■ 白明亮 楊文將 閆炬壯 張若璞 曲子冰 / 北京航空航天大學(xué) 姚軒宇 蔣承志 / 中國航發(fā)研究院

超導(dǎo)氫電推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)合了超導(dǎo)技術(shù)、氫能技術(shù)和低溫冷卻技術(shù)，具有高功率密度、高能源轉(zhuǎn)換效率和節(jié)能減排等多重優(yōu)勢，目前處于深入研究和設(shè)計開發(fā)階段。

超導(dǎo)技術(shù)和低溫冷卻技術(shù)是提升電氣部件性能的關(guān)鍵解決方案，尤其超導(dǎo)部件在功率密度和效率方面具備顯著優(yōu)勢。液氫適用于機(jī)載超導(dǎo)材料和電氣部件的冷卻，氫氣可以作為渦輪機(jī)或燃料電池的燃料，從而實(shí)現(xiàn)氫能源在機(jī)載系統(tǒng)中的循環(huán)使用。因此，超導(dǎo)氫電推進(jìn)系統(tǒng)整合了超導(dǎo)技術(shù)、氫能技術(shù)和低溫冷卻技術(shù)，成為解決大功率航空電推進(jìn)系統(tǒng)現(xiàn)有問題的潛力方案。超導(dǎo)氫電推進(jìn)系統(tǒng)是一種面向大功率、高效率航空電推進(jìn)的創(chuàng)新動力系統(tǒng)，按基本架構(gòu)可分為燃料電池電推進(jìn)系統(tǒng)（FCEPS）、燃料電池混合電推進(jìn)系統(tǒng)（FCHEPS）、渦輪電推進(jìn)系統(tǒng)（TEPS）和渦輪混合電推進(jìn)系統(tǒng)（TEHPS）。表1總結(jié)了不同架構(gòu)的氫電推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用于不同類型飛行器的研究進(jìn)展，相關(guān)研究團(tuán)隊開展了超導(dǎo)技術(shù)和冷卻技術(shù)探索，評估了不同類型系統(tǒng)架構(gòu)的技術(shù)成熟度和可行性。此外，如德國氫燃料電池航空電驅(qū)總成（BALIS）、英國零碳飛行（FlyZero）和空客公司ZEROe等在研氫電推進(jìn)項目涉及到低溫冷卻、燃料電池推進(jìn)技術(shù)，但目前并未考慮應(yīng)用超導(dǎo)技術(shù)。

表1 超導(dǎo)氫電推進(jìn)系統(tǒng)研究進(jìn)展

圖1 燃料電池電推進(jìn)系統(tǒng)架構(gòu)

燃料電池電推進(jìn)系統(tǒng)

FCEPS利用液氫作為燃料和冷卻介質(zhì)，通過燃料電池產(chǎn)生電能驅(qū)動超導(dǎo)電動機(jī)推進(jìn)飛行器。FCEPS主要由液氫儲罐、燃料電池、DC/DC功率變換器、DC/AC逆變器、超導(dǎo)電動機(jī)和槳扇等部件組成，如圖 1所示。

液氫作為冷卻介質(zhì)為低溫冷卻回路提供低溫環(huán)境，蒸發(fā)后的液氫與氧氣在燃料電池中反應(yīng)產(chǎn)生電能，實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)電動機(jī)機(jī)載冷卻和氫能源循環(huán)利用。FCEPS具備高功率密度、高能源轉(zhuǎn)換效率和環(huán)境友好等優(yōu)勢。然而，燃料電池的工作效率和功率水平直接決定系統(tǒng)整體功率等級，目前主要適用于小型通勤飛機(jī)（航程＜ 500 km）和支線飛機(jī)（航程＜2000 km）等規(guī)模較小的應(yīng)用。

挪威科技大學(xué)研究團(tuán)隊開展了燃料電池電推進(jìn)系統(tǒng)在4.1 MW級ATR 72-600支線飛機(jī)的應(yīng)用研究，比較了氫飽和蒸汽/液態(tài)冷卻形式、超導(dǎo)電動機(jī)直驅(qū)/齒輪驅(qū)動槳扇形式對系統(tǒng)功率密度和效率的影響，并在保守、基線和樂觀等3個發(fā)展水平下計算分析[1]。研究結(jié)果表明，氫以液態(tài)形式進(jìn)入冷卻回路時，超導(dǎo)電動機(jī)可選擇MgB2或REBCO材料，而以飽和蒸汽形式只能選擇REBCO材料。FCHPS在樂觀預(yù)測水平下具有較高的功率密度（PTWtot＞ 1.5 kW/kg）和效率（ηtot＞45%），而基線和保守水平功率密度約為0.79 kW/kg和0.3 kW/kg。

空客公司先進(jìn)超導(dǎo)和低溫動力總成系統(tǒng)（ASCEND）用于演示500 kW級純電/混合電推進(jìn)方案[2]，如圖2所示。研究結(jié)果表明1 kW冷量的布雷頓制冷機(jī)可以滿足ASCEND的冷卻需求，然而考慮到系統(tǒng)可能應(yīng)用于大功率氫燃料電池/氫渦輪推進(jìn)飛行器，液氫冷卻被認(rèn)為是最佳解決方案。ASCEND演示裝置預(yù)計將于2023年年底進(jìn)行測試和評估，并計劃在2025年完成飛行驗證。

圖2 空客公司先進(jìn)超導(dǎo)和低溫動力總成系統(tǒng)[2]

燃料電池混合電推進(jìn)系統(tǒng)

FCHEPS利用液氫作為燃料和冷卻介質(zhì)，氫燃料電池和能源轉(zhuǎn)換裝置共同產(chǎn)生電能驅(qū)動超導(dǎo)電動機(jī)推進(jìn)飛行器。FCHEPS在FCEPS基礎(chǔ)上增加鋰電池以提供額外的動力輸出，如圖 3所示。由DC/AC逆變器、超導(dǎo)交流線纜、超導(dǎo)電動機(jī)和槳扇組成的超導(dǎo)電推進(jìn)單元具備拓展性，可以根據(jù)需求功率設(shè)計分布式推進(jìn)架構(gòu)。

FCHEPS具有高能效、多能源協(xié)同工作和環(huán)保等優(yōu)勢，燃料電池和鋰電池的組合可提供靈活的動力輸出，適應(yīng)不同工況并節(jié)約能源。根據(jù)系統(tǒng)部件當(dāng)前發(fā)展水平，F(xiàn)CHEPS主要適用于通勤飛機(jī)和支線飛機(jī)（航程＜ 2000 km）。

美國伊利諾伊大學(xué)飛行器高效電氣技術(shù)中心（CHEETA）研究團(tuán)隊以波音公司的737-800為基線，聯(lián)合多家科研單位共同設(shè)計了28 MW級燃料電池混合電推進(jìn)系統(tǒng)[3]，如圖4所示。研究結(jié)果表明，F(xiàn)CHEPS相比于傳統(tǒng)的渦扇動力系統(tǒng)具有分布式電推進(jìn)、高電化學(xué)效率以及低推力衰減率等優(yōu)勢，但液氫儲罐和燃料電池的存在會增加飛機(jī)起飛質(zhì)量。

圖5 渦輪電推進(jìn)系統(tǒng)架構(gòu)

英國吉凱恩（GKN）公司開發(fā)的氫電混合動力系統(tǒng)（H2GEAR）采用低溫氦冷卻回路維持部件工作溫度，并與低溫氫燃料回路進(jìn)行換熱[4]。研究表明，低溫氫/氦協(xié)同冷卻方案可保障系統(tǒng)冷卻的安全性和穩(wěn)定性，相同推進(jìn)功率下綜合功率轉(zhuǎn)換效率由84%提高至94%，同時能減輕約12%的質(zhì)量。固定最大起飛質(zhì)量時質(zhì)量減輕可以轉(zhuǎn)化為額外的燃料分配和儲存，從而將飛機(jī)的航程提高約3倍。預(yù)計到2025年，H2GEAR演示裝置將完成系統(tǒng)驗證。

韓國昌原國立大學(xué)以空客A320商用飛機(jī)為基線，設(shè)計了總功率為45 MW的燃料電池混合電推進(jìn)系統(tǒng)[5]。FCHEPS包含9個并聯(lián)單元，主動力源為40 MW氫燃料電池，輔助能源為5 MW鋰電池。單個超導(dǎo)電動機(jī)額定功率為5 MW、額定電壓3.3 kV、轉(zhuǎn)速為7000 r/min。研究表明，應(yīng)用超導(dǎo)技術(shù)和液氫冷卻技術(shù)可將電動機(jī)的功率密度由3.03 kW/kg提升至6.25 kW/kg。實(shí)驗室規(guī)模的5 kW超導(dǎo)電動機(jī)使用氫-氦換熱器實(shí)現(xiàn)了氫穩(wěn)定液化，并將高溫超導(dǎo)（HTS）線圈溫度保持在30 K。

渦輪電推進(jìn)系統(tǒng)

TEPS利用液氫作為低溫冷卻回路的冷卻介質(zhì)，將蒸發(fā)后的氫氣與空氣混合燃燒驅(qū)動渦輪發(fā)動機(jī)，并通過超導(dǎo)發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。TEPS主要由液氫儲罐、渦輪機(jī)、超導(dǎo)發(fā)電機(jī)/電動機(jī)、超導(dǎo)線纜、低溫電力電子器件和槳扇組成，如圖 5所示。超導(dǎo)電推進(jìn)單元仍具備拓展性，可根據(jù)渦輪燃燒室的設(shè)計選擇是否保留原有的航空燃油供給路徑。

TEPS具有高功率密度、高能量密度和節(jié)能減排等優(yōu)勢，且系統(tǒng)功率水平可根據(jù)渦輪機(jī)的發(fā)展迭代不斷增加，適用于支線飛機(jī)（航程＜ 2000 km）和短航程飛機(jī)（航程＜ 4500 km）。

德國斯圖加特大學(xué)在2018年提出了液氫冷卻渦輪電推進(jìn)運(yùn)輸級概念飛機(jī)“北極星”（Polaris），動力系統(tǒng)總功率為44 MW[6]，如圖6所示。液氫用于中冷換熱式渦輪壓縮機(jī)的冷卻，同時在作為燃料燃燒之前冷卻超導(dǎo)發(fā)電機(jī)/電動機(jī)和超導(dǎo)線纜。Polaris利用液氫冷卻、超導(dǎo)電力傳輸和燃?xì)廨啓C(jī)中冷等協(xié)同效應(yīng)，在相同的設(shè)計任務(wù)下，與A320相比可降低61.39%的能耗、80%的氮氧化物排放。

圖6 德國斯圖加特大學(xué)Polaris渦輪電推進(jìn)運(yùn)輸級概念飛機(jī)[6]

羅羅公司的研究團(tuán)隊開展了渦輪電推進(jìn)系統(tǒng)在220座、4630km的A321 XLR中程飛機(jī)的應(yīng)用研究，系統(tǒng)總功率為41 MW，電氣部件全部采用液氫冷卻[7]。研究分析了直流母線電壓（1000～4000 V）、超導(dǎo)電動機(jī)轉(zhuǎn)速（3500～15000 r/min）和交流電頻率（175～1000 Hz）對系統(tǒng)質(zhì)量和效率的影響。研究結(jié)果表明，母線電壓為1500 V、交流電頻率為350 Hz時，TEPS質(zhì)量最小，但整體效率較低。高轉(zhuǎn)速（15000 r/min）超導(dǎo)電動機(jī)在質(zhì)量上最具優(yōu)勢，但額外的變速箱和冷卻系統(tǒng)會犧牲推進(jìn)效率，因此低轉(zhuǎn)速（3500 r/min）超導(dǎo)電動機(jī)直驅(qū)槳扇是最佳推進(jìn)方案。HTS線纜所占的系統(tǒng)質(zhì)量份額較小，而超導(dǎo)發(fā)電機(jī)/電動機(jī)總質(zhì)量份額約為30%，低溫電力電子質(zhì)量份額約為44%。

美國佛羅里達(dá)州立大學(xué)針對美國國家航空航天局（NASA）的N3-X渦輪電推進(jìn)飛行器開發(fā)了熱網(wǎng)絡(luò)模型，模擬由超導(dǎo)發(fā)電機(jī)/電動機(jī)、超導(dǎo)線纜和低溫電力電子組成的低溫冷卻回路[8]，如圖7所示。采用氫作為制冷劑，在液態(tài)、氣態(tài)和氣液兩相等3種情況下模擬計算了維持部件工作溫度所需的冷卻劑質(zhì)量流率。研究結(jié)果表明，氣液兩相冷卻方式對于TEPS冷卻需求的液氫質(zhì)量流率最小，采用終端部件代替電力電子器件可以顯著降低總體熱負(fù)荷和減少冷卻劑需求。

圖7 N3-X渦輪電推進(jìn)飛行器[8]

圖8 渦輪混合電推進(jìn)系統(tǒng)架構(gòu)

渦輪混合電推進(jìn)系統(tǒng)

TEHPS以渦輪發(fā)動機(jī)為主動力裝置、氫燃料電池或鋰電池為輔助動力裝置，液氫作為燃料和冷卻介質(zhì)，蒸發(fā)后的氫氣供給渦輪燃燒室或氫燃料電池產(chǎn)生機(jī)械能或電能。圖 8（a）表示串聯(lián)式TEHPS架構(gòu)，超導(dǎo)發(fā)電機(jī)、氫燃料電池/鋰電池提供電能輸出，通過直流母線和低溫電力電子器件驅(qū)動分布式超導(dǎo)電推進(jìn)單元，實(shí)現(xiàn)高壓傳輸以減少整體質(zhì)量；圖 8（b）表示并聯(lián)式TEHPS架構(gòu)，氫燃料電池/鋰電池輸出的電能通過超導(dǎo)電動機(jī)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，與渦輪發(fā)動機(jī)輸出軸聯(lián)結(jié)齒輪箱驅(qū)動槳扇產(chǎn)生推力。

TEHPS通過改進(jìn)燃?xì)鉁u輪循環(huán)，使渦輪發(fā)動機(jī)始終運(yùn)行在最佳工作點(diǎn)，降低總體功耗，適用于支線飛機(jī)（航程＜ 2000 km）、短程飛機(jī)（航程＜ 4500 km）和中程飛機(jī)（航程＜10000 km）。

俄羅斯中央航空發(fā)動機(jī)研究院于2021年7月完成了渦輪混合電推進(jìn)驗證機(jī)雅克-40LL首次試飛。渦輪發(fā)電機(jī)功率為400 kW，轉(zhuǎn)速為12000 r/min，效率可達(dá)96%，鋰電池為輔助動力裝置。超導(dǎo)電動機(jī)質(zhì)量約為100 kg，轉(zhuǎn)速為2500 r/min，可以產(chǎn)生400～500 kW功率，液氮冷卻劑流量為6 L/h。

俄羅斯莫斯科航空學(xué)院設(shè)計的渦輪混合電推進(jìn)系統(tǒng)中半超導(dǎo)發(fā)電機(jī)額定功率為5 MW，轉(zhuǎn)子為永磁材料，定子為HTS線圈，理論功率密度可達(dá)36.5 kW/kg。全超導(dǎo)電動機(jī)額定功率為2.5 MW，方案1中電動機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子材料均為HTS線圈，功率密度可達(dá)23 kW/kg；方案2中電動機(jī)定子繞組采用MgB2材料，轉(zhuǎn)子采用HTS線圈，功率密度約為16 kW/kg[9]。氫氣液兩相冷卻可以實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)發(fā)電機(jī)/電動機(jī)和低溫整流器連續(xù)且穩(wěn)定的冷卻。超導(dǎo)發(fā)電機(jī)原理樣機(jī)為100 kW、12000 r/min，理論功率密度為2.4 kW/kg，液氮冷卻流量需求為3.2 L/h。

關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展

為促進(jìn)超導(dǎo)氫電推進(jìn)系統(tǒng)在航空電推進(jìn)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，需要在多個技術(shù)層面持續(xù)進(jìn)行發(fā)展和創(chuàng)新，包括液氫儲存、超導(dǎo)電機(jī)、超導(dǎo)配電、低溫電力電子技術(shù)、氫渦輪燃燒室和能量儲存等領(lǐng)域。

機(jī)載液氫儲存技術(shù)

機(jī)載液氫儲存技術(shù)需要在儲罐材料、結(jié)構(gòu)和密封等方面進(jìn)行創(chuàng)新與突破，發(fā)展輕量化、高強(qiáng)度和耐腐蝕的儲罐罐壁材料和絕緣材料，同時優(yōu)化儲罐的幾何結(jié)構(gòu)、機(jī)械結(jié)構(gòu)和熱結(jié)構(gòu)。此外，液氫供給支路應(yīng)配備防火和泄漏探測裝置 、壓力釋放裝置等安全措施，同時改善密封和隔熱技術(shù)以減少液氫蒸發(fā)和能量損失。

兆瓦級高功率密度超導(dǎo)電機(jī)技術(shù)

實(shí)現(xiàn)兆瓦級高功率密度超導(dǎo)電機(jī)關(guān)鍵要在超導(dǎo)材料、冷卻系統(tǒng)和驗證樣機(jī)等方面進(jìn)行創(chuàng)新和突破。探索高性能、易制備的超導(dǎo)材料以提高臨界電流密度，如REBCO、MgB2等高溫超導(dǎo)材料。氫/氦協(xié)同冷卻、氫氣液兩相冷卻以及固氮蓄冷等冷卻技術(shù)具備機(jī)載應(yīng)用前景。目前，實(shí)驗室級超導(dǎo)電機(jī)多為小型縮比樣機(jī)，實(shí)際功率密度與理論值存在差距。因此，亟須推動大功率超導(dǎo)電機(jī)樣機(jī)的研制、加工以及地面測試平臺的建立，驗證超導(dǎo)電機(jī)技術(shù)和冷卻技術(shù)的可行性和成熟度。

超導(dǎo)配電技術(shù)

超導(dǎo)配電技術(shù)需要在超導(dǎo)材料、高效冷卻和故障保護(hù)等領(lǐng)域展開創(chuàng)新與突破。YEBCO和MgB2等高溫超導(dǎo)材料具備低損耗、低成本和高效制冷等優(yōu)勢，有望逐步取代目前廣泛采用的BSCCO材料。采用液氮冷卻、液氫冷卻以及相變冷卻等高效冷卻方式可以滿足超導(dǎo)配電裝置的冷卻需求。同時，優(yōu)化超導(dǎo)輸配電裝置的電流控制策略，并建立高效的故障檢測和保護(hù)機(jī)制。中高壓HTS電纜的技術(shù)成熟度不斷提高，為其快速應(yīng)用于超導(dǎo)氫電推進(jìn)系統(tǒng)提供了巨大可能性。

兆瓦級低溫電力電子技術(shù)

低溫電力電子器件需要開發(fā)輕量化和緊湊化的解決方案以減輕部件質(zhì)量，半導(dǎo)體器件的選擇和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計至關(guān)重要。Si MOSFET、IGBT和GaN HEMT等器件在低溫下具有較低的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。對于兆瓦級DC/DC功率變換器，多級飛行電容器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和多電平Buck/Boost型非隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有高效率、高功率密度等優(yōu)勢。對于兆瓦級DC/AC逆變器，3L-NPC、3L-ANPC、混合型多級ANPC-H等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有低諧波輸出、高效率等優(yōu)勢。此外，器件封裝、柵極驅(qū)動和保護(hù)、EMI濾波器等技術(shù)也是低溫電力電子器件應(yīng)用于兆瓦級超導(dǎo)氫電推進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。

氫渦輪燃燒室技術(shù)

氫渦輪燃燒室需要在燃燒室設(shè)計與控制、材料創(chuàng)新和氫損傷防護(hù)等方面進(jìn)行創(chuàng)新與突破。為滿足氫燃料發(fā)動機(jī)的長期使用需求，優(yōu)先考慮奧氏體合金用于高壓氫管路，并探索耐高溫氫腐蝕的材料以保障燃燒室和渦輪等高溫高壓部件的穩(wěn)定性。

高效儲能技術(shù)

氫燃料電池需要高效、安全的燃料儲存和配送系統(tǒng)，同時加強(qiáng)開發(fā)更具活性和廉價的催化劑材料，以及穩(wěn)定性和導(dǎo)電性更優(yōu)的膜電解質(zhì)材料。質(zhì)子交換膜燃料電池具有高功率密度、快速啟動時間和較低工作溫度等優(yōu)勢，目前更適合應(yīng)用于超導(dǎo)氫電推進(jìn)系統(tǒng)。高能量密度鋰電池需要開發(fā)性能更佳的電池管理系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測和控制電池參數(shù)，同時改進(jìn)電池材料和電解液的設(shè)計以提高離子傳輸速率和承載功率。鋰離子電池、鋰聚合物電池的能量密度為150～350 W·h/kg，而固態(tài)鋰電池具有能量密度高、安全性高和使用壽命長等優(yōu)勢，在高能量密度電池領(lǐng)域具有重要前景。

結(jié)束語

融合高效和高功率密度的超導(dǎo)技術(shù)、高比能量和優(yōu)異冷卻能力的氫能技術(shù)以及輕質(zhì)小型化的低溫冷卻技術(shù)，超導(dǎo)氫電推進(jìn)系統(tǒng)具備實(shí)現(xiàn)機(jī)載大功率、高效率推進(jìn)和能源重復(fù)利用的潛力。根據(jù)通勤、支線、短程和中程飛行器的性能指標(biāo)和節(jié)能減排目標(biāo)，超導(dǎo)氫電推進(jìn)系統(tǒng)可考慮燃料電池/渦輪、電推進(jìn)/混合電推進(jìn)等架構(gòu)配置。然而，機(jī)載液氫儲存、兆瓦級高功率密度超導(dǎo)電機(jī)、超導(dǎo)輸配電、兆瓦級低溫電力電子、氫渦輪燃燒室和高效能量儲存等關(guān)鍵技術(shù)仍需要持續(xù)創(chuàng)新和突破。隨著超導(dǎo)電機(jī)和超導(dǎo)線纜等部件技術(shù)的日益完善，超導(dǎo)氫電推進(jìn)系統(tǒng)將是面向零碳發(fā)展目標(biāo)的重要解決方案。