為國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)裝上“金色動(dòng)力”

文| 蘇鈞天

張何和團(tuán)隊(duì)工作人員在一起

當(dāng)你在萬(wàn)米高空中，置身機(jī)艙，開(kāi)著閱讀燈，享受機(jī)上餐飲，看著窗外機(jī)翼一閃一閃的燈光……有沒(méi)有想過(guò)，所有這些設(shè)備是靠什么動(dòng)力運(yùn)轉(zhuǎn)的呢？

答案就是電。一架飛機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，是不可能離開(kāi)電能的。作為飛機(jī)電力系統(tǒng)的“心臟”，發(fā)電機(jī)被賦予極為重要的責(zé)任。如何在不改變重量和大小的前提下，讓發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)得更快，輸出功率更高，是一項(xiàng)世界難題。

令人振奮的是，寧波諾丁漢大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱“寧諾”）智能電氣化研究中心首席研究員張何與其團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)艱難探索后，在該領(lǐng)域取得了突破，由他們研發(fā)的新型航空起動(dòng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)將額度功率提高至250kw，同時(shí)速度達(dá)3萬(wàn)轉(zhuǎn)每分鐘，現(xiàn)已在中國(guó)商用飛機(jī)有限公司（以下簡(jiǎn)稱“中國(guó)商飛”）寬體大飛機(jī)項(xiàng)目中成功應(yīng)用。

2014 年，英國(guó)諾丁漢大學(xué)博士后張何選擇回國(guó)工作。在寧波諾丁漢大學(xué)，他先后完成多個(gè)交通運(yùn)輸領(lǐng)域的電機(jī)驅(qū)動(dòng)項(xiàng)目，還從零開(kāi)始推動(dòng)電力電子和電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制研究組的建設(shè)，成為寧諾最年輕的首席研究員。

為國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)核心供電提供技術(shù)保障

“飛機(jī)機(jī)翼下方一般可以看到兩個(gè)圓筒型的裝置，大家都知道，那是飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)。拆開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)外層防護(hù)罩，會(huì)看到發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)身遍布密密麻麻的管線，這里就藏著負(fù)責(zé)飛機(jī)上所有電力供應(yīng)的發(fā)電機(jī)?！睆埡握f(shuō)，他們做的研究就是在保證發(fā)電機(jī)可靠性的前提下，讓它釋放出最大的能量。

張何介紹，目前全球都在新型航空發(fā)電機(jī)領(lǐng)域開(kāi)展科研攻關(guān)，作為客機(jī)隊(duì)伍中的“新兵”，波音787 和空客380 等多電飛機(jī)的電力化程度大幅提高。不過(guò)，這些飛機(jī)采用的多數(shù)是歐美國(guó)家研發(fā)制造的三級(jí)式變頻交流發(fā)電機(jī)，存在功率密度低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點(diǎn)。

如何解決這些缺點(diǎn)呢？張何團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)大膽的設(shè)想——以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、損耗小的永磁代替電勵(lì)磁，進(jìn)一步提升電機(jī)的功率密度。然而，該提議一經(jīng)提出就受到了質(zhì)疑。永磁不需要外界能量即可維持磁場(chǎng)，這使得從外部調(diào)節(jié)、控制磁場(chǎng)極為困難。一旦飛機(jī)發(fā)電機(jī)發(fā)生短路等故障，后果不堪設(shè)想。

張何帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)花了5 年時(shí)間，通過(guò)改變電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)和特殊繞組結(jié)構(gòu)等方式破解了諸多尖端科技難題，如高速永磁設(shè)計(jì)和研制、高效率熱導(dǎo)路徑管理、三電平功率變換器等，使得航空起動(dòng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定在現(xiàn)有技術(shù)的極限邊界。據(jù)悉，這架發(fā)電機(jī)的體型僅有普通水桶大小，重量不超過(guò)一般成年男性體重。但它的轉(zhuǎn)速卻達(dá)到每分鐘3 萬(wàn)轉(zhuǎn)，最大輸出功率和功率密度較全球最新技術(shù)提升了20%以上。

中國(guó)商飛系統(tǒng)工程副總工程師、北研中心多電綜合研究部負(fù)責(zé)人康元麗將這架周身金色的電機(jī)稱為“金色動(dòng)力”。她說(shuō)：“張何博士帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)研發(fā)的成果是目前世界上商用飛機(jī)唯一的大功率直流起發(fā)系統(tǒng)，為新一代國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)提供了核心供電系統(tǒng)的技術(shù)保障。”

致力于將實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)

諸多成績(jī)的背后，離不開(kāi)張何堅(jiān)定的人生選擇。2014 年，已在英國(guó)待了整整12 年的張何選擇回國(guó)。當(dāng)時(shí)他已是英國(guó)諾丁漢大學(xué)核心實(shí)驗(yàn)室的主要研究人員，參與了多個(gè)研發(fā)項(xiàng)目，包括英國(guó)水務(wù)系統(tǒng)的電氣化改造項(xiàng)目、歐盟的“清潔天空”計(jì)劃等。生活方面，他與在實(shí)驗(yàn)室并肩作戰(zhàn)的一位女同事組成了家庭，并在當(dāng)?shù)囟ň印?/p>

之所以選擇回國(guó)，源自2013 年張何被邀請(qǐng)作為核心專家組成員研討國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)發(fā)電機(jī)的研究方向。這次研討讓張何很受觸動(dòng)。從學(xué)士、碩士、博士、博士后到博導(dǎo)，從研究員、高級(jí)研究員到首席研究員，他的研究始終深耕在電機(jī)領(lǐng)域?！斑@讓我有一種使命感，要為中國(guó)制造、國(guó)之重器貢獻(xiàn)一份自己的力量?！?/p>

“雖然留在英國(guó)，會(huì)有相對(duì)完善的條件和平穩(wěn)的生活。但對(duì)我來(lái)說(shuō)，回國(guó)意味著無(wú)限的可能和沒(méi)有邊界的發(fā)展空間。我可以建立實(shí)驗(yàn)室做出一些成果，探索一些新的科研方向。事實(shí)證明，回國(guó)這個(gè)選擇是對(duì)的?！?/p>

這幾年，張何和他的團(tuán)隊(duì)將研究集中在開(kāi)發(fā)先進(jìn)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以滿足未來(lái)更環(huán)保的運(yùn)輸需求，包括開(kāi)發(fā)用于電動(dòng)汽車的高功率密度機(jī)器、用于航空航天工業(yè)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置和用于先進(jìn)制造業(yè)的高性能機(jī)械臂等。這些技術(shù)既服務(wù)地方也走向世界。

2017 年，張何和他的團(tuán)隊(duì)與寧波永磁材料企業(yè)以及荷蘭的公司一起成功研發(fā)了高效、高功率密度的運(yùn)河船舶電推系統(tǒng)和大型船舶船首側(cè)推器的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，用于船舶電氣化改造。寧諾負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)研發(fā)，寧波企業(yè)負(fù)責(zé)主要配件和電機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品生產(chǎn)，荷蘭公司負(fù)責(zé)市場(chǎng)推廣，三方合作下，產(chǎn)品已經(jīng)成功應(yīng)用在荷蘭的船舶上，實(shí)現(xiàn)了阿姆斯特丹運(yùn)河的全電動(dòng)零排放，同時(shí)幫助寧波企業(yè)實(shí)現(xiàn)了對(duì)下游產(chǎn)業(yè)鏈的整合和產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

說(shuō)起這些研究成果的產(chǎn)業(yè)化，張何不無(wú)驕傲，“我非常關(guān)心研究成果的產(chǎn)業(yè)化運(yùn)用，我希望我的研究不僅是實(shí)驗(yàn)室里的模型，而是經(jīng)得起一次次測(cè)試，能夠在實(shí)際場(chǎng)景中驗(yàn)證可行性并最終得到應(yīng)用?！?/p>

期待培育出更多高精尖中國(guó)工程師

張何的研究理念也影響了他的多位博士生。已經(jīng)畢業(yè)的施博聞目前正在研發(fā)航空級(jí)別的專業(yè)設(shè)備“大載重?zé)o人機(jī)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)”，并嘗試產(chǎn)業(yè)落地。

施博聞?dòng)浀?，在?shí)驗(yàn)最緊張的時(shí)候，他們經(jīng)常連續(xù)工作十幾個(gè)小時(shí)，吹著螺旋槳的風(fēng)，一遍遍地調(diào)試參數(shù)。導(dǎo)師張何幾乎從未缺席，和大家一起忍受著大風(fēng)和噪音?！八腥硕枷Ｍ咽虑樽龅?00%，只要電機(jī)最后能夠擁有最佳性能，對(duì)我們來(lái)說(shuō)，其他真的不算什么。”

張何說(shuō)，2014 年當(dāng)他剛來(lái)寧諾時(shí)，既沒(méi)有學(xué)生，也沒(méi)有設(shè)備，完全是從零開(kāi)始。近年來(lái)他欣喜地看到越來(lái)越多的年輕人加入到這項(xiàng)事業(yè)中來(lái)?！艾F(xiàn)在，我們這里有人、有設(shè)備、有機(jī)會(huì)，年輕人完全可以做出比肩甚至領(lǐng)先世界一流水平的科研成果?！?/p>

2017 年底，諾丁漢（余姚）智能電氣化研究院成立，翌年5 月正式啟動(dòng)，張何擔(dān)任首席研究員。這個(gè)平臺(tái)迅速聚攏了一個(gè)強(qiáng)大的團(tuán)隊(duì)。目前有來(lái)自世界各地的30 余名學(xué)者、研究人員和博士生在這里開(kāi)展尖端電力電子與電機(jī)驅(qū)動(dòng)研究，并與產(chǎn)業(yè)界和工業(yè)界進(jìn)行了密切合作。

張何期待著能夠借助研究院這個(gè)平臺(tái)培養(yǎng)更多年輕有熱情的電氣工程師?！叭蚍秶鷥?nèi)都在關(guān)注如何減少碳排放，提高各類交通工具的運(yùn)行效率。發(fā)展最先進(jìn)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以推動(dòng)綠色交通的發(fā)展和實(shí)踐是解決這些問(wèn)題的重要方法之一。我希望，我們既能夠做出高性能的、世界領(lǐng)先的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，也能夠?qū)⒀芯砍晒a(chǎn)業(yè)化，通過(guò)技術(shù)革新真正地為人類和社會(huì)作出一點(diǎn)點(diǎn)改變和貢獻(xiàn)?！?/p>