飛機電力系統(tǒng)技術研究

李開省

（航空工業(yè)中航機載系統(tǒng)有限公司，北京100028）

0 引言

隨著電力電子技術、電機技術和電池技術的快速進步和技術突破，飛機電力系統(tǒng)在飛機上地位越來越重要。飛機電力系統(tǒng)的技術研究已經(jīng)成為新一代新能源飛機的核心和關鍵，是解決飛機污染排放和提高飛機能源效率的重要途徑［1-3］。

本文通過對飛機電力系統(tǒng)的分析研究，結合國外航空電力系統(tǒng)的技術發(fā)展，提出航空業(yè)新一代飛機電力系統(tǒng)技術發(fā)展思路，創(chuàng)新性地開展飛機電力系統(tǒng)的新技術研究，拓展飛機新技術產(chǎn)生的新市場領域，指出電動化技術的發(fā)展思路，以期為航空工業(yè)的發(fā)展進步提供參考。

1 飛機電力系統(tǒng)地位和作用

飛機電力系統(tǒng)是包含電能的生成、傳輸、分配、存儲和使用的一個獨立電網(wǎng)絡。在這個獨立電網(wǎng)中由電能產(chǎn)生的發(fā)電機、電能傳輸?shù)妮旊婋娎|、電能分配的配電系統(tǒng)和電力電子變換設備、電能存儲的電池系統(tǒng)和飛機上靠電能作動的各種執(zhí)行部件以及對這些部件運行進行控制的控制器等構成［3］。飛機電力系統(tǒng)的用電設備主要有航空電子系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、環(huán)境控制系統(tǒng)、防除冰系統(tǒng)、起降系統(tǒng)、通信系統(tǒng)（內部和外部）、飛機照明以及飛機其他用電的關鍵功能元件等。所有這些系統(tǒng)和部件都具有可靠性高、體積小和重量輕的特點，可以實現(xiàn)飛機的高效率工作。隨著飛機上更多系統(tǒng)逐步實現(xiàn)電氣化替代，飛機的總體效率進一步提高，污染排放進一步減少，飛機電力系統(tǒng)的地位和作用越來越重要［4-5］。未來，飛機電能源系統(tǒng)也會成為飛機一次能源推進動力的核心，因此極大推動飛機的技術進步。

傳統(tǒng)的飛機系統(tǒng)示意圖如圖1所示，可以看出：傳統(tǒng)飛機平臺電力系統(tǒng)的需求較少，目前國內飛機電力系統(tǒng)可以滿足飛機用電需求。為了滿足飛機發(fā)展的需求和新技術的應用，提升飛機電力系統(tǒng)競爭力，飛機電力系統(tǒng)技術需要不斷的進步，以降低電力系統(tǒng)產(chǎn)品體積和成本，提高飛機電力系統(tǒng)產(chǎn)品的效率和功率密度，提升未來飛機電力系統(tǒng)功率需求。

圖1 傳統(tǒng)的飛機系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of tradition aircraft system

未來飛機電力系統(tǒng)功率需求的趨勢如圖2所示。

圖2 飛機電力系統(tǒng)功率需求圖Fig.2 Schematic of power requirement of aircraft power system

2 飛機電力系統(tǒng)構成

飛機電力系統(tǒng)是由飛機發(fā)電系統(tǒng)設備、飛機電力分配和電力變換系統(tǒng)設備、飛機用電系統(tǒng)設備，以及把電能從發(fā)電機傳輸?shù)诫娏Ψ峙湎到y(tǒng)和電力變換設備，再通過電力分配和電力變換設備傳輸?shù)斤w機航空用電設備的傳輸電網(wǎng)絡構成，飛機的電力系統(tǒng)是一個獨立的電網(wǎng)絡系統(tǒng)，具有一切獨立電網(wǎng)絡的特點。

飛機獨立電網(wǎng)絡的方框圖如圖3所示。

圖3 飛機獨立電網(wǎng)絡方框圖Fig.3 Diagram of aircraft independent power network

飛機發(fā)電系統(tǒng)設備的作用是將航空發(fā)動機的機械能轉換成飛機需求的電能；飛機電力分配和電力變換系統(tǒng)設備是將飛機發(fā)電機發(fā)出的電能進行電力分配、變換、余度、容錯和不間斷等供電方式進行合理配置，通過傳輸電網(wǎng)提供給飛機的用電系統(tǒng)設備；飛機的用電系統(tǒng)設備具有飛機上的各種操縱控制功能、生命保障功能和飛機實現(xiàn)任務系統(tǒng)功能，例如飛機的各種馬達、控制、照明、武器發(fā)射、加熱、探測等設備。

2.1 飛機電力系統(tǒng)特點

飛機電力系統(tǒng)傳輸距離短，發(fā)電、電力分配和變換及用電設備都集中在航空器中，核心是電力系統(tǒng)的系統(tǒng)化和集成化。

（1）飛機電力系統(tǒng)設備體積小，重量輕，可靠性高。

（2）飛機電力系統(tǒng)設備比地面設備耐更嚴酷的自然條件。

（3）飛機電力系統(tǒng)設備的結構設計、熱設計、冷卻介質等都比地面電力系統(tǒng)設備復雜，對所用設備和材料提出了更高的要求。

（4）飛機電力系統(tǒng)設備是發(fā)電、電力分配和變換、儲存、驅動、用電、控制和通信等為一體的現(xiàn)代高科技系統(tǒng)。

2.2 飛機電力系統(tǒng)技術構成和框架

飛機電力系統(tǒng)的技術分布如圖4所示，由四部分組成。

（1）發(fā)電系統(tǒng)技術：隨著電動飛機技術發(fā)展，發(fā)電系統(tǒng)技術逐步擴展到電機技術，不僅僅是發(fā)電技術，而且未來隨著電推進技術發(fā)展，電動機技術更為重要，將電推進和發(fā)電系統(tǒng)技術結合起來，其核心是電機技術［6-7］，既包含電動機又包含發(fā)電機。

（2）電力分配和變換技術：包含電能的分配和變換，其技術主線核心就是電力電子技術［8-10］。

（3）系統(tǒng)集成架構和熱管理技術：包含電力系統(tǒng)架構設計、集成與熱管理技術，其技術主線核心就是系統(tǒng)架構和電網(wǎng)絡技術［11］。

（4）能量儲存技術：主要是電池技術，也就是電池里面存儲的能量密度，其核心就是能量存儲技術［12］。

圖4 飛機電力系統(tǒng)技術分布圖Fig.4 Distribution of aircraft power system technology

將電力系統(tǒng)的四個部分用核心技術來表達就是電機技術、電力電子技術、架構和電網(wǎng)絡技術、能量存儲技術。

3 飛機的能源逐步實現(xiàn)電氣化

在航空業(yè)過去的幾十年發(fā)展中，民用航空業(yè)發(fā)展使國際社會發(fā)生改變，實現(xiàn)了民用航空經(jīng)濟高效和安全舒適的全球運輸產(chǎn)業(yè)鏈。由于航空新技術的不斷進步和市場需求的根本推動，航空固定翼飛機和旋翼飛機經(jīng)過幾代航空人艱苦卓絕的努力，使民用航空運輸業(yè)保持了持續(xù)的增長，近年來民用航空運輸?shù)目瓦\量更是以4.5%的復合年增長率在增長，預計未來民用航空業(yè)會以同樣的增長率快速前進［13］。

民用航空運輸業(yè)的持續(xù)增長必然會帶來越來越嚴重的環(huán)境污染問題，除非航空業(yè)采取新的技術措施，否則世界航空業(yè)制定的減排目標，將會使民用航空業(yè)的增長率受到限制。民用飛機的大量應用會影響世界的整個環(huán)境氣候（通過CO2排放）、當?shù)氐目諝赓|量（NOx，未燃燒的碳氫化合物和顆粒物排放），并且產(chǎn)生大量的噪聲。民用航空業(yè)正在大力進行技術創(chuàng)新的投入，以突破航空業(yè)在上述方面所面臨的問題，降低民用航空業(yè)對整個世界環(huán)境造成的影響。

減少航空業(yè)的污染排放，降低對世界環(huán)境造成的影響，在飛機中增加電能使用是非常具有吸引力的措施，由于電能為飛機優(yōu)化提供了新的機會，可以大幅度減少飛機對環(huán)境的影響。這些措施包括提高電力系統(tǒng)效率、減少電力系統(tǒng)的重量和體積，同時增加系統(tǒng)功能。隨著飛機系統(tǒng)的多電化和飛機級設計的優(yōu)化，將使飛機的可靠性和可維護性大幅提高，飛機的總成本大幅降低，并且可以進一步提高飛機的安全性。

在顛覆性的飛機概念創(chuàng)新設計中，飛機的電能將被用于提供飛機推進的推力。這就是新能源電動飛機技術，該項技術將會極大地改變現(xiàn)有的飛機供應鏈，并促進許多新技術產(chǎn)品進入新市場的機會。不采用這項新的顛覆性的創(chuàng)新技術，將不可能實現(xiàn)世界航空業(yè)和歐洲委員會2050年的環(huán)境目標。用于新飛機的顛覆性創(chuàng)新技術包括混合動力和電力推進技術［14-15］。飛機電力系統(tǒng)中創(chuàng)新技術（例如高壓、兆瓦級的獨立電網(wǎng)系統(tǒng)）的問世，被廣泛認為有可能在未來推出具有先進混合動力或電力推進技術的新型飛機平臺上應用。此外，使用電力推進系統(tǒng)的推力產(chǎn)生技術可以為飛機能量存儲、能量轉換和推進系統(tǒng)推力的分配提供更高的靈活性，從而實現(xiàn)飛機整體性能的最優(yōu)，使飛機具有更高的燃油效率和更低的運行噪聲。

從飛機能量優(yōu)化利用的角度出發(fā)，飛機的電力系統(tǒng)的發(fā)展分為兩種技術趨勢：一是飛機的二次能源系統(tǒng)向著多電、全電化的趨勢發(fā)展（即多電、全電飛機技術）；二是飛機一次能源逐步從傳統(tǒng)能源形式發(fā)展到混合動力能源再到電能源的趨勢發(fā)展。飛機二次能源的多電化，對常規(guī)液壓、氣壓、機械能源的需求量逐步減少，飛機二次能源朝著更多電能方向邁進。飛機一次能源從混合動力到電力推進的顛覆性技術的方向發(fā)展（即電動飛機技術），使得飛機電力系統(tǒng)從傳統(tǒng)飛機的二次能源朝著飛機一次能源轉變，電能源的發(fā)展方向發(fā)生了根本性的轉變。這種轉變使飛機電能源的功率量級發(fā)生數(shù)量級的變化，將迫切需要研究具有高功率密度和小體積重量的大功率電機、高效的高能量密度電能存儲技術等［12，16］。這些技術是未來解決航空業(yè)環(huán)境問題的關鍵推動力。

飛機電力系統(tǒng)的這兩種發(fā)展趨勢，創(chuàng)造出飛機新的市場需求，顯著提高了現(xiàn)有飛機整體效率。這些新市場需求包括電動航空的城市航空運輸和低排放或零排放的區(qū)域航空運輸，為了適應新市場的這種變化，城市需要建設許多小型機場，開發(fā)更多的區(qū)域中型電動和混動飛機，以提高飛機的燃油效率、減少對環(huán)境造成的影響。

通過研究未來飛機平臺（傳統(tǒng)的和顛覆性的）對電力系統(tǒng)的技術發(fā)展需求，考慮國際航空業(yè)的市場發(fā)展，對應飛機電力系統(tǒng)兩種發(fā)展趨勢，開展了目前交付的飛機和未來架構飛機所需的電力系統(tǒng)技術評估，梳理出一些急需解決的關鍵技術挑戰(zhàn)，為我國航空工業(yè)飛機電力系統(tǒng)的技術發(fā)展找出明確的方向。

4 多電飛機技術

飛機二次能源系統(tǒng)（液壓、氣壓、機械）逐步實現(xiàn)用電能來替代，是飛機電力系統(tǒng)逐步向多電、全電飛機技術發(fā)展的第一步，具體方案如圖5所示。

圖5 多電、全電飛機的方案圖Fig.5 Diagram of more-electric and all-electric aircraft

多電飛機技術利用飛機的電力系統(tǒng)和機電系統(tǒng)的技術發(fā)展優(yōu)勢，通過減小飛機系統(tǒng)的尺寸、重量和功耗來提高系統(tǒng)的運營效率。這項技術通過更高效、更輕便的電力系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的飛機氣動和液壓系統(tǒng)，從而實現(xiàn)飛機系統(tǒng)的高效，減少飛機的污染排放和更為簡化的飛機整體架構［1，3］，提高了飛機的可靠性和健康管理性能，降低了飛機維護成本，簡化了飛機維護流程。

多電飛機技術的優(yōu)點如下：

（1）提高了飛機電力系統(tǒng)效率；

（2）減小了飛機系統(tǒng)的重量和體積；

（3）提高了飛機可靠性；

（4）改善了飛機可維護性；

（5）增加了新功能，對系統(tǒng)級進行優(yōu)化；

（6）降低了飛機成本，經(jīng)濟效益顯著。

由于多電飛機技術有上述優(yōu)點，使得飛機有更低的燃油消耗、更少的排放和更低的總成本。為此，需要飛機電力系統(tǒng)技術從飛機的頂層系統(tǒng)設計和綜合集成等方面來綜合考慮。多電飛機技術系統(tǒng)框圖如圖6所示，這些系統(tǒng)被分配到四個特定的飛機電力系統(tǒng)的關鍵技術領域。按飛機電力系統(tǒng)技術發(fā)展中所強調的那樣，這些技術需要在特定主題上進行大量投資，以開發(fā)出更多的多電、電動飛機。

圖6 多電飛機技術方框圖Fig.6 Diagram of more power aircraft technology

在最新的多電飛機技術上，除了飛機的推進系統(tǒng)外，飛機系統(tǒng)大多將采用電能來驅動，飛機還具有電能存儲功能。這一概念可使飛機上的能源系統(tǒng)使用進行重新平衡，并在飛機不同的飛行階段進行優(yōu)化，從而可以充分利用多電飛機系統(tǒng)的技術優(yōu)勢。當前的多電飛機技術主要包含電力駕駛艙、電力環(huán)境、電力作動、電力剎車、電力防除冰系統(tǒng)以及各種電力的輔助設備控制。例如在波音787飛機上已經(jīng)實現(xiàn)發(fā)動機起動/發(fā)電功能，極大減輕了飛機的重量，提高了飛機的效率［12］。因此多電飛機的電力系統(tǒng)集成是其關鍵成果之一。飛機的液壓系統(tǒng)用電力系統(tǒng)替代更具有挑戰(zhàn)性，目前應用較多的是分布式電動液壓系統(tǒng)，以取代笨重、不可靠的集中式液壓系統(tǒng)（其中部分已經(jīng)在空客A380和波音B787飛機上實現(xiàn)）［3］。多電飛機技術改進升級、現(xiàn)有飛機傳統(tǒng)系統(tǒng)的技術挑戰(zhàn)如圖7所示，其中電機、功率電子變換器和電力分配系統(tǒng)功率密度的提高將是多電飛機技術在飛機上推廣應用的關鍵推動力。多電飛機技術也將改進旋翼飛機，其中電力尾旋翼、更輕的電力作動器等附件的技術進步是旋翼飛機實現(xiàn)多電技術的關鍵。

圖7 飛機電氣化的應用情況Fig.7 Application conditions of aircraft electricity

5 飛機混合動力和電力推進系統(tǒng)

飛機混合動力推進系統(tǒng)技術正在開展大規(guī)模的研究［2，6］，準備應用于未來的大型商用飛機上。飛機的混合動力將燃氣渦輪發(fā)動機、發(fā)電系統(tǒng)和電能存儲系統(tǒng)結合在一起，共同推進飛機的渦輪風扇或螺旋槳。飛機的電力推進系統(tǒng)是飛機推進完全依賴于電力的推進系統(tǒng)，而該推進的電力是由燃料電池、鋰離子電池和超級電容器系統(tǒng)中存儲的電能產(chǎn)生［5，12，17］。

飛機的混合動力系統(tǒng)可分為并聯(lián)混合動力系統(tǒng)和串聯(lián)混合動力系統(tǒng)［14］，并聯(lián)混合動力系統(tǒng)利用電池或燃料電池存儲的電能為電動機提供動力，電動機和發(fā)動機一起產(chǎn)生飛機的推進推力，電動機是輔助推力用來補充或替代使用常規(guī)燃料的渦輪發(fā)動機的不足。飛機額外的電能可以用于在飛機加速或者在飛機高功率需求時的推力補充，也可以在飛機的電機和電池之間實現(xiàn)雙向功率傳遞。

電動輔助功能包括在燃氣渦輪機殼體內合并電動機/發(fā)電機，以形成飛機的輕度混合動力系統(tǒng)，從而最大程度地減少飛機對發(fā)動機及其他機械零件的改動［14］。這個方案使得發(fā)動機成為減少CO2排放的有前途且經(jīng)濟實用的短期解決方案，并且可能在小型支線飛機和大型客機的開發(fā)計劃中投入使用。

并聯(lián)混合動力系統(tǒng)允許在發(fā)動機和電力系統(tǒng)中進行獨立運行和優(yōu)化，可實現(xiàn)兩個系統(tǒng)之間功率共享的獨立設計。由于混合動力系統(tǒng)有兩套推進系統(tǒng)，結構相對復雜，限制了飛機的整體設計，飛機發(fā)動機安裝位置由推進器來確定，并且在某些飛行區(qū)域中發(fā)動機可能未在其最佳設計條件下運行?；旌蟿恿ο到y(tǒng)的關鍵技術挑戰(zhàn)是提高電機、電力電子設備的效率，電能存儲的能量密度以及電力系統(tǒng)的保護和容錯能力。并聯(lián)混合動力方框圖如圖8所示。

圖8 并聯(lián)混合動力系統(tǒng)原理框圖Fig.8 Diagram of parallel hybrid power system

在串聯(lián)混合動力推進配置中，渦輪軸或渦輪發(fā)動機的能量通過驅動推進系統(tǒng)的發(fā)電機轉換為電能。電能驅動電動機帶動風扇產(chǎn)生推力，這種推力可以由一個或多個分布式風扇提供，而每個風扇都由電動機驅動。渦輪發(fā)動機僅用于發(fā)電，其直接用于為傳遞推進力的電動機提供動力，或者為飛機的電能存儲系統(tǒng)（如果基于電池）充電。當飛機需要峰值推進功率時，或者當不需要發(fā)動機工作的時候，電能將從能量存儲系統(tǒng)中直接輸送出來。串聯(lián)混合動力允許在系統(tǒng)級別對飛機進行優(yōu)化，并以較低的總重量實現(xiàn)飛機的高效運行，如圖9所示。

圖9 串聯(lián)混合動力系統(tǒng)原理框圖Fig.9 Diagram of cascade hybrid power system

串聯(lián)混合動力系統(tǒng)使發(fā)動機在其最佳狀態(tài)和更高效率的情況下運行，能夠優(yōu)化飛機分布式推進系統(tǒng)。但是，從總體上來看，串聯(lián)混合動力系統(tǒng)重量更重，整體效率相對于并聯(lián)混合動力系統(tǒng)要低。

每種混合動力系統(tǒng)的解決方案都可以應用于所考慮的三種情況，在每種情況下上述方案都有不同的優(yōu)勢和局限性。實際應用哪種解決方案完全取決于飛機執(zhí)行任務情況。

高效的電能存儲技術是飛機電力推進系統(tǒng)的關鍵，而電力電子技術也非常重要，由于電力電子設備需要非常高的效率、低熱損耗和良好的冷卻。

當飛機的推動力用電力推進系統(tǒng)的推力取代了發(fā)動機推力，飛機就可以實現(xiàn)無排放飛行，這在人口密度高的地區(qū)（例如城市）具有很大吸引力。但是，目前由于受到電池能量存儲密度的限制，電力推進的電動飛機僅在小型飛機或城市區(qū)域有限的空間內飛行，還不能在中距離和較遠距離的飛行航段上使用。根據(jù)飛機需要提供峰值功率需求的能量，電池也可以與超級電容器結合起來使用。燃料電池可以為飛機提供更大的飛行推動力，但目前其重量仍然很重，并且在航空飛行應用中沒有得到充分的驗證。

電力推進技術的快速發(fā)展是由市場需求和國際民航運輸業(yè)的國際法規(guī)及環(huán)境因素要求而推動，而不是由飛機降低成本的要求推動。目前電力推進技術的一些應用在技術上已經(jīng)接近可行，例如城市航空運輸。在航空運輸業(yè)的其他領域，仍然需要進行重大的技術創(chuàng)新，如電池能量存儲密度（關鍵），高效高功率密度的電機和電力電子設備等［6］，電力推進系統(tǒng)原理如圖10所示。

飛機電力推進系統(tǒng)能源結構發(fā)展如圖11所示，可以看出：飛機混合動力系統(tǒng)和電力推進系統(tǒng)是飛機一次能源的逐步電動化過程，飛機飛行的動力由傳統(tǒng)飛機的燃油產(chǎn)生發(fā)展到由燃油的電能來共同產(chǎn)生，即混合動力飛機；飛機飛行的動力由傳統(tǒng)飛機的燃油產(chǎn)生發(fā)展到由電能來產(chǎn)生，即電力推進飛機。

圖10 飛機電力推進系統(tǒng)原理框圖Fig.10 Diagram of aircraft power propulsion system

圖11 飛機電力推進系統(tǒng)能源結構發(fā)展圖Fig.11 Diagram of energy structure development of air?craft power propulsion system

電力推進飛機的具體方案圖如圖12所示，一次能源是由電能來實現(xiàn)，飛機的推動力由電能產(chǎn)生（鋰離子電池、燃料電池和超級電容等電能存儲形式）。鄒寧等［18］以天翼1無人機為研究對象實現(xiàn)了電動化改造，計算了電推進系統(tǒng)中電動機和鋰電池組的主要參數(shù)。

圖12 電動飛機的方案圖Fig.12 Diagram of power aircraft scheme

6 飛機電動化技術面臨的挑戰(zhàn)

飛機電動化是一個逐步發(fā)展的過程，在發(fā)展過程中各個階段都面臨著不同的技術挑戰(zhàn)。本文列舉了架構和電網(wǎng)技術、能量存儲技術、電機技術、電力電子技術四個主要技術領域來說明電力推進系統(tǒng)關鍵領域的相關挑戰(zhàn)的程度，如圖13所示。

圖13 飛機電動化的技術挑戰(zhàn)Fig.13 Technology challenge of aircraft electromotion

7 電動化技術及其發(fā)展思路

7.1 電動化技術

飛機電動化和獨立自主性的結合可以實現(xiàn)飛機新的機動性概念［3，19］，例如用于城市航空運輸?shù)阮I域的自主電動飛機“VTOL”，其已經(jīng)針對具有有限能力的1～4乘客電動“VTOL”交通運輸工具開展了多個項目的研發(fā)。這些新概念的運輸工具將與傳統(tǒng)的出租車行業(yè)展開競爭，因此其必須具備運輸價格便宜和使用方便的特點。由于目前的運輸工具噪聲及污染排放大，是城市生活環(huán)境中面臨的關鍵問題。而這些新的技術平臺將依靠電力推進系統(tǒng)來運行，使城市污染排放、噪聲大為降低，因而得到人們的認可和應用。

7.2 發(fā)展思路

從飛機電動化各個關鍵環(huán)節(jié)面臨的技術挑戰(zhàn)進行梳理，可以總結出四個主要關注的核心技術領域和具體的關鍵技術。

7.2.1 飛機電力系統(tǒng)架構和電網(wǎng)絡技術

主要是飛機系統(tǒng)的總體設計，以適應飛機電能大功率的需求，飛機電網(wǎng)采用高壓輸電，最大限度地減少電能損耗，同時飛機電網(wǎng)實現(xiàn)高水平健康管理和可靠保護功能［11］。

關鍵技術：

（1）飛機電力系統(tǒng)架構仿真飛機技術；

（2）飛機電力系統(tǒng)架構設計與優(yōu)化技術；

（3）飛機推進技術；

（4）飛機電網(wǎng)絡穩(wěn)定、可靠設計技術；

（5）飛機電力系統(tǒng)保護技術；

（6）飛機電力系統(tǒng)高壓絕緣技術。

7.2.2 飛機電能存儲技術

飛機要在體積小、重量輕的儲能設備中存儲足夠電能，就需要提高儲能設備能量存儲密度，這些儲能設備要具有成本低、效率高、壽命長的特點，同時還要提高儲能設備的充放電效率［12］。

關鍵技術：

（1）高能量密度存儲技術；

（2）能量產(chǎn)生技術；

（3）能量管理技術；

（4）電能存儲所需要技術設施。

7.2.3 電機技術

高功率密度、高效的電機是飛機電動化的關鍵，可以產(chǎn)生飛機飛行所需大功率能量，是飛機前進提供推進推力的發(fā)動機［6-7］。同時許多小電機也是飛機飛行操縱動力的部件。

關鍵技術：

（1）高效、高功率密度、大扭矩的電動機推進技術；

（2）高效、高功率密度的發(fā)電機技術；

（3）各種電機的拓撲技術；

（4）高效的變壓器設計技術；

（6）各種高效、靈巧的電力作動技術。

7.2.4 電力電子技術

飛機上大量使用電力電子設備，要求其損耗小、重量輕、耐高溫，用于實現(xiàn)飛機上的電力變換、電力控制和電力調節(jié)等功能，向飛機提供高質量大功率電力能源［8-10］。

關鍵技術：

（1）電力電子變換技術；

（2）電力系統(tǒng)控制技術；

（3）電力系統(tǒng)健康管理與監(jiān)控技術；

（4）電力電子固態(tài)開關技術。

飛機電動化要從上述四個方面進行優(yōu)化設計和攻關，它們是飛機電動化的核心與關鍵，把這四個方面核心技術分析清楚，飛機電動化將會取得成功。

8 航空電動化的市場分析

飛機電動化的技術開發(fā)適用于一系列市場領域，包括商用和軍事應用的航空領域。目前在混合動力旋翼飛機、傾斜旋翼飛機、性能優(yōu)化公務機、高效的貨運飛機、主流商用客機和城市內的小型飛機上都廣泛使用電動化技術。在大型商用航空運輸領域，飛機的電動化有兩種截然不同的應用方向：一是采用當前常規(guī)架構趨勢多電飛機技術的電氣化持續(xù)增長［20-21］；二是采用各種級別的電力推進技術來支持潛在的新市場應用［1，3］，包括混合動力飛機（乘客大于20個座位級）和有航程限制的適用于所有電動化技術（乘客小于20個座位）的單通道飛機，以及其他新概念飛機，例如用于城市航空運輸?shù)碾妱哟怪逼鸾碉w機（VTOL）等。

混合動力和電動化技術架構的飛機市場拓展和廣泛應用取決于這兩項技術的成熟和合格穩(wěn)定產(chǎn)品的推出，這些技術可以滿足航空領域對特定的尺寸、重量、功率和安全性要求。但支持這些技術的航空體系還會遇見更廣泛的問題，例如航空的法律法規(guī)和航空地面的基礎設施等。這些問題的解決，將決定著上述技術應用和市場發(fā)展的步伐?？梢钥紤]幾種構型的飛機同時存在，以確定上述技術何時進入市場比較合適。

新飛機交付市場有各種可能的方案，但不包括旋翼飛機或公務機。目前以最保守的情況估計，在窄體和寬體飛機的細分市場中將保留傳統(tǒng)架構技術，混合動力和電動飛機應用都僅限于城市內的區(qū)域和次區(qū)域平臺。在這些平臺的未來升級中，電動化程度有限的傳統(tǒng)架構仍然將保留大部分市場價值。

飛機按平臺類型劃分的收入如圖14所示，其中考慮了可能在2030年左右引入混合動力電動支線飛機的情況，該飛機的座位超過20個，電力推進的支線飛機座位低于20個；還考慮了2035—2040年引入混合電動飛機窄體平臺的情況，以及2040年以后潛在混合動力電動寬體飛機的情況。這些平臺市場拓展可以通過相關新技術的采用來實現(xiàn)。中國的航空工業(yè)要想在世界航空市場上立足就需要確保在這些新技術的發(fā)展上已經(jīng)做好充分的準備。

圖14 飛機按平臺類型劃分的收入圖Fig.14 Income diagram of aircraft according to platform types

從圖14可以看出：傳統(tǒng)平臺仍將保持最大的累積市場價值，超過約5.6萬億英鎊，但是到2050年，其數(shù)量和價值將逐漸下降［22］；緊隨其后的是價值約3.5萬億英鎊的多電飛機技術呈上升趨勢。值得注意的是，多電飛機技術的架構發(fā)展不受與混合動力或電力推進架構相同挑戰(zhàn)規(guī)模的限制，從而提供了更多明確的市場機會。在這種情況下，最大的收益將是在此期間交付的混合動力電動飛機，價值約4萬億英鎊。銷量的大幅度增長將由傳統(tǒng)地區(qū)和單一品種向混合動力方向轉變。技術的可用性還可能會引入所有不到20個座位的電動子區(qū)域，這可能會開辟新的區(qū)域航空旅行航線，這些飛機的價值在此預測期內可能超過約4 000億英鎊［22］。傳統(tǒng)和新技術的市場份額圖如圖15所示。

圖15 傳統(tǒng)和新技術的市場份額圖Fig.15 Market shares of traditional and new technology

要注意常規(guī)平臺市場，即使在這種快速發(fā)展的情況下，常規(guī)平臺仍將保留超過5.6萬億英鎊的市場，但是到2050年，其數(shù)量和價值將逐漸下降［22］。隨著電動技術的發(fā)展，電力系統(tǒng)的發(fā)展也具有重要價值，尤其是隨著電力系統(tǒng)價值的增加，可以過渡到多電技術的架構，隨后再到混合動力和電力推進的架構。

電力系統(tǒng)的價值比圖如圖16所示，可以看出：到2050年的預測期間內，飛機電力系統(tǒng)中傳統(tǒng)飛機的總價值預計將達到1 620億英鎊，多電飛機將達到1 920億英鎊，混合電動飛機將達到5 780億英鎊，電動飛機平臺將達到約1 270億英鎊。

圖16 電力系統(tǒng)的價值比圖Fig.16 Price-to-value ratio of power system

9 結束語

飛機的電動化可分為兩大技術趨勢：一個趨勢是飛機的二次能源逐步向用電能來代替其他能源的方向發(fā)展，減少了飛機對傳統(tǒng)液壓和氣動系統(tǒng)的需求；另一個趨勢是飛機一次能源向混合動力或電力推進的方向發(fā)展。

飛機電動化將改變未來航空市場，為中國航空工業(yè)進入世界航空市場競爭帶來了重大機遇，飛機電動化將為飛機電力系統(tǒng)供應商創(chuàng)造出新的廣闊航空市場領域。

如果我國要在這個新的航空市場占有一席之地，則需要在飛機電力系統(tǒng)研究和技術上進行大量人力和物力投資。我國應制定明確的國家飛機電動化技術投資計劃，重點建設高水平飛機電動化技術的電力系統(tǒng)集成和測試設施平臺，以支持我國飛機電動化技術的集成和測試，提高我國飛機電動化的技術水平。

飛機電動化技術是未來飛機的發(fā)展方向，是減少污染排放、降低噪聲和滿足國際社會未來發(fā)展的必由之路，也是我國承諾實現(xiàn)碳排放標準的關鍵推動力。相信未來隨著我國電動飛機產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展壯大，帶動整個人類社會朝著綠色、清潔和安全的方向邁進。