羅羅的綠色航空布局

董幗雄

盡管2020年的日歷已經(jīng)翻過，但新冠肺炎疫情對全球航空業(yè)造成的影響仍在繼續(xù)。2021年伊始，發(fā)動機制造商羅羅宣布，由于全球航空市場不景氣，考慮到飛機制造商暫時不會推出新機型，公司將暫停下一代超扇發(fā)動機（UltraFan）的研發(fā)工作。

但羅羅也表示，這并不代表公司會減少對新技術(shù)的研發(fā)投入，只是將研發(fā)方向根據(jù)行業(yè)發(fā)展趨勢進行相應(yīng)的調(diào)整。事實上，在宣布暫緩超扇發(fā)動機研發(fā)之前不久，2020年11月，羅羅高調(diào)宣布加入聯(lián)合國“奔向零碳計劃”，規(guī)劃在未來10年內(nèi)通過10種技術(shù)路徑在其業(yè)務(wù)板塊實現(xiàn)凈碳零排放的目標(biāo)。由此可見，與綠色環(huán)保相關(guān)的技術(shù)研發(fā)工作將成為未來羅羅的優(yōu)先發(fā)展項。

奔向零碳計劃

作為全球?qū)掦w客機動力市場的兩巨頭之一，羅羅在加入聯(lián)合國“奔向零碳計劃”后宣布，將通過開發(fā)新產(chǎn)品和新技術(shù)，在2050年全行業(yè)達到凈碳零排放中發(fā)揮主導(dǎo)作用，并提出了實現(xiàn)這一目標(biāo)的10種技術(shù)路徑。在這10種技術(shù)路徑中，有一些與航空業(yè)息息相關(guān)。

傳統(tǒng)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機研發(fā)方面，在剛剛宣布暫停研制的超扇發(fā)動機項目中，羅羅在發(fā)動機軸上安裝了嵌入式電啟動發(fā)電機。羅羅認(rèn)為，如果能將電啟動發(fā)電機安裝在發(fā)動機冷端軸上的話，一個100～500kW的集成電動機就能啟動發(fā)動機，同時使發(fā)動機具備足夠的發(fā)電能力，從而為飛機系統(tǒng)供電。

為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，羅羅啟動了“嵌入式電啟動發(fā)電機計劃”。在該計劃中，羅羅將一臺嵌入式電啟動發(fā)電機安裝在一臺阿杜爾軍用發(fā)動機的低壓軸和高壓軸上進行試驗。按照原計劃，羅羅后續(xù)還會發(fā)展一系列功率高達150kW的嵌入式電啟動發(fā)電機，以滿足大型飛機的電力需求。目前，盡管UltraFan項目被暫時擱置，但羅羅表示，在“奔向零碳計劃”中，嵌入式電啟動發(fā)電機的研制將會繼續(xù)進行。

在傳統(tǒng)燃?xì)鉁u輪發(fā)動機使用方面，羅羅將與高校、科研院所合作，通過電解產(chǎn)生合成燃料，即所謂的電子燃料來替代一部分傳統(tǒng)航油，同時羅羅還在評估氫在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用。

數(shù)字化技術(shù)在羅羅的綠色航空技術(shù)布局中也扮演了重要角色。在“奔向零碳計劃”中，羅羅正在試圖通過使用數(shù)字孿生技術(shù)收集大量的客戶機隊信息，從而預(yù)測發(fā)動機在全生命周期中的表現(xiàn)。未來，羅羅希望這項技術(shù)能夠幫助航空公司減少油耗。

除了運營環(huán)節(jié)，羅羅還希望通過數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用來實現(xiàn)綠色制造。

目前，羅羅位于英國布里斯托爾的新復(fù)合材料工廠正在使用低能耗、低排放工藝，并采用最先進的自動化制造技術(shù)進行生產(chǎn)。同時，羅羅還在使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)設(shè)計發(fā)動機。在“奔向零碳計劃”中，羅羅希望通過綠色技術(shù)和環(huán)保材料的使用，可以實現(xiàn)未來發(fā)動機產(chǎn)品在全生命周期結(jié)束后，仍有98%的部件和材料可以實現(xiàn)回收利用。

混合電推進計劃

盡管傳統(tǒng)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機在未來數(shù)十年內(nèi)仍然是主流的飛機動力裝置，但對于發(fā)動機制造商來說，想要實現(xiàn)燃油效率質(zhì)的提升已經(jīng)是一件十分困難的事情了。因此，為了滿足對飛機環(huán)保性、經(jīng)濟性的要求，以及為了達成國際航空研究合作項目設(shè)立的2050年減排目標(biāo)，無論是飛機設(shè)計方還是發(fā)動機設(shè)計方，都必須大膽創(chuàng)新。

在此背景下，電氣化技術(shù)成為了航空業(yè)實現(xiàn)綠色環(huán)保目標(biāo)的重要手段。為了順應(yīng)航空領(lǐng)域電氣化的發(fā)展趨勢，羅羅專門成立了電氣部門——羅羅電氣（RRE）。在過去幾年間，羅羅圍繞混合電推進技術(shù)的發(fā)展進行了大量的探索。

羅羅公司將航空混合電推進系統(tǒng)的未來市場應(yīng)用分為四大領(lǐng)域，一是2～4座的輕型和超輕型飛機，主要用作飛行訓(xùn)練和航空運動飛行;二是空中出租車或eVTOL，主要用作城市空運領(lǐng)域;三是20座及以下的支線飛機，這類飛行器也可采用垂直起降;四是20～100座的支線飛機。在這一領(lǐng)域，羅羅之前與空客聯(lián)合研制了E-Fan X飛機驗證機項目，但同樣由于受到疫情的影響，這一項目已被暫時擱置。

具體來看，在混合電推進方面，羅羅實施了兩個主要的項目。一個是基于M250發(fā)動機的混合電推進系統(tǒng)。2019年4月，羅羅公司完成了基于M250發(fā)動機的混合電推進系統(tǒng)的地面測試，這是公司邁向混合電推進的重要一步，這次測試也是為公司將于2021年開展的空中飛行試驗做準(zhǔn)備。

2019年11月，羅羅公司宣布開發(fā)基于M250混合電推進系統(tǒng)的驗證機。演示驗證計劃采用APUS i-5飛機作為試驗平臺，該飛機重量約4噸，為常規(guī)起降形式。演示驗證計劃由羅羅主導(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）。羅羅表示，該項目旨在驗證最為復(fù)雜、全面的基于燃?xì)鉁u輪發(fā)動機的混合電推進系統(tǒng)的開發(fā)和集成。

值得一提的是，基于M250發(fā)動機的混合電推進系統(tǒng)可以采用分布式布局，可應(yīng)用于多種起飛重量、載荷較小的飛機平臺，例如，常規(guī)起降飛行器、通用飛機、直升機以及eVTOL等。

另一個則是基于AE2100發(fā)動機的混合電推進系統(tǒng)，也就是羅羅與空客、西門子聯(lián)合研發(fā)的基于BAE146支線客機的E-Fan X混合電推進技術(shù)驗證機，旨在測試功率達2MW的串聯(lián)式混合電推進系統(tǒng)。

在該項目中，羅羅利用1臺安裝在機體內(nèi)的AE2100發(fā)動機驅(qū)動1臺2.5MW的發(fā)電機發(fā)電，帶動1臺西門子公司的2MW電動機。該電動機將替代BAE146飛機的4臺渦扇發(fā)動機中的1臺，驅(qū)動涵道風(fēng)扇。2020年，由于受到疫情的影響，E-Fan X項目被暫時擱置，但羅羅方面已明確表示，將繼續(xù)推進E-Fan X項目中的一些地面和飛行測試。

全球最快的電動飛機

盡管從長遠(yuǎn)來看，混合電推進技術(shù)將大有用武之地，但由于受到技術(shù)、適航等多方面的限制，短期內(nèi)很難大規(guī)模應(yīng)用于商用航空領(lǐng)域，因此羅羅在進行相關(guān)技術(shù)研發(fā)的同時，將目光投向了通用航空領(lǐng)域。

2019年年初，羅羅公司宣布研發(fā)世界上飛行速度最快的全電動飛機項目——加速飛行電氣化項目（ACCEL），并獲得了英國政府的資助。該項目旨在制造、測試并商業(yè)化應(yīng)用電動飛機，并研發(fā)必要的技術(shù)和供應(yīng)鏈知識，為未來電氣化飛行儲備技術(shù)、積累經(jīng)驗。

ACCEL飛機項目完全由電池供電，設(shè)計目標(biāo)是實現(xiàn)最大飛行速度超過300英里/小時（483公里/小時）。為此，羅羅選擇與電機和控制器制造商雅莎（YASA）、初創(chuàng)公司伊航（Electroflight）以及英國宇航技術(shù)研究所（ATI）合作。其中，羅羅公司負(fù)責(zé)整體設(shè)計、可靠性驗證;YASA公司負(fù)責(zé)電動機和控制器的設(shè)計生產(chǎn);伊航公司負(fù)責(zé)傳動系統(tǒng)和能量存儲系統(tǒng)的設(shè)計生產(chǎn)。

ACCEL飛機項目利用Sharp Nemesis NXT競速飛機作為飛行平臺。此型飛機在使用現(xiàn)有活塞式發(fā)動機時的巡航速度為523公里/小時，飛機翼展為7.3米。在使用電池為動力后，ACCEL飛機需要6000個鋰離子電池作為動力以驅(qū)動3臺輕型YASA750R電動機，為螺旋槳提供372kW的功率。

羅羅表示，在這一項目中，公司將把研制重點放在電池、動力傳動和電機技術(shù)的研發(fā)上，并希望能夠在保證安全的基礎(chǔ)上，打破由西門子改裝的一架Extra330LE特技飛機在2017年創(chuàng)下的210英里/小時（338公里/小時）的紀(jì)錄，并實現(xiàn)超過300英里/小時的最高時速，成為全球飛行速度最快的全電動飛機。

目前，一個約20人的團隊正在位于英國格洛斯特郡機場的伊航公司工廠進行相關(guān)研發(fā)工作。2020年9月，羅羅宣布完成了ACCEL高速電動飛機驗證機的動力系統(tǒng)地面臺架測試。在此之前，該機所有核心系統(tǒng)已在地面測試平臺上進行了相關(guān)測試，其中包括500馬力的電機動力總成測試。在地面試驗中，由于ACCEL是全電飛機，羅羅還將用于試驗的鐵鳥測試平臺命名為“離子鳥”（Ion Bird），以區(qū)別于傳統(tǒng)的鐵鳥平臺。

從技術(shù)實現(xiàn)的角度來看，ACCEL項目要取得成功需要突破幾項關(guān)鍵技術(shù)。首先，要突破高功率、高能量電池設(shè)計技術(shù)。目前，ACCEL項目的設(shè)計團隊希望電推進系統(tǒng)的質(zhì)量與NXT發(fā)動機和燃油系統(tǒng)的質(zhì)量相同，這樣就不需要因調(diào)整起飛重量而對飛機重新進行認(rèn)證。從目前的試驗進展來看，項目團隊對次級電池系統(tǒng)的早期測試結(jié)果與預(yù)期相符，目前正在擴大電池容量，并進行相關(guān)的測試。最終，ACCEL項目的目標(biāo)是通過使用高密度鋰電池組來提供750kW的功率。

既需要高功率，也需要高能量，這是電池設(shè)計中面臨的挑戰(zhàn)之一，而這也正是航空業(yè)的需求。這些電池為YASA開發(fā)的3個輕型電動機提供動力，飛機螺旋槳與3個輕型電動機同軸安裝，這是首次在航空領(lǐng)域采用這種方法，同時也是羅羅研發(fā)的電機所具備的獨特優(yōu)勢。

在ACCEL項目中，羅羅還專門設(shè)計了一個航空電子系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠監(jiān)測電池健康狀況并及時向飛行員報告。一般而言，在20～30年的使用壽命中，電動飛機可能需要更換幾次電池。羅羅開發(fā)的這套系統(tǒng)每秒可以監(jiān)測2萬個數(shù)據(jù)點，以測量電池電壓、溫度和動力系統(tǒng)的整體健康情況。

此外，在ACCEL項目中，電池還將采用定制的液體冷卻系統(tǒng)進行冷卻。為了保證飛機在設(shè)定航線上均保持較高的飛行速度，羅羅還需要研究如何對電池進行冷卻。降溫冷卻是電池系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵創(chuàng)新之一。采用定制的液體冷卻系統(tǒng)使電池在整個飛行期間能夠保持在40度左右的最佳工作溫度。

從羅羅的戰(zhàn)略布局中不難看出，如今航空業(yè)正彌漫著一種“電動飛行”的焦慮，企業(yè)都急切地想要突破電動技術(shù)并使之商業(yè)化。這一方面是由于人們對于電氣化飛行高效經(jīng)濟、環(huán)保低噪的認(rèn)知日益深刻，另一方面則源自特斯拉引領(lǐng)汽車行業(yè)開啟的革命性變化所帶來的沖擊。但由于航空業(yè)的高門檻，在未來的電氣化飛行中，傳統(tǒng)的飛機制造商和發(fā)動機制造商的主導(dǎo)優(yōu)勢將依然存在。因此，對于他們來說，誰能夠搶占先機，或許意味著將繼續(xù)鞏固各自的行業(yè)壟斷地位。因此，未來羅羅的綠色航空布局值得期待。