羅羅的飛行電氣化之路

■ 廖忠權(quán)/中國航發(fā)研究院

自21世紀(jì)以來，航空動(dòng)力的電氣化發(fā)展趨勢越來越明顯。由國家發(fā)起電推進(jìn)研究計(jì)劃，或由航空制造商自發(fā)發(fā)展電推進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)品，都在積極促進(jìn)航空動(dòng)力的電氣化。羅羅公司近年來在航空電氣化方向也呈加速發(fā)展之勢。

羅羅公司的航空動(dòng)力發(fā)展包含3個(gè)方面：一是繼續(xù)發(fā)展燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)；二是發(fā)展飛發(fā)一體化技術(shù)；三是發(fā)展電推進(jìn)技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)公司的電氣化戰(zhàn)略，羅羅公司成立了電氣部門——羅羅電氣（RRE），以適應(yīng)航空領(lǐng)域電氣化這一不可避免的趨勢。眾所周知，目前限制電推進(jìn)發(fā)展的主要因素是電池的能量密度不足和電動(dòng)機(jī)的功率密度不足，這使得純電動(dòng)推進(jìn)目前只能用于座級和起飛質(zhì)量小、航程短的輕型飛機(jī)。對座級和起飛質(zhì)量較大的大中型飛機(jī)，如果采用純電動(dòng)推進(jìn)，電池質(zhì)量將大到驚人的程度，只能采用混合電推進(jìn)系統(tǒng)。混合電推進(jìn)系統(tǒng)通過采用燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇/槳葉產(chǎn)生推力，可以避免飛機(jī)攜帶過于沉重的電池。

多電發(fā)動(dòng)機(jī)

羅羅公司一直在研究多電發(fā)動(dòng)機(jī)。對于正在開發(fā)的“超扇”（Ultra Fan）發(fā)動(dòng)機(jī)，羅羅公司將發(fā)展更多的電氣適應(yīng)性，準(zhǔn)備在發(fā)動(dòng)機(jī)軸上安裝嵌入式電起動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)，將此先進(jìn)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)更多地發(fā)展成電氣機(jī)械，輸出更多電力。羅羅公司認(rèn)為，這將是未來雙通道寬體客機(jī)實(shí)現(xiàn)電推進(jìn)和低排放目標(biāo)的關(guān)鍵舉措。

傳統(tǒng)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)是通過附件齒輪箱從發(fā)動(dòng)機(jī)中提取功率驅(qū)動(dòng)附件、液壓泵和燃油泵等，并為飛機(jī)的機(jī)載系統(tǒng)提供動(dòng)力。附件齒輪箱安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣上，機(jī)匣上還密布許多附件，例如，燃油和滑油管道。這些結(jié)構(gòu)會(huì)加大發(fā)動(dòng)機(jī)橫截面積，進(jìn)而增加阻力。羅羅公司認(rèn)為，如果把電起動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)冷端軸上，一個(gè)100～500kW的集成電動(dòng)機(jī)就能起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)使發(fā)動(dòng)機(jī)具備足夠的發(fā)電能力，為飛機(jī)系統(tǒng)供電。這樣就可以把附件變速箱放在短艙掛架或機(jī)翼上，從而減小發(fā)動(dòng)機(jī)橫截面積。

羅羅公司的“超扇”發(fā)動(dòng)機(jī)采用可變螺距的風(fēng)扇和嵌入式電起動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)

羅羅公司正在實(shí)施“嵌入式電起動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)”（E2SG）計(jì)劃。在該計(jì)劃中，公司將嵌入式電起動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)安裝在一臺(tái)阿杜爾軍用發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓軸和高壓軸上進(jìn)行試驗(yàn)?；贓2SG計(jì)劃的成果，羅羅公司已經(jīng)著手開發(fā)一種嵌入式電起動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)初始樣機(jī)，額定功率為40kW，用于AE3007渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。而且，羅羅公司后續(xù)還會(huì)發(fā)展一系列功率高達(dá)150kW的嵌入式電起動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)，以滿足大型飛機(jī)的電力需求。

混合電推進(jìn)系統(tǒng)

羅羅公司正在推動(dòng)其航空產(chǎn)品的電氣化轉(zhuǎn)型，促成這種轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素主要有兩個(gè)方面。

一方面，電氣化越來越引起航空界的關(guān)注，在航空動(dòng)力電氣化領(lǐng)域既有發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)內(nèi)傳統(tǒng)的競爭對手GE公司、普惠公司、賽峰集團(tuán)，又有來自行業(yè)外的新晉對手。對此，空客集團(tuán)首席技術(shù)官保羅·艾瑞蒙科曾表示，電氣化及數(shù)字化的發(fā)展令航空業(yè)的準(zhǔn)入門檻降低，將使很多新進(jìn)入者參與到航空這個(gè)歷來由少數(shù)幾個(gè)寡頭壟斷的行業(yè)中來。

另一方面，雖然傳統(tǒng)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的性能在未來數(shù)十年仍有提升的空間，例如，采用超大涵道比，提高發(fā)動(dòng)機(jī)壓比等方式，而且在中型、大型飛機(jī)領(lǐng)域，在較長時(shí)間內(nèi)，燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)仍是難以被取代的，但是傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)在未來數(shù)十年終究會(huì)遇到“天花板”。為了滿足對飛機(jī)環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性的需求，以及為了達(dá)成國際航空研究合作項(xiàng)目（ICARe)設(shè)立的2050年減排目標(biāo)，無論是飛機(jī)設(shè)計(jì)方還是發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方都必須徹底改變，電氣化技術(shù)將促成這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

羅羅公司將航空混合電推進(jìn)系統(tǒng)的未來市場應(yīng)用分為4塊：一是2～4座的輕型和超輕型飛機(jī)，主要用作飛行訓(xùn)練和航空運(yùn)動(dòng)飛行；二是空中出租車或eVTOL，主要用作城市交通運(yùn)輸；三是20座及以下的支線飛機(jī)，這類飛行器也可采用垂直起降；四是20～100座的支線飛機(jī)，羅羅正在與空客聯(lián)合開展的E-Fan X飛機(jī)驗(yàn)證項(xiàng)目，就是要開發(fā)針對這一市場的混合電推進(jìn)系統(tǒng)。此外，航程1500km左右的支線飛機(jī)和航程2700km的中小型公務(wù)機(jī)或窄體客機(jī)也可以采用混合電推進(jìn)系統(tǒng)，對航程更遠(yuǎn)的窄體客機(jī)和寬體客機(jī)，燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)和電氣化技術(shù)可同時(shí)持續(xù)發(fā)展，直至電氣化比例越來越高。針對這幾類目標(biāo)市場，羅羅公司正在開發(fā)相應(yīng)的混合電推進(jìn)系統(tǒng)。

基于M250發(fā)動(dòng)機(jī)的混合電推進(jìn)系統(tǒng)

2019年4月，羅羅公司完成了基于M250發(fā)動(dòng)機(jī)的混合電推進(jìn)系統(tǒng)的地面測試，這是公司邁向混合電推進(jìn)的重要一步，這次測試也是為公司將于2021年開展的空中飛行試驗(yàn)做準(zhǔn)備，羅羅公司地面測試包含3種運(yùn)行模式。

APUS i-5飛機(jī)

ACCEL原型機(jī)

串聯(lián)混合電推進(jìn)：燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，為機(jī)載電池系統(tǒng)充電，不直接產(chǎn)生推力。推進(jìn)和其他機(jī)載系統(tǒng)均由電池供電。

并聯(lián)混合電推進(jìn)：飛機(jī)的推力由燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)和電驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇/螺旋槳聯(lián)合提供，飛機(jī)其他電力需求由電池滿足。

渦輪電力：電池系統(tǒng)為冗余系統(tǒng)。燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，電力直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)涵道風(fēng)扇/螺旋槳產(chǎn)生推力；電力也可滿足飛機(jī)其他電力需求。

該電動(dòng)混合推進(jìn)系統(tǒng)驗(yàn)證機(jī)集成了M250發(fā)動(dòng)機(jī)與高能量密度電池系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、電能轉(zhuǎn)換器以及先進(jìn)的電能管理和控制系統(tǒng)。電能管理系統(tǒng)用于優(yōu)化整體推進(jìn)性能，以便使系統(tǒng)適用于eVTOL等各類平臺(tái)，同時(shí)提高效率，降低噪聲和排放。

2019年11月，羅羅公司宣布將開發(fā)基于M250混合電推進(jìn)系統(tǒng)的驗(yàn)證機(jī)。演示驗(yàn)證計(jì)劃將采用APUS i-5飛機(jī)作為試驗(yàn)平臺(tái)，該飛機(jī)質(zhì)量約4t，為常規(guī)起降形式。演示驗(yàn)證計(jì)劃將由羅羅公司主導(dǎo)，為期3年，合作伙伴包括德國航空工程公司（APUS）和勃蘭登堡理工大學(xué)（BTU）。羅羅公司聲稱本項(xiàng)目旨在驗(yàn)證最為復(fù)雜、全面的基于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的混合電推進(jìn)系統(tǒng)的開發(fā)和集成。值得一提的是，基于M250發(fā)動(dòng)機(jī)的混合電推進(jìn)系統(tǒng)可以采用分布式布局，可應(yīng)用于多種起飛質(zhì)量、載荷較小的飛機(jī)平臺(tái)，例如，常規(guī)起降飛行器、通用飛機(jī)、直升機(jī)以及eVTOL。

基于AE2100發(fā)動(dòng)機(jī)的混合電推進(jìn)系統(tǒng)

空客公司、羅羅公司和西門子公司正在聯(lián)合開發(fā)基于BAe146支線客機(jī)改裝的E-Fan X混合電推進(jìn)技術(shù)驗(yàn)證機(jī)，旨在測試一種功率達(dá)2MW的串聯(lián)式混合電推進(jìn)系統(tǒng)。羅羅公司利用1臺(tái)安裝在機(jī)體內(nèi)的AE2100發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)1臺(tái)2.5MW的發(fā)電機(jī)發(fā)電，帶動(dòng)1臺(tái)西門子公司2MW電動(dòng)機(jī)。該電動(dòng)機(jī)將替代BAe146的4臺(tái)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中的1臺(tái)，驅(qū)動(dòng)涵道風(fēng)扇。羅羅公司參與開發(fā)的這種2MW級混合電推進(jìn)系統(tǒng)適宜配裝起飛質(zhì)量、載荷較大的飛機(jī)。

電動(dòng)飛行器

羅羅公司認(rèn)識(shí)到，通用航空市場可開發(fā)電力系統(tǒng)的速度可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于大規(guī)模的商用或軍事項(xiàng)目。為此，2019年年初，羅羅公司宣布研發(fā)世界上最快的全電動(dòng)飛機(jī)——ACCEL項(xiàng)目，并獲得英國政府的資助。ACCEL飛機(jī)完全由電池供電，滿足推進(jìn)和其他電力需求。

目前，羅羅公司正在與YASA公司和航空初創(chuàng)公司Electroflight合作開展ACCEL飛機(jī)項(xiàng)目。羅羅公司負(fù)責(zé)航空設(shè)計(jì)、可靠性驗(yàn)證；YASA公司負(fù)責(zé)電動(dòng)機(jī)和控制器；Electroflight公司負(fù)責(zé)傳動(dòng)系統(tǒng)和能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。ACCEL項(xiàng)目是利用Sharp Nemesis NXT競速飛機(jī)作為飛行平臺(tái)。此型飛機(jī)使用現(xiàn)有活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的巡航速度為523km/h，飛機(jī)翼展為7.3m，將現(xiàn)有的萊康明活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)改裝為電池驅(qū)動(dòng)，使用6000個(gè)鋰離子電池為動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)3臺(tái)輕型YASA750R電動(dòng)機(jī)，可為螺旋槳提供372kW的功率。羅羅公司計(jì)劃于2020年第一季度末進(jìn)行ACCEL原型機(jī)的飛行測試，飛行速度將達(dá)到483km/h，公司還將速度目標(biāo)瞄向552km/h。

羅羅混合電推進(jìn)eVTOL概念

羅羅公司在2018年英國范堡羅航展上推出一型eVTOL，其動(dòng)力系統(tǒng)采用基于M250發(fā)動(dòng)機(jī)的混合動(dòng)力系統(tǒng)，M250燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)為6個(gè)電動(dòng)推進(jìn)器提供動(dòng)力，并配備有存儲(chǔ)能量的電池。羅羅公司負(fù)責(zé)動(dòng)力系統(tǒng)的開發(fā)，而飛機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)則委托給飛機(jī)制造商。該eVTOL飛行器可以402km/h的最大速度不間斷飛行約804km，能夠利用停機(jī)坪和常規(guī)機(jī)場等現(xiàn)有設(shè)施。飛行器的機(jī)翼能夠旋轉(zhuǎn)90°，從而實(shí)現(xiàn)垂直起降。一旦上升至巡航高度，機(jī)翼上的推進(jìn)螺旋槳可以折疊收起，以降低阻力和客艙噪聲，之后飛行器依靠兩臺(tái)后側(cè)推進(jìn)螺旋槳提供推力。該飛行器可用于個(gè)人和公共交通、物流和軍事領(lǐng)域等。

電氣化產(chǎn)業(yè)

隨著羅羅公司對電氣化領(lǐng)域的日益關(guān)注，在維持其現(xiàn)有傳統(tǒng)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的同時(shí)，開始關(guān)注永磁推進(jìn)器等電氣產(chǎn)品領(lǐng)域。近年來，公司在將商業(yè)、海運(yùn)業(yè)務(wù)剝離的同時(shí)，與電氣化相關(guān)的部分保留了下來。例如，羅羅公司在挪威特隆赫姆設(shè)有一個(gè)智能電動(dòng)機(jī)（SmartMotor)的設(shè)計(jì)集團(tuán)，在向康斯伯格公司出售一些業(yè)務(wù)時(shí)，羅羅公司將該集團(tuán)保留下來，并更名為羅羅電氣挪威公司（Rolls-Royce Electrical Norway)。羅羅公司還擁有動(dòng)力系統(tǒng)公司（Power Systems)，該公司已經(jīng)完成了混合動(dòng)力列車、微電網(wǎng)和潛艇技術(shù)的研究。

2019年4月，羅羅公司收購了西門子電力及混合電力航空推進(jìn)業(yè)務(wù)，以助力其實(shí)施電氣化戰(zhàn)略。羅羅電氣化總監(jiān)羅布·沃森表示：“電氣化將為航空業(yè)帶來深遠(yuǎn)影響，就好比當(dāng)初燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)替代活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)。我們正處于航空‘第三時(shí)代’的初期，向著更安靜、清潔的空中旅行進(jìn)步”。羅羅公司的目標(biāo)就是要在航空“第三時(shí)代”中發(fā)揮主導(dǎo)作用。

目前羅羅公司的業(yè)務(wù)已經(jīng)在電氣化方面取得頗多進(jìn)展。例如，羅羅公司利用MT30航空發(fā)動(dòng)機(jī)改燃?xì)廨啓C(jī)開發(fā)的混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)已經(jīng)用于海軍的軍艦；公司開發(fā)的MTU混合動(dòng)力也已經(jīng)用于鐵路系統(tǒng)。羅羅公司計(jì)劃在其3個(gè)主要業(yè)務(wù)領(lǐng)域（電力系統(tǒng)、民用和國防）中借鑒這些應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)相應(yīng)的產(chǎn)品。

結(jié)束語

電氣化是羅羅公司當(dāng)前及未來航空動(dòng)力的重要發(fā)展方向，公司已經(jīng)將電氣化作為謀取航空“第三時(shí)代”競爭優(yōu)勢的戰(zhàn)略選擇。公司在繼續(xù)發(fā)展傳統(tǒng)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的同時(shí)，已經(jīng)從組織架構(gòu)、技術(shù)和產(chǎn)品等方面全面布局電推進(jìn)系統(tǒng)。正如羅羅首席技術(shù)官保羅·斯特恩所言：“為了在滿足航空旅行需求的同時(shí)降低二氧化碳排放，航空業(yè)要開發(fā)更加環(huán)保的技術(shù)和手段。電氣化是羅羅公司實(shí)現(xiàn)航空業(yè)可持續(xù)發(fā)展的承諾中的一步。此外，我們致力于提升燃?xì)鉁u輪的燃油效率，鼓勵(lì)環(huán)保和可持續(xù)航空燃油的開發(fā)，追求航空電氣化?！?/p>

羅羅公司的電氣化戰(zhàn)略也符合英國的技術(shù)戰(zhàn)略發(fā)展方向。鮑里斯在2019年7月成為英國首相后宣布設(shè)立3億英鎊的專項(xiàng)資金及配套推動(dòng)政策，作為其新內(nèi)閣環(huán)保政策的組成部分，其關(guān)注重點(diǎn)是eVTOL、城市空中交通（UAM）應(yīng)用和物流無人機(jī)，正好與羅羅公司航空電氣化戰(zhàn)略的發(fā)展方向相契合。

值得一提的是，羅羅公司只是向航空電氣化方向狂奔的眾多企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)的一員。波音、空客、賽峰、霍尼韋爾、GE、普惠、柯林斯宇航、銳翔、優(yōu)步、吉利、貝爾、億航智能等企業(yè)都在研制電動(dòng)飛機(jī)或電推進(jìn)系統(tǒng)。而在國家層面，瑞典和挪威計(jì)劃到2040年將所有短程航班全部更換成全電動(dòng)飛機(jī)。總而言之，電動(dòng)飛機(jī)、電推進(jìn)系統(tǒng)已成為當(dāng)今航空業(yè)發(fā)展熱點(diǎn)，呈現(xiàn)出時(shí)不我待的發(fā)展態(tài)勢。