分布式推進(jìn)系統(tǒng)研究綜述

彭振宇　張丹玲

【摘? 要】分布式推進(jìn)系統(tǒng)具有經(jīng)濟(jì)性好、低污染、低噪聲等優(yōu)點。本文主要分析了分布式推進(jìn)系統(tǒng)研制情況，梳理了關(guān)鍵技術(shù)，論述了當(dāng)前階段應(yīng)開展的技術(shù)研究內(nèi)容，為后續(xù)開展相關(guān)技術(shù)研究提供支撐。

【關(guān)鍵詞】分布式;混合電推進(jìn);工質(zhì)驅(qū)動

現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)各部件高效運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致提高發(fā)動機(jī)整機(jī)效率的成本極高、難度極大。隨著飛機(jī)與航空發(fā)動機(jī)的技術(shù)發(fā)展，市場競爭的加劇以及環(huán)保要求的提高，飛機(jī)、發(fā)動機(jī)制造商和運(yùn)營商在未來技術(shù)研究和產(chǎn)品研制方面也越來越多地聚焦于一些創(chuàng)新的甚至是顛覆性的技術(shù)方案上，以達(dá)到更經(jīng)濟(jì)、更環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)，分布式推進(jìn)系統(tǒng)的概念便應(yīng)運(yùn)而生。

1 分布式推進(jìn)系統(tǒng)概念及分類

傳統(tǒng)飛機(jī)是通過發(fā)動機(jī)將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能而產(chǎn)生動力，而分布式推進(jìn)系統(tǒng)是將發(fā)動機(jī)的能量轉(zhuǎn)化后，提供給分布在機(jī)翼或機(jī)身上的若干風(fēng)扇、螺旋槳或者其他裝置產(chǎn)生動力。分布式推進(jìn)系統(tǒng)能夠集成到機(jī)體結(jié)構(gòu)上，優(yōu)化機(jī)體周圍的流場，大幅降低油耗、減少排放，同時能夠減輕飛機(jī)的重量，降低阻力和噪聲。

分布式推進(jìn)系統(tǒng)有多種形式，目前絕大多數(shù)采用混合電推進(jìn)系統(tǒng)，混合電推進(jìn)系統(tǒng)是將發(fā)動機(jī)與電動機(jī)結(jié)合起來，共同作用的推進(jìn)系統(tǒng)，具體來說，是指通過傳統(tǒng)燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，為電動機(jī)提供電力，并由電動機(jī)驅(qū)動分布在機(jī)翼或機(jī)身上的若干風(fēng)扇或其他動力裝置，提供全部或絕大部分推力（燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)不提供或只提供部分推力）的一種新概念推進(jìn)系統(tǒng)。

混合電推進(jìn)系統(tǒng)主要分為四種形式，區(qū)分的主要原則為燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)是否提供部分推力、推進(jìn)系統(tǒng)是否使用電池。

第一種為燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，由電動機(jī)驅(qū)動風(fēng)扇/螺旋槳提供全部推力。

第二種為燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，由電動機(jī)驅(qū)動風(fēng)扇/螺旋槳提供部分推力，發(fā)動機(jī)提供部分推力。

第三種為燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，由電動機(jī)為電池充電，由電池驅(qū)動風(fēng)扇/螺旋槳提供全部推力。

第四種為燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，由電動機(jī)和電池共同驅(qū)動風(fēng)扇/螺旋槳提供全部推力。

與傳統(tǒng)動力推進(jìn)系統(tǒng)相比，混合電推進(jìn)系統(tǒng)有以下優(yōu)勢：渦扇發(fā)動機(jī)對能量的利用效率僅為40%，而電推進(jìn)系統(tǒng)對能量的利用率能夠超過70%，混合電推進(jìn)系統(tǒng)的能量利用率高;由于燃油能量密度比電高，并且電機(jī)比渦輪效率高，混合電推進(jìn)系統(tǒng)采用燃?xì)鉁u輪和電機(jī)相結(jié)合的推進(jìn)方式具備提高系統(tǒng)整體效率的潛力，能夠達(dá)到降低燃料消耗、減少排放的目的。

另一種分布式推進(jìn)系統(tǒng)為利用工質(zhì)驅(qū)動，通過發(fā)動機(jī)引氣來驅(qū)動推進(jìn)器，可以實現(xiàn)采用小涵道比渦扇發(fā)動機(jī)作為動力裝置而耗油率和噪聲水平遠(yuǎn)低于大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)的綜合效果。

2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

2008年，在美國航空航天局的亞聲速固定翼計劃下開展的N+3項目中，某些團(tuán)隊為了達(dá)到N+3的目標(biāo)，開始最早研制混合電推進(jìn)技術(shù)。NASA團(tuán)隊在N+3項目下提出N3-X飛機(jī)概念，采用翼體融合體布局與渦輪電力分布式推進(jìn)（TeDP）系統(tǒng)相結(jié)合的設(shè)計。該方案機(jī)體是由波音公司的N2A HWB結(jié)構(gòu)衍生而來，去掉懸掛安裝的渦扇發(fā)動機(jī)和垂直尾翼，取而代之的是在尾翼上表面安裝發(fā)動機(jī)短艙，短艙內(nèi)安裝電動機(jī)驅(qū)動的風(fēng)扇。渦輪發(fā)電機(jī)的主要功能是發(fā)電，并不產(chǎn)生推力。與波音777-200LR飛機(jī)相比，N3-X飛機(jī)能夠在不影響有效載荷、航程或巡航速度的情況下，耗油率降低超過70～72%。2011年，NASA團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)N3-X飛機(jī)燃料消耗對重量很敏感，于2011年5月提出N3-X新型層流飛機(jī)。與之前N3-X飛機(jī)不同的是該飛機(jī)采用的推進(jìn)系統(tǒng)為渦扇發(fā)動機(jī)驅(qū)動的TeDP系統(tǒng)，推力由2個帶有動力渦輪的渦扇發(fā)動機(jī)和分布式推進(jìn)器產(chǎn)生。

波音公司與GE公司和PW公司合作探索了一系列的混合電力推進(jìn)系統(tǒng)。其中，hFan推進(jìn)系統(tǒng)方案能夠在全燃?xì)鉁u輪、全電或者混合模式下工作的混合電力推進(jìn)方案具有更大的發(fā)展?jié)摿?。飛機(jī)在起飛和爬升時采用電池/燃?xì)鉁u輪混合推進(jìn)系統(tǒng)，巡航時采用燃?xì)鉁u輪或電池，其中航程較近時主要由電池提供動力，航程較遠(yuǎn)時主要采用燃?xì)鉁u輪提供動力。與波音737 和空客A320配裝的CFM56發(fā)動機(jī)相比，hFan 涵道比達(dá)到了18，在燃?xì)鉁u輪工作模式下，其耗油率降低28%;在電力工作模式下，可利用電池儲能驅(qū)動，不需要消耗燃油。

空客公司在“航跡2050”計劃目標(biāo)下開展了基于分布式混合電推進(jìn)的E-Airbus飛機(jī)方案。E-Airbus采用6臺電動風(fēng)扇，每個機(jī)翼上沿展向分布3臺，并通過1個燃?xì)鈩恿卧礈u扇發(fā)動機(jī)連接到發(fā)電機(jī)，以產(chǎn)生電力）為6臺風(fēng)扇（產(chǎn)生推力）提供電力和為電能存儲裝置充電，推進(jìn)系統(tǒng)的等效涵道比預(yù)計將超過20。在起飛階段，E-Airbus飛機(jī)所需的額外動力由電能儲存裝置提供;在巡航階段，燃?xì)鈩恿卧獙⑻峁┭埠絼恿?，并帶動發(fā)電機(jī)為電池充電;在初始下降階段，燃?xì)鈩恿卧P(guān)閉，飛機(jī)為滑翔模式，之后渦扇發(fā)動機(jī)以風(fēng)車狀態(tài)起動，并產(chǎn)生電能;在降落階段，燃?xì)鈩恿卧匦缕饎?，提供過量的推力（備用推力）以備飛機(jī)所需。

2017年，賽峰集團(tuán)在歐盟“航跡2050”計劃目標(biāo)下提出了電推進(jìn)技術(shù)發(fā)展路線圖，推進(jìn)系統(tǒng)采用“分步走”的方式，到2030年，賽峰集團(tuán)期望起飛、爬升和慢車推力的10%由混合推進(jìn)系統(tǒng)的電力提供，大部分推力仍由常規(guī)渦扇發(fā)動機(jī)提供。2035年，在能量儲備取得一定進(jìn)展后，賽峰集團(tuán)預(yù)測分布式混合電推進(jìn)系統(tǒng)與邊界層吸入相結(jié)合可實現(xiàn)20%～50%的推力由電力提供。2040年，采用氫能源將實現(xiàn)CO2零排放的100%電推進(jìn)系統(tǒng)。

2017年8月，CIAM披露了俄羅斯第一個渦輪電推進(jìn)飛機(jī)發(fā)動機(jī)的研制計劃，并在莫斯科航展上展出了500kW級概念發(fā)動機(jī)模型。該發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)特點主要是燃?xì)鉁u輪帶動電機(jī)，電機(jī)再驅(qū)動六葉螺旋槳旋轉(zhuǎn)，當(dāng)燃?xì)鉁u輪或電機(jī)發(fā)生故障時由備份電池提供動力。該發(fā)動機(jī)雖采用傳統(tǒng)構(gòu)型，但配電設(shè)計獨特。為了減輕重量以及減少電磁場對其他電子設(shè)備的干擾，該發(fā)動機(jī)將采用俄羅斯“新創(chuàng)”公司提供的輕質(zhì)半導(dǎo)體材料，這種材料重量輕，可在高能量下工作，也能減少電磁干擾，但還需要進(jìn)一步的試驗驗證。

目前，國外已開展了大量的混合電推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)探索，并采用了當(dāng)代先進(jìn)技術(shù)，國內(nèi)尚未開展混合電推進(jìn)技術(shù)研究，部分高校對相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了探索，但尚未開展有針對性的關(guān)鍵技術(shù)研究。因此，有必要盡早開展混合動力推進(jìn)系統(tǒng)研制和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，實現(xiàn)跨越式發(fā)展。

3 分布式推進(jìn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 混合電推進(jìn)系統(tǒng)

1）高功率密度電動機(jī)技術(shù);

2）高功率密度發(fā)電機(jī)技術(shù);

3）超導(dǎo)電能傳輸技術(shù);

4）高效、大容量功率變換器技術(shù);

5）熱管理技術(shù);

6）系統(tǒng)推進(jìn)技術(shù)。

3.2 工質(zhì)驅(qū)動推進(jìn)系統(tǒng)

1）發(fā)動機(jī)引氣穩(wěn)定性設(shè)計技術(shù);

2）發(fā)動機(jī)引氣控制規(guī)律設(shè)計技術(shù);

3）系統(tǒng)推進(jìn)技術(shù)。

4 結(jié)論

分布式推進(jìn)系統(tǒng)尤其是混合電推進(jìn)系統(tǒng)具有一定的潛力，可能成為未來飛機(jī)、發(fā)動機(jī)的發(fā)展方向之一。由于目前各國在電池組能量、電力系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜性、可靠性和安全性等方面尚未成熟，因此，避免走彎路，建議我國在設(shè)計初期，盡量選取載重量相對較小、對動力需求較低的飛機(jī)/發(fā)動機(jī)作為研究對象，減少由于電力需求過大帶來的關(guān)鍵技術(shù);在研制后期，綜合技術(shù)逐漸成熟后，逐步提升推力等級，攻克電力系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)，大幅提升我國航空動力設(shè)計水平。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張小偉.面向2030年的分布式混合電推進(jìn)技術(shù)[C]//中國航空學(xué)會.2015年第二屆中國航空科學(xué)技術(shù)大會論文集.北京：國防工業(yè)出版社，2015：330-334.

[2] 孔祥浩，張卓然，陸嘉偉，等.分布式電推進(jìn)飛機(jī)動力系統(tǒng)研究綜述[J].航空學(xué)報，2018.39（1）：8-12.

（作者單位：中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所）