■ 廖忠權 / 中國航發(fā)研究院

2020年3月10日，賽峰集團的ENGINeUS 45電動機安裝在VoltAero公司的混合電推進試驗飛機Cassio 1上進行了首飛。這既是VoltAero公司混合電推進飛機發(fā)展的重要一步，也是賽峰集團不斷發(fā)展電推進系統(tǒng)研究的重要一步。

Cassio 1 首飛

隨著航空旅行要求和航空技術的提高，未來的飛行器將更安靜、更清潔、更節(jié)能。未來的飛機可能和我們今天看到的大不相同，發(fā)動機制造商都在尋找新的與之相適應的推進解決方案。賽峰集團作為世界領先的發(fā)動機制造商，也在研究探索未來的先進推進系統(tǒng)，認為未來的飛機必須更加可靠、經(jīng)濟、環(huán)保，并具有更高的效率，而電推進系統(tǒng)則是未來飛機的重要動力解決方案。近年來，公司大力開展電推進，特別是混合電推進技術的研究，以促成“多電”（more-electric）飛機的發(fā)展。而且賽峰利用集團優(yōu)勢，不僅僅關注固定翼飛機的電推進系統(tǒng)，也在開發(fā)適合旋翼機的電推進系統(tǒng)。此外，賽峰集團還將其節(jié)能減排技術目標與歐洲“航跡2050”（FlightPath 2050）計劃中航空研究與創(chuàng)新咨詢委員會提出的遠期環(huán)境目標相匹配。這些目標要求與2000年水平的飛機相比，2050年的飛機CO2排放減少75%、NOx排放減少90%、噪聲降低65%。

技術優(yōu)勢

近年來，賽峰集團在電推進領域，特別是混合電推進系統(tǒng)方面開展了大量的工作，可謂苦心孤詣。

2018年7月，賽峰集團在波城機場附近的直升機發(fā)動機測試中心進行了首次混合電推進系統(tǒng)地面測試。該推進系統(tǒng)由燃氣渦輪發(fā)動機驅(qū)動發(fā)電機，并與一組電池結(jié)合在一起，組成渦輪-發(fā)電機，可產(chǎn)生100kW的電能，驅(qū)動由4臺ENGINeUS電動機驅(qū)動的4副電動螺旋槳，能用于垂直起降飛行器（VTOL）、短距起降飛行器（STOL）、支線飛機以及電動垂直起降飛行器（eVTOL）。賽峰集團計劃在2020年進行分布式混合電推進系統(tǒng)的演示驗證。

城市空中交通（UAM）作為一個新興市場正如火如荼地發(fā)展，這也是賽峰集團關注的重點。目前，正在發(fā)展用于城市空中交通的eVTOL基本都采用電推進或混合電推進，其中多款在研的eVTOL都是采用全電推進，例如，優(yōu)步公司就在大力推動全電動eVTOL的開發(fā)和應用，但考慮到飛機續(xù)航能力需求，城市空中交通市場對混合電推進系統(tǒng)仍然存在較大需求。

賽峰集團認為，飛行時間超過30min或航程超過100km的全電動平臺可能還需要至少20年的時間才能出現(xiàn)，建議現(xiàn)階段使用“渦軸發(fā)動機-發(fā)電機-分布式電動機”的渦輪-電推進方案。事實上，賽峰集團正在開發(fā)的eVTOL動力正是這種渦輪-電推進系統(tǒng)。

賽峰集團分布式混合電推進系統(tǒng)架構(gòu)

通用航空混合動力

為貝爾公司的eVTOL提供混合電推進系統(tǒng)

2018年6月，貝爾公司宣布將與賽峰集團合作開發(fā)混合電推進系統(tǒng)用于eVTOL。2019年1月，貝爾公司正式將其eVTOL命名為Nexus空中出租車。貝爾公司正在針對有人駕駛/無人駕駛、商用/軍用、客運/貨運、全電動/混合電動等不同的市場需求開發(fā)模塊化的eVTOL架構(gòu)，計劃在2020年完成eVTOL驗證機首飛。首架飛行驗證機將采用混合電推進系統(tǒng)，但公司同時也在推進全電架構(gòu)的技術研發(fā)。賽峰集團正在開發(fā)用于該eVTOL的混合電推進系統(tǒng)，并將盡快交付給貝爾公司，以滿足其驗證機首飛的進度要求。

貝爾公司Nexus空中出租車

ENGINeUS系列電動機

2018年10月，在美國佛羅里達州奧蘭多舉行的美國國家公務航空協(xié)會（NBAA）年會上，賽峰集團展示了ENGINeUS系列的第一型電動機ENGINeUS 45。ENGINeUS系列是專門用于未來混合電推進和電推進飛機的電動機，最大功率將達到500kW。ENGINeUS 45電動機的額定功率為45kW，它有內(nèi)置的專用控制電子設備，能效超過94%。在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為2500r/m時，功率質(zhì)量比為2.5kW/kg，這型電動機已經(jīng)在賽峰集團的電氣綜合試驗臺上進行了測試，以驗證其性能，并在分布式混合電推進系統(tǒng)上利用4臺該系列電動機進行了地面測試。公司正在促進ENGINeUS系列電動機快速向VTOL和STOL動力轉(zhuǎn)變。

EcoPulse驗證機

為EcoPulse飛機提供混合電推進系統(tǒng)

2019年6月，法國大合（Daher）公司、空客公司和賽峰集團宣布共同開發(fā)EcoPulse分布式混合電推進演示驗證機，將基于大合公司的TBM 900單發(fā)渦槳飛機研發(fā)，計劃2022年首飛。該驗證機將在機翼上安裝6副（每側(cè)各3副）電動螺旋槳替換原有的標準發(fā)動機和螺旋槳，每副螺旋槳由一臺ENGINeUS 45電動機驅(qū)動，由電池和100kW輔助動力裝置供電。

大合公司負責總體設計、系統(tǒng)安裝、飛行測試和全面分析。空客公司負責分布式推進系統(tǒng)的氣動優(yōu)化和高能量密度電池的供應和安裝。賽峰集團則負責提供除電池以外的分布式混合電推進系統(tǒng)，包括渦輪-發(fā)電機（渦輪和發(fā)電機的組合）、電源管理系統(tǒng)和包含電動機和螺旋槳的集成電推進器（或電動螺旋槳），電推進器將被集成到EcoPulse的機翼中。

與美國國家航空航天局（NASA）的X-57分布式電推進驗證機項目類似，EcoPulse飛機項目中也將評估分布式推進的潛在優(yōu)勢。兩副機翼外側(cè)螺旋槳（3葉）除提供推力外，還可消除翼尖渦流以減少阻力，而4副內(nèi)側(cè)螺旋槳（5葉）滑流吹過機翼表面時，會對機翼翼面氣流形成加速作用以改善機翼升力特性，提高升力系數(shù)。內(nèi)側(cè)螺旋槳將由電池驅(qū)動，并設計成可折疊式，以減小巡航時的阻力。驗證階段將耗資2200萬歐元，其中50%將由法國民航局（DGAC）提供。

Cassio 1試驗飛機

ENGINeUS 45電動機助力Cassio 1電動試驗飛機

2020年3月，法國初創(chuàng)公司VoltAero公司首架混合電推進試驗飛機Cassio 1完成首飛，該機基于賽斯納337“天空大師”飛機改裝。配備了賽峰集團的兩臺ENGINeUS 45電動機和日產(chǎn)（Nissan）公司的活塞式發(fā)動機。賽斯納337是雙發(fā)螺旋槳飛機，兩幅螺旋槳分別位于機體前后，即同時裝備了拉進式螺旋槳和推進式螺旋槳。Cassio 1取消了機體前部的螺旋槳，而在機翼上安裝了兩副螺旋槳，分別由一臺ENGINeUS 45電動機驅(qū)動。機體后部的第三副推進器螺旋槳則由傳統(tǒng)的170kW活塞式發(fā)動機驅(qū)動。2020年5月，VoltAero公司推出了量產(chǎn)型Cassio飛機的最新構(gòu)型，機體尾部安裝了混合電推進系統(tǒng)，優(yōu)化了機體氣動外形，機體前部采用了鴨翼，配置帶有雙尾撐帶高置平尾的后置機翼，取消了Cassio 1試驗飛機機翼上安裝的螺旋槳和驅(qū)動裝置，只保留了安裝在機尾的一副螺旋槳。

賽斯納337“天空大師”

量產(chǎn)型Cassio飛機

直升機混合動力

不僅固定翼飛機或eVTOL的動力系統(tǒng)在向電推進方向轉(zhuǎn)變，傳統(tǒng)直升機動力也在向采用更多電力的混合動力方向發(fā)展。直升機混合動力包括應用于直升機不同飛行階段的多種能源組合，其目的是優(yōu)化直升機的動力配置。在巡航狀態(tài)下，由傳統(tǒng)渦軸發(fā)動機提供動力；在起飛、懸停或是其他緊急情況下，直升機所需的額外功率由其他能源提供，如輔助動力裝置（APU）或發(fā)電機。因此，直升機發(fā)動機將不再需要為這些特定情況改變工作狀態(tài)，將始終工作在最佳狀態(tài)，燃油消耗將因此下降。

賽峰集團正在研究幾種直升機混合動力配置，以在雙發(fā)直升機上更有效地利用更多的電力。其中一種便是“節(jié)能模式”（eco mode）概念：在巡航狀態(tài)下，將兩臺發(fā)動機中的一臺置于待機模式，從而可將燃油消耗降低15%，并增加航程；在起飛、懸?；蚴瞧渌o急情況下需要附加動力時，智能輔助電動機會迅速重新啟動待機的發(fā)動機。賽峰集團開發(fā)的“電動直升機”（ePPH）驗證機已在地面測試中驗證了這一概念，并將進行飛行測試。除了賽峰直升機發(fā)動機公司外，賽峰集團的其他子公司也參與了這項研究，包括賽峰電子與防務公司。

賽峰集團還在研究雙發(fā)直升機在一臺發(fā)動機失效的情況下，如何通過不同途徑為直升機提供飛行所需的功率。公司正在研究渦輪-電混合動力系統(tǒng)，可優(yōu)化發(fā)動機的體積和質(zhì)量，降低10%～15%的耗油率。賽峰直升機發(fā)動機公司執(zhí)行副總裁西里爾·波奇表示，雙發(fā)直升機的主要設計原則是確保單發(fā)失效（OEI）條件下的飛行安全，即當一臺發(fā)動機失效時，另一臺發(fā)動機要提供比額定功率大20%的輸出功率。但是現(xiàn)代直升機OEI并不經(jīng)常出現(xiàn)，20%的備用功率顯得有些“多余”。這意味著如果采用渦輪-電混合動力系統(tǒng)，直升機可以選用功率較小的發(fā)動機。例如，空客直升機公司的“超級美洲獅”直升機目前裝配的是賽峰集團生產(chǎn)的馬基拉1A1渦軸發(fā)動機，功率為1400kW；如果換用混合動力系統(tǒng)，可以使用質(zhì)量較輕的1044kW功率的阿蒂丹3發(fā)動機，在OEI情況下由混合動力系統(tǒng)的電力提供額外的功率。

支線航空混合動力

2018年10月，波音投資的新創(chuàng)企業(yè)Zunum公司選擇賽峰集團為其12座、航程1126km的支線客機ZA10提供發(fā)電系統(tǒng)。ZA10將采用電池和渦輪-發(fā)電機兩種動力，共同驅(qū)動兩個500kW的電動涵道風扇。機載電池組提供500kW的功率，渦輪-發(fā)電機系統(tǒng)提供另外500kW的功率。賽峰集團將為其提供阿蒂丹3Z渦軸發(fā)動機，與Zunum公司另行選擇的發(fā)電機組成渦輪-發(fā)電機，進行聯(lián)合地面試驗后交由Zunum公司在試飛平臺上進行飛行試驗。渦輪-發(fā)電機系統(tǒng)將安裝在ZA10機體后部的兩個涵道風扇中間，而機載電池組則被置于機體、機翼和短艙中。阿蒂丹3Z是阿蒂丹3渦軸發(fā)動機的改進型，功率為1268～1492kW。

由于ZA10飛機采用的是混合電推進系統(tǒng)，電力系統(tǒng)可以自動調(diào)節(jié)輸出電力，作為源動機的阿蒂丹3Z可始終運行在最佳工作狀態(tài)，而不必像其他純粹由燃氣渦輪發(fā)動機推動的飛機一樣，發(fā)動機輸出功率會隨著飛機飛行狀態(tài)的不同而改變工作狀態(tài)，并不總是保持在最佳工作狀態(tài)?；诨旌蟿恿軜?gòu)，將降低燃氣渦輪發(fā)動機燃油消耗、延長發(fā)動機壽命并降低運營成本。

ZA10支線客機

干線客機混合動力

值得注意的是，在較長時間里，對干線客機而言，全電推進很難實現(xiàn)。當前的電池密度只有200～300（W·h）/kg，與航空燃油12000（W·h）/kg的能量密度相比，相差太遠。A320和737這一級別的干線客機，最大起飛質(zhì)量在70～80t，如果采用電推進，即使電池的能量密度達到1000（W·h）/kg，也需要170t的電池。因此，賽峰集團分析認為，在相當長時間里，適合大型飛機的電推進方式是混合電推進。賽峰飛機發(fā)動機研究與技術副總裁杰羅姆·波尼尼對此表示，“如果想實現(xiàn)全電推進，我們必須取得更大的進展，雖然該技術已經(jīng)在研發(fā)過程中，但應用到大型飛機還不現(xiàn)實。我們認為未來有更多的路徑，應當同時在3個方面實施推進技術的改進，首先是改善動力裝置效率，第二是將動力裝置更好地與機體集成，第三是通過推進和非推進手段改善能量管理?！?/p>

航空燃料能量密度比電池高，而電動機效率比渦輪更高?；旌想娡七M系統(tǒng)使用燃氣渦輪作為動力來源，具有燃油的能量密度和電動機的更高效率，將二者優(yōu)勢綜合在一起，但代價是混合推進系統(tǒng)的質(zhì)量和復雜性也隨之增加。

賽峰集團高級執(zhí)行副總裁和首席技術官斯特凡·屈埃耶聲稱，如果采用混合電推進系統(tǒng)，大型短程/中程飛機的油耗可降低3%～12%，具體取決于飛機構(gòu)型的復雜程度，但同時會造成飛機的質(zhì)量增加，因為混合電推進系統(tǒng)的質(zhì)量將比常規(guī)發(fā)動機更大，只有在飛發(fā)一體化帶來的效率提升足夠補償質(zhì)量增加時才可行。

賽峰集團針對用于大型飛機的混合電推進系統(tǒng)制定了“三步走”的發(fā)展路線。

第一步，2030年實現(xiàn)初步的混合電推進系統(tǒng)，起飛、爬升和慢車推力的10%由電力提供。這也是為了適應世界電池技術逐步提升的步伐。在此階段，飛機的大部分推力仍由常規(guī)渦扇發(fā)動機提供。

第二步，2035年實現(xiàn)帶邊界層吸入（BLI）的混合電推進，推力的20%～50%由電力提供。在BLI推進系統(tǒng)設計中，在機體尾部嵌入風扇，可以將機體上的邊界層氣流吸入并加速，進而降低阻力。尾部風扇由電池或常規(guī)發(fā)動機產(chǎn)生的電力驅(qū)動。

不少研究機構(gòu)和企業(yè)都提出了類似的結(jié)構(gòu)布局，NASA就提出了帶后置邊界層推進的渦輪電推進飛機（STARC-ABL），與賽峰集團的BLI概念非常相似。極光飛行科學公司、法國航空航天研究院（ONERA）、德國包豪斯研究院也都提出了采用BLI技術理念的布局，其中包豪斯研究院提出了“推進式機體概念”（PFC）。

第三步，2040年實現(xiàn)100%電推進，前提是解決了能量儲備和大功率能量傳遞這兩大技術問題。

在干線客機領域，賽峰集團同時在考慮的方案包括：在“清潔天空”I計劃下開展研究的開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機概念；在“清潔天空”II計劃下開展研究的超高涵道比（UHBR）發(fā)動機概念；BLI推進概念以及分布式混合電推進。賽峰飛機發(fā)動機研究與技術副總裁杰羅姆·波尼尼表示，正在探索上述所有的構(gòu)型，還不知道哪種解決方案是最佳的，但可以確信的是發(fā)動機制造商和飛機制造商間的界限將發(fā)生變化，需要更多的飛發(fā)集成。

包豪斯研究院提出的“推進式機體概念”（PFC）

極光飛行科學公司的D8布局概念

結(jié)束語

正如當今世界海量航空信息所彰顯的那樣，電氣化是航空制造業(yè)的大趨勢，電推進是航空動力的重大發(fā)展趨勢之一。GE、普惠、羅羅等傳統(tǒng)航空動力巨頭都在盡力促進其電推進技術及產(chǎn)品的發(fā)展，并積極探索各種新技術和新應用。作為傳統(tǒng)動力巨頭之一的賽峰集團同樣也不甘人后，一方面開發(fā)包括新型電動機在內(nèi)的電推進新技術和新產(chǎn)品；另一方面也充分挖掘和利用自身在傳統(tǒng)動力領域的優(yōu)勢和積蘊，促成傳統(tǒng)與革新的融合，開發(fā)出充分利用公司燃氣渦輪發(fā)動機的渦輪-電推進系統(tǒng)，并且針對不同類型的飛行平臺，采取了不同的動力應對方案。