航空混合電推進系統(tǒng)發(fā)展研究

■ 廖忠權(quán)/中國航發(fā)研究院

混合電推進系統(tǒng)是通過傳統(tǒng)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機帶動發(fā)電機發(fā)電，為分布在機翼或機體上的多個電動機/風(fēng)扇提供電力，并由電動機驅(qū)動風(fēng)扇/螺旋槳提供全部或大部分推力的一種新概念推進系統(tǒng)。其技術(shù)優(yōu)勢是可以改善飛機的氣動結(jié)構(gòu)、大幅提高等效涵道比，提升氣動效率、降低油耗、減少噪聲和排放。

混合電推進系統(tǒng)一般包括三大子系統(tǒng)：供電系統(tǒng)、推進系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)。其中，供電系統(tǒng)是指燃?xì)鉁u輪發(fā)動機和發(fā)電機；推進系統(tǒng)包括驅(qū)動電機和涵道風(fēng)扇或螺旋槳；儲能系統(tǒng)是蓄電池，能在飛機需要較大推進功率時（如起飛爬升階段）提供額外功率，在飛機巡航階段吸收多余功率，起到功率調(diào)配的作用，使作為源動力的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機始終工作在最佳狀態(tài)。

圖1 ESAero公司的ECO-150飛機概念圖

混合電推進飛機設(shè)計特點

目前，采用燃?xì)鉁u輪發(fā)動機推進的飛機為了提升環(huán)保性，其發(fā)動機直徑、涵道比有不斷增加的發(fā)展趨勢，這給飛機設(shè)計帶來很大的挑戰(zhàn)，而采用混合電推進系統(tǒng)能改善這一狀況。因為電機有一個重要特性——尺寸無關(guān)特性，即一個大功率電機系統(tǒng)分解為總功率相同的多個小功率電機系統(tǒng)后，整個系統(tǒng)的功率密度、效率和重量基本不變，而采用分布式混合電推進，利用多個功率較小的電動機驅(qū)動多個直徑較小的風(fēng)扇/螺旋槳取代超大直徑風(fēng)扇/螺旋槳，可有效提高推進系統(tǒng)的等效涵道比。小尺寸風(fēng)扇可以更為方便地融入機翼、機身，有效改善混合電推進飛機的整體氣動效率，進一步改善其飛行性能和燃油消耗；而且由于混合電推進系統(tǒng)的三大子系統(tǒng)之間不是機械連接，而是電力連接，其設(shè)計和布局可以更為靈活，給飛機設(shè)計帶來更大的自由度。以美國實驗系統(tǒng)航宇公司（ESAero）正在開發(fā)的150座級雙層翼分布式混合電推進飛機ECO-150為例，其源動機采用2臺渦軸發(fā)動機，安裝在機翼中部，而產(chǎn)生推動力的16個涵道風(fēng)扇則嵌入雙層機翼之間，每側(cè)機翼安裝8個涵道風(fēng)扇和機翼融為一體，如圖1所示。

混合電推進系統(tǒng)工作模態(tài)

混合電推進系統(tǒng)工作模態(tài)與常規(guī)動力有所不同。以空客牽頭正在開發(fā)的100座級混合電推進支線客機E-Airbus為例：在地面滑行階段，E-Airbus采用電力驅(qū)動風(fēng)扇推進；在起飛和爬升階段，由燃?xì)鉁u輪發(fā)動機驅(qū)動發(fā)電機提供全部推力；在巡航飛行階段，燃?xì)鉁u輪發(fā)動機驅(qū)動發(fā)動機發(fā)電，部分電力用于驅(qū)動電動風(fēng)扇，并將多余電力為機載電池充電；在初始下降階段，燃?xì)鉁u輪發(fā)動機關(guān)閉，飛機進入滑翔模式，之后渦扇發(fā)動機以風(fēng)車狀態(tài)起動，并產(chǎn)生電能；在降落階段，燃?xì)鉁u輪發(fā)動機再次起動，驅(qū)動風(fēng)扇提供過量的推力（備用推力）以備飛機所需。

混合推進系統(tǒng)發(fā)展態(tài)勢

目前，美國、歐洲、俄羅斯等均已將混合電推進系統(tǒng)視為未來有廣泛前景的民用航空動力解決方案，都在組織飛機制造商和發(fā)動機制造商開展探索和預(yù)研，波音、GE、空客、西門子、羅羅等公司都已經(jīng)在政府科研計劃支持下開展混合電推進系統(tǒng)研究。各國正不斷提升混合動力技術(shù)水平及其技術(shù)成熟度，探索多種新型混合動力飛機方案。

美國

美國對混合電推進的研究處于世界領(lǐng)先水平，并一如既往地通過發(fā)起研究計劃來促進混合電推進技術(shù)和產(chǎn)品的發(fā)展。美國國家航空航天局（NASA）在很早以前就開始關(guān)注混合電推進系統(tǒng)的發(fā)展。在N+3代飛機概念研究中，NASA提出了亞聲速超綠色研究飛機計劃（Sugar），要求飛機耗油率相對波音737-800降低70%。波音公司參與了該計劃，研究了兩種結(jié)構(gòu)的飛機：Sugar High和Sugar Volt。其中，Sugar Volt飛機則采用了被稱為hFan的混合電推進系統(tǒng)——電池/燃?xì)鉁u輪發(fā)動機，該系統(tǒng)由GE公司研制。

2011年5月，NASA與GE公司在航空推進系統(tǒng)研究與技術(shù)（RTAPS）項目下，合作提出了針對未來寬體客機的N3-X層流飛機，如圖2所示。其最突出的特點是采用了混合電推進系統(tǒng)——燃?xì)鉁u輪-電力分布式推進系統(tǒng)（TeDP），由兩臺安裝在翼尖的渦軸發(fā)動機驅(qū)動超導(dǎo)發(fā)電機產(chǎn)生電能，以驅(qū)動15臺嵌入機身的超導(dǎo)電動機帶動風(fēng)扇產(chǎn)生推力。N3-X新概念飛機的耗油率能比777-200LR飛機降低70%以上。

由于N3-X飛機的技術(shù)風(fēng)險很大并面臨適航問題，NASA當(dāng)前的研究工作聚焦到可在近期實現(xiàn)的波音737尺寸大小、常規(guī)布局的混合電推進技術(shù)飛機方案——帶有后置邊界層推進器的單通道渦輪-電推進飛機（STARC-ABL），如圖3所示。其中，渦扇發(fā)動機在起飛時提供80%的推力，巡航時提供55%的推力。

圖2 N3-X層流飛機概念圖

圖3 STARC-ABL飛機概念圖

圖4 Cri-Cri飛機

圖5 E-Fan飛機

2014年3月，NASA德萊頓飛行研究中心建成AirVolt電推進試驗臺，用于測量從電池、發(fā)動機到速度控制器和螺旋槳等各個系統(tǒng)部件的效率。此后，NASA與實驗系統(tǒng)航宇公司（ESAero）合作，實施前沿異步推進技術(shù)（LEAPTech）驗證項目，開展混合電推進一體化系統(tǒng)試驗臺（Heist）的地面測試。為了進一步驗證高效、低噪聲、低排放以及高總轉(zhuǎn)換效率的電力飛機推進系統(tǒng)，NASA于2015年啟動了縮比尺寸電推進技術(shù)應(yīng)用研究（Sceptor）項目，將P2006T型輕型活塞雙發(fā)飛機轉(zhuǎn)換為分布式混合電推進飛機。

2017年6月初，在美國丹佛舉行的航空航天學(xué)會會議（ AIAA 2017）上，NASA展示了一種48座的稱為“飛馬”的混合電推進支線客機概念。該概念飛機由ATR42-500支線客機改裝而成，采用分布式混合電推進系統(tǒng)。在其機翼翼尖有2個混合電螺旋槳、機翼內(nèi)側(cè)下方有2個電動螺旋槳、尾部還有1個螺旋槳。

2017年7月，在亞特蘭大舉行的美國航空航天學(xué)會推進與能源論壇上，NASA展示了在A320和波音737同級別客機尾部嵌入風(fēng)扇的設(shè)計概念，即前述STARC-ABL概念，風(fēng)扇由2.6MW的電動機驅(qū)動，電動機由機翼下方的2臺渦扇發(fā)動機驅(qū)動的發(fā)電機供電。風(fēng)扇埋入機體后方，吸入邊界層氣流并對其加速，可以降低尾流阻力，從而減小渦輪發(fā)動機尺寸，進一步降低阻力。NASA研究顯示，與常規(guī)結(jié)構(gòu)相比，STARCABL阻力可降低7%～12%。

2017年8月25日，GE公司發(fā)布了一份關(guān)于混合電推進系統(tǒng)重大研究項目白皮書，宣稱公司正在發(fā)展的混合電推進項目的發(fā)電機和電動機——這是任何混合動力推進系統(tǒng)都必須包括的兩大關(guān)鍵技術(shù)——目前有了新突破，并與幾家潛在飛機制造商商談如何使用混合電推進新技術(shù)。GE公司此前一直在開展1MW級動力裝置的基礎(chǔ)技術(shù)研發(fā)工作，并聲稱這款混合電推進裝置應(yīng)用得非常廣泛，可用于軍用飛機、民用飛機、公務(wù)機和通用飛機等。

歐洲

歐洲在混合電推進研究方面與美國并駕齊驅(qū)。歐盟在“航跡”2050計劃下探索了分布式混合電推進系統(tǒng)。空客集團首先通過開展E-飛機研究項目來研究電力推進的優(yōu)勢，評估降低二氧化碳排放的潛力；其創(chuàng)新工作室也發(fā)展了采用4臺電動機驅(qū)動4個對轉(zhuǎn)螺旋槳的Cri-Cri飛機并于2010年9月成功試飛，如圖4所示，以及采用電動涵道風(fēng)扇推進的E-Fan飛機并于2013年年底成功試飛，如圖5所示，驗證了輕質(zhì)、高效的發(fā)電機和電動機技術(shù)。

在對電推進系統(tǒng)演示驗證的基礎(chǔ)上，空客集團于2013年11月公布了與德國西門子公司和英國羅羅公司聯(lián)合開發(fā)基于分布式混合電推進系統(tǒng)的E-Airbus 100座級支線客機概念，如圖6所示，這也是“航跡”2050計劃的一部分。E-Airbus采用了一種名為E-Thrust的混合電推進系統(tǒng)，該系統(tǒng)由1臺安裝在機身后部的嵌入式渦扇發(fā)動機帶動發(fā)電機產(chǎn)生電力，驅(qū)動安裝在機翼上的6臺風(fēng)扇，并為機載電池充電，每個機翼沿展向分布3臺風(fēng)扇，該推進系統(tǒng)的等效涵道比預(yù)計將超過20。

圖6 E-Airbus飛機概念

2017年11月，空客、羅羅和西門子三家公司在英國皇家航空學(xué)會宣布將合作研發(fā)一款混合電推進飛機E-Fan X，該機將選用一架BAe146飛機作為飛行測試平臺，其4臺渦扇發(fā)動機中的1臺將被2 MW功率的電動機取代。E-Fan X驗證機混合動力電動技術(shù)架構(gòu)如圖7所示。一旦系統(tǒng)成熟性得到驗證，飛機上的另一臺渦扇發(fā)動機也將被電動機取代。E-Fan X混合動力電動技術(shù)驗證機在完成地面測試后，預(yù)計于2020年首飛。

荷蘭航空航天研究中心（NLR）和代爾夫特理工大學(xué)組成的研究團隊正在開展一項名為新型飛機布局和縮比飛行試驗（NOVAIR）的研究項目，將設(shè)計一款混合電推進的飛機并采用縮比模型進行動態(tài)飛行試驗。這是歐洲“清潔天空”2（Clean Sky 2）計劃的一部分，項目周期為6年，歐盟投資518萬歐元，計劃在2021年進行飛行驗證。NLR的研究表明，采用渦輪發(fā)動機進行發(fā)電，然后驅(qū)動電動機帶動螺旋槳提供動力的方案可以將飛機油耗降低大約10%。

圖7 E-Fan X驗證機混合動力電動技術(shù)架構(gòu)

2017年12月，位于德國陶夫基爾興的第一座全電動推進試驗臺“鐵鳥”地面試驗設(shè)施正式投入使用，具有從飛行控制器到推進器的動態(tài)負(fù)載動力系統(tǒng)操控的能力，將主要用于電氣、機械和熱動力學(xué)的驗證，將用于驗證空客公司的CityAirbus電動飛機的電力推進系統(tǒng)，此“鐵鳥”被視為CityAirbus項目研究的一個重要里程碑。經(jīng)過“鐵鳥”試驗臺的驗證后，其推進系統(tǒng)將在2018年中期應(yīng)用于CityAirbus驗證機進行測試。CityAirbus是空客公司專為城市空中交通而設(shè)計的一款4座電動垂直起降飛行器，目前正在開發(fā)中，首批結(jié)構(gòu)部件已經(jīng)生產(chǎn)，目前處于組裝階段，預(yù)計于今年年底首飛。

俄羅斯

美歐珠玉在前，俄羅斯追躡其后，也開展了對混合電推進系統(tǒng)的探索研究。

2017年7月，俄羅斯中央航空發(fā)動機研究院（CIAM）在莫斯科航展上宣布了首個混合電推進系統(tǒng)研究計劃，并展出了500kW級概念模型。該推進系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點是由燃?xì)鉁u輪帶動發(fā)電機發(fā)電，然后由電動機驅(qū)動六葉螺旋槳旋轉(zhuǎn)。當(dāng)燃?xì)鉁u輪或發(fā)電機發(fā)生故障時由備份電池提供動力。雖然該系統(tǒng)采用的是渦輪-電推進的傳統(tǒng)構(gòu)型，但配電設(shè)計卻很獨特。該系統(tǒng)將采用俄羅斯初創(chuàng)（Start-up）公司提供的SuperOx超導(dǎo)材料，這種材料質(zhì)量很輕，并可在高能量下工作，還能減少電磁干擾，但還需要進一步的試驗驗證。CIAM表示，如果能獲得俄羅斯聯(lián)邦政府的資助，則有望在未來3年內(nèi)完成500kW驗證機的飛行試驗，隨后開展用于19座飛機的2000kW級動力系統(tǒng)的飛行試驗驗證，其動力系統(tǒng)是由4臺500kW發(fā)動機的組合動力或1臺2000kW的發(fā)動機提供動力。

混合電推進將成為燃?xì)鉁u輪發(fā)動機之后的重要動力選項

全電推進適合輕型飛機

2016年7月29日，美國《航空周刊》在創(chuàng)辦100周年之際，其網(wǎng)站評選出了未來20～40年較有前景的18項航空航天技術(shù)，航空電力推進技術(shù)入選其中?！逗娇罩芸吩u論：“使用鋰離子電池的輕型飛機已能實現(xiàn)全電推進，但更大型的飛機可能需要混合電推進系統(tǒng)?！蹦壳埃娏︱?qū)動的輕型飛機已經(jīng)研制成功并實現(xiàn)首飛，如歐洲的E-Fan飛機。目前能效最高的鋰電池能量密度（即單位質(zhì)量的電池材料放出電能的大?。┘s為0.25kW·h/kg，到2035年樂觀估計有望達(dá)到0.5kW·h/kg，而當(dāng)前航空煤油的系統(tǒng)級能量密度則高達(dá)12kW·h/kg。賽峰集團高級執(zhí)行副總裁和首席技術(shù)官Stephane Cueille對此表示：“即使電池能量密度能夠達(dá)到1kW·h/kg，1架全電的A320飛機或與波音737飛機同級別飛機也將需要170 t電池，而A320飛機的最大起飛重量（質(zhì)量）也才80 t，對于更大的遠(yuǎn)程飛機來說，全電并不實用。”

目前，國際上飛機制造商謀求發(fā)展的用于空中出租車的電動垂直起降飛機采用的便是全電推進。波音、空客、巴航工業(yè)等公司都提出了電動垂直起降飛機方案，而優(yōu)步公司也提出了“空中出租車計劃”，利用電動出租飛機徹底改變?nèi)藗冊诔鞘械某鲂心Ｊ?。根?jù)高盛公司的預(yù)期，到2035年，全球電動出租飛機的市場將達(dá)到每年700億美元，每年需要制造5萬架全新的飛機。

混合電推進有望用于大中型飛機

混合電推進融合了燃?xì)鉁u輪發(fā)動機和電力推進兩種動力，雖然在燃?xì)鉁u輪之外增加額外的電推進系統(tǒng)會增加重量并增加復(fù)雜性，但可以通過電推進系統(tǒng)的技術(shù)提升、重量減輕和更好的飛發(fā)一體化設(shè)計集成來改善。羅羅公司航空技術(shù)和未來項目部主管Alan Newby表示，“混合電推進系統(tǒng)的集成是關(guān)鍵，我們已了解到可通過更好的發(fā)動機和短艙結(jié)構(gòu)以及氣動綜合來改進推進系統(tǒng)”，并表示集成的下一步是嵌入式和分布式推進。美國和歐洲的研究人員都認(rèn)為，100座級及以下的混合電推進客機有望在2030年前實現(xiàn)，但需要混合電推進系統(tǒng)儲能能力的大幅提升。估計采用混合電推進的大型中短程飛機耗油率可降低12%。

目前，航空動力技術(shù)發(fā)展已經(jīng)從不斷提升渦扇發(fā)動機效率逐漸向提升航空動力循環(huán)效率發(fā)展，并日益呈現(xiàn)出改變發(fā)動機構(gòu)型、甚至是出現(xiàn)顛覆傳統(tǒng)渦扇發(fā)動機構(gòu)型的趨勢，混合電推進技術(shù)即是其中之一?；旌想娡七M技術(shù)作為最有可能在2030年后取代燃?xì)鉁u輪發(fā)動機的候選動力技術(shù)，一方面能夠?qū)崿F(xiàn)耗油率的階躍性改善，并獲得各方力量的積極推動；另一方面徹底解放了飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計，出現(xiàn)了翼身融合設(shè)計、鴨翼布局的傾轉(zhuǎn)機翼設(shè)計、分布式推進系統(tǒng)設(shè)計等各種飛發(fā)一體化的創(chuàng)新設(shè)計。未來，更緊湊、更高功率密度、能夠產(chǎn)生1～2MW電能的發(fā)電機亦將出現(xiàn)，以滿足全電飛機、直升機或大型運輸機的動力需求，在實現(xiàn)采用混合電推進系統(tǒng)的軍民用飛機服役的同時將徹底顛覆未來的航空動力格局。

混合電推進系統(tǒng)的技術(shù)挑戰(zhàn)

“雷擊”無人機中止的啟示

2018年4月26日，美國極光飛行科學(xué)公司（現(xiàn)波音公司子公司）的“雷擊”無人機，如圖8所示，因其采用的混合電推進系統(tǒng)的發(fā)電機遭遇技術(shù)瓶頸而被中止，美國國防預(yù)先研究計劃局（DARPA）宣布取消后續(xù)的研發(fā)工作。極光公司于2016年3月贏得了DARPA價值8944萬美元的XV-24A“雷擊”項目第二和第三階段合同。該機采用了鴨式布局的傾轉(zhuǎn)機翼設(shè)計和分布式混合電推進系統(tǒng)，由1臺AE1107C渦軸發(fā)動機驅(qū)動一個裝有3臺霍尼韋爾的1MW級發(fā)電機的齒輪箱，再由電動機驅(qū)動全機24臺涵道風(fēng)扇產(chǎn)生推力。其中的18臺安裝在機身后方的傾轉(zhuǎn)機翼上，6臺安裝在機身前方的傾轉(zhuǎn)鴨翼上。霍尼韋爾公司在研發(fā)高性能1MW級發(fā)電機時遇到了技術(shù)瓶頸，使該項目在第二階段難以制造出全尺寸原型機。因此DARPA決定取消項目第三階段研發(fā)和相關(guān)飛行試驗。雖然霍尼韋爾堅持認(rèn)為DARPA取消“雷擊”項目的后續(xù)工作是另有原因，但也承認(rèn)公司在發(fā)電機熱管理方面遇到了挑戰(zhàn)，并承認(rèn)會因此導(dǎo)致項目進度的拖延。

XV-24項目在發(fā)展兆瓦級混合電推進系統(tǒng)中得到的經(jīng)驗將為業(yè)界提供很多啟示，混合電推進系統(tǒng)的研制工作將不會像想象中的那么簡單。雖然可以預(yù)測電動飛機的研制不會一帆風(fēng)順，但是DARPA決定取消XV-24A項目確實讓工業(yè)界看清了現(xiàn)實，混合電推進系統(tǒng)還有許多工作要做。

混合電推進技術(shù)有待成熟

圖8 “雷擊”無人機

根據(jù)美歐已經(jīng)開展的研究表明，由于目前電池的能量密度太低和電動機的功率密度不足，分布式混合電推進系統(tǒng)的發(fā)展受到很大限制。為了滿足未來大型商用飛機的要求，混合電推進系統(tǒng)的電池能量密度至少應(yīng)達(dá)到0.6kW·h/kg，比目前能量密度最高的鋰電池密度0.25kW·h/kg高出許多。而電動機功率密度至少需要達(dá)到16.2kW·h/kg，但當(dāng)前的技術(shù)僅能夠達(dá)到8.8～11kW·h/kg。這兩方面的因素導(dǎo)致當(dāng)前混合電推進系統(tǒng)的體積龐大并嚴(yán)重超重，甚至比傳統(tǒng)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機還要笨重。因此，混合電推進系統(tǒng)未來發(fā)展的重點是能量密度更大的電池和電動機這兩個技術(shù)難點，這也是各大發(fā)動機商孜孜追求的目標(biāo)。當(dāng)前研究表明，超導(dǎo)技術(shù)有助于提高電動機功率密度和能量效率，NASA、GE、波音、空客、羅羅、高等院校等各種研究機構(gòu)都在開展與超導(dǎo)電機有關(guān)的超導(dǎo)材料、部件和相關(guān)超導(dǎo)技術(shù)研究，歐洲甚至因此發(fā)起了超導(dǎo)電動機（PSAM）驗證和分布式電力航空推進（DEAP）系統(tǒng)研究等超導(dǎo)電機項目。

小結(jié)

混合電推力系統(tǒng)作為一種航空動力新概念，與目前飛機采用的動力系統(tǒng)有較大差異，已超越了傳統(tǒng)的動力技術(shù)范疇，是飛機總體設(shè)計、動力系統(tǒng)和機電系統(tǒng)的綜合集成，其研究也是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，不但涉及材料、發(fā)動機和電動機的設(shè)計和制造工藝研究，還涉及試驗規(guī)范、試驗臺的建設(shè)，以及適航管理等。以目前美歐已經(jīng)開展的研究工作來看，都非常注重相關(guān)試驗設(shè)施的建設(shè)，甚至將其作為混合電推進系統(tǒng)研究的里程碑來看待。因此，混合電推進系統(tǒng)的研究一定是設(shè)計、制造、試驗?zāi)酥吝m航等各種相關(guān)因素齊頭并進的結(jié)果。