng)采用協(xié)同技術(shù)具有顯著優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)指標(biāo)上總質(zhì)量降低5.7%，燃油消耗降低11%，NOx排放在著陸/起飛試驗(yàn)中降低12.9%，巡航時(shí)降低14%[2]。

STARC-LEED概念飛機(jī)

項(xiàng)目概況

帶前緣嵌入式分布的單通道渦輪電力飛機(jī)（STARC-LEED）是NASA于2019年開(kāi)始研制的，重點(diǎn)研究分布式混合電推進(jìn)系統(tǒng)飛機(jī)的機(jī)翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以減輕相比常規(guī)飛機(jī)機(jī)翼額外增加的系統(tǒng)質(zhì)量。

STARC-LEED概念飛機(jī)的基準(zhǔn)飛機(jī)為先進(jìn)常規(guī)單通道結(jié)構(gòu)（N3CC）飛機(jī)， 與基準(zhǔn)飛機(jī)不同的是，STARC-LEED概念飛機(jī)機(jī)翼采用嵌入式推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，推進(jìn)系統(tǒng)采用渦輪電力分布式推進(jìn)系統(tǒng)。STARCLEED概念飛機(jī)有兩種結(jié)構(gòu)，分別為STARC-LEED概念I(lǐng)（混合電動(dòng)分布式推進(jìn)系統(tǒng)集成至機(jī)翼內(nèi)）和STARC-LEED概念Ⅱ（電力風(fēng)扇集成至主機(jī)翼和上機(jī)翼之間），如圖3所示。STARC-LEED概念I(lǐng)采用16個(gè)電力風(fēng)扇（左右機(jī)翼各8個(gè)）嵌入機(jī)翼內(nèi)，兩個(gè)機(jī)翼下安裝的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，為分布式風(fēng)扇提供電力。STARC-LEED概念Ⅱ的電力風(fēng)扇集成至主機(jī)翼和上機(jī)翼之間，跨距較短，風(fēng)扇之間的多個(gè)翼型弦向掛架與上機(jī)翼和主機(jī)翼連接在一起。

圖3 STARC-LEED概念飛機(jī)

研制歷程及進(jìn)展

2019年，NASA采用有限元分析模型， 對(duì)STARC-LEED概念飛機(jī)的兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究和分析，以確定相比常規(guī)結(jié)構(gòu)，嵌入式方法是否具有結(jié)構(gòu)輕量化優(yōu)勢(shì)。STARCLEED概念I(lǐng)的混合電推進(jìn)機(jī)翼結(jié)構(gòu)與常規(guī)機(jī)翼相比，具有結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕的潛力，但是減輕的質(zhì)量?jī)H能彌補(bǔ)分布式電推進(jìn)系統(tǒng)的部分額外質(zhì)量。STARC-LEED概念Ⅱ能夠解決STARC-LEED概念I(lǐng)遇到的一些推進(jìn)集成的挑戰(zhàn)，但是該機(jī)翼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量實(shí)際大于基準(zhǔn)常規(guī)機(jī)翼，無(wú)結(jié)構(gòu)輕質(zhì)優(yōu)勢(shì)，因此不能抵消更多的推進(jìn)系統(tǒng)質(zhì)量[3]。

E-Fan X驗(yàn)證機(jī)

項(xiàng)目概況

E-Fan X驗(yàn)證機(jī)是由空客公司、西門(mén)子公司和羅羅公司于2017年共同研制的。在該項(xiàng)目中，空客公司負(fù)責(zé)混合電推進(jìn)系統(tǒng)的控制架構(gòu)和電池的集成，以及與飛行控制系統(tǒng)的集成；西門(mén)子公司負(fù)責(zé)提供2MW電動(dòng)機(jī)和電子控制裝置，以及逆變器、直流轉(zhuǎn)換器和能量分配系統(tǒng)；羅羅公司負(fù)責(zé)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、2MW發(fā)電機(jī)和電子設(shè)備，同時(shí)致力于對(duì)現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)短艙和電動(dòng)機(jī)進(jìn)行風(fēng)扇適配等。

E-Fan X是基于1架BAe146/Avro RJ支線客機(jī)改裝而成，如圖4所示。該機(jī)原來(lái)配裝的是4臺(tái)霍尼韋爾公司的LF507渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。E-Fan X驗(yàn)證機(jī)將BAe146/Avro RJ客機(jī)配裝的1臺(tái)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)替換為電動(dòng)機(jī)以驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇，電動(dòng)機(jī)由3000V交流電系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，采用的是碳化硅單元體和永磁材料，風(fēng)扇則來(lái)自于1臺(tái)羅羅公司的AE3007渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖4 E-Fan X驗(yàn)證機(jī)

研制歷程及進(jìn)展

2019年，羅羅公司提供2.5MW發(fā)電機(jī)和電子設(shè)備，改裝在1臺(tái)AE2100渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)上，安嵌入E-Fan X飛機(jī)驗(yàn)證機(jī)進(jìn)行飛行試驗(yàn)。2019年6月，羅羅公司收購(gòu)了西門(mén)子公司的電氣化部門(mén)，E-Fan X驗(yàn)證機(jī)改由羅羅公司和空客公司合作開(kāi)展。

2020年3月，E-Fan X驗(yàn)證機(jī)進(jìn)行氣動(dòng)設(shè)計(jì)試驗(yàn)，以明確對(duì)基準(zhǔn)飛機(jī)所作的更改將如何影響整體氣動(dòng)性能和飛行品質(zhì)。在試驗(yàn)期間，E-Fan X 驗(yàn)證機(jī)的1 : 8縮比模型安裝在費(fèi)爾頓低速風(fēng)洞上，附在試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕系慕z線使工程師能夠分析各個(gè)迎角下的空氣流動(dòng)。該風(fēng)洞試驗(yàn)非常成功，標(biāo)志著E-Fan X驗(yàn)證機(jī)達(dá)到又一個(gè)關(guān)鍵里程碑[4]。因?yàn)檎J(rèn)識(shí)到當(dāng)時(shí)對(duì)所有要素進(jìn)行集成，并進(jìn)行試驗(yàn)飛行并不是最關(guān)鍵的，2020年4月24日，空客公司和羅羅公司宣布停止E-Fan X驗(yàn)證機(jī)項(xiàng)目。盡管項(xiàng)目已經(jīng)終止，但是羅羅公司后續(xù)仍會(huì)繼續(xù)開(kāi)展E-Fan X發(fā)電系統(tǒng)的地面試驗(yàn)，將在挪威特隆赫姆進(jìn)行試驗(yàn)的發(fā)電機(jī)與在德比研制的動(dòng)力控制系統(tǒng)和在印第安那波利斯研制的動(dòng)力控制和熱管理系統(tǒng)進(jìn)行集成，以驗(yàn)證該技術(shù)并獲得研制經(jīng)驗(yàn)。

DRAGON概念飛機(jī)

項(xiàng)目概況

法國(guó)航空航天實(shí)驗(yàn)室（ONERA）在歐洲“清潔天空”2計(jì)劃下，于2018年提出帶發(fā)電機(jī)的分布式風(fēng)扇研究飛機(jī)（DRAGON概念飛機(jī)），如圖5所示，以加快分布式電推進(jìn)技術(shù)的成熟。其對(duì)標(biāo)機(jī)型為空客A320飛機(jī)或波音737飛機(jī)，巡航速度為Ma0.78、設(shè)計(jì)航程約為5093km、有效載荷為13t，預(yù)計(jì)于2035年投入使用。DRAGON概念飛機(jī)機(jī)身后部?jī)蓚?cè)各安裝1臺(tái)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)以驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，為沿機(jī)翼翼展分布的40個(gè)涵道風(fēng)扇（分為4組，每組10個(gè)）提供電力。相比對(duì)標(biāo)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，GRAGON飛機(jī)結(jié)構(gòu)顯示出優(yōu)勢(shì)，燃油消耗降低7%。

圖5 DRAGON概念飛機(jī)及推進(jìn)系統(tǒng)

圖6 DRAGON概念飛機(jī)分布式混合電推進(jìn)系統(tǒng)

DRAGON概念飛機(jī)采用分布式混合電推進(jìn)系統(tǒng)，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)有兩個(gè)軸，額外引入自由動(dòng)力渦輪，與壓氣機(jī)獨(dú)立工作，以完全獲得可用的額外功率。在該推進(jìn)系統(tǒng)中，兩臺(tái)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)與嵌入式安裝的4臺(tái)發(fā)電機(jī)連接，每臺(tái)發(fā)電機(jī)與2個(gè)推進(jìn)總線相連提供電力，無(wú)電能存儲(chǔ)裝置。該結(jié)構(gòu)采用并聯(lián)的方式，1臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)可以為所有風(fēng)扇提供電力，這種布局不僅考慮了故障模式，而且更重要的是，電力系統(tǒng)的冗余選擇能夠優(yōu)化功率和質(zhì)量。

研制歷程及進(jìn)展

2019年，ONERA確定了DRAGON概念飛機(jī)的最終結(jié)構(gòu)，并對(duì)DRAGON概念飛機(jī)進(jìn)行了多學(xué)科研究，評(píng)估飛機(jī)性能。其中包括采用有限元模型對(duì)機(jī)身部件進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估，驗(yàn)證了質(zhì)量沿翼展分布的優(yōu)勢(shì)，但是相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，因?yàn)闄C(jī)翼上分布的部件沿翼弦產(chǎn)生了扭矩，機(jī)翼整體質(zhì)量會(huì)增加；在研究該結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)彈性性能時(shí)發(fā)現(xiàn)，在低速和高速狀態(tài)下存在顫振行為，將通過(guò)增加機(jī)翼的彎曲剛度來(lái)消除，除此之外沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何嚴(yán)重的氣動(dòng)彈性問(wèn)題[5]。

2020年，考慮到分布式推進(jìn)能夠提高整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)的效率，但是集成至大型客機(jī)上還存在挑戰(zhàn)，ONERA為此開(kāi)展了研究以發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并制訂解決方案。從氣動(dòng)視角分析，通過(guò)仿真計(jì)算驗(yàn)證了機(jī)翼的形狀具備良好的整體流動(dòng)特性，需要改進(jìn)的區(qū)域很?。煌ㄟ^(guò)機(jī)翼結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)將涵道風(fēng)扇和相關(guān)電機(jī)改為傳統(tǒng)懸掛安裝，通過(guò)電動(dòng)機(jī)和逆變器對(duì)翼展增加載荷可以使布局更有效；更為重要的是，如果改進(jìn)機(jī)翼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度足夠限制翼尖偏轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)尺寸則會(huì)進(jìn)一步減?。桓倪M(jìn)機(jī)翼結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)彈性分析顯示DRAGON概念飛機(jī)無(wú)顫振風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)翼尖附近沒(méi)有涵道風(fēng)扇時(shí)，總體氣動(dòng)彈性阻尼較高[6]。

結(jié)束語(yǔ)

支/干線客機(jī)向混合電推進(jìn)方向發(fā)展已經(jīng)成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，但仍面臨許多已知或未知因素的限制。在目前的研制進(jìn)展中，各研究機(jī)構(gòu)正面臨著電池密度低、發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)功率小、電機(jī)需要的低溫超導(dǎo)環(huán)境、電力系統(tǒng)的質(zhì)量增加、電機(jī)安裝位置的選擇和熱管理等諸多技術(shù)難題有待解決。因此，距離混合電推進(jìn)的商業(yè)應(yīng)用還有較長(zhǎng)的路要走，需要在技術(shù)、市場(chǎng)和社會(huì)環(huán)境等領(lǐng)域進(jìn)行更多的發(fā)展和探索。