NASA電推進(jìn)技術(shù)研究進(jìn)展

傳統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)的燃油效率提升在未來將面臨極限，需要探索新的航空推進(jìn)系統(tǒng)解決方案，以應(yīng)對(duì)氣候變化的挑戰(zhàn)。在眾多的解決方案中，電推進(jìn)技術(shù)能夠提高效率、降低排放和噪聲，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

美國國家航空航天局（NASA）認(rèn)為，電推進(jìn)技術(shù)是非常有潛力的動(dòng)力解決方案之一并開展了多項(xiàng)研究，包括純電/混合電推進(jìn)技術(shù)的多個(gè)飛機(jī)項(xiàng)目、燃料電池概念探索、電推進(jìn)技術(shù)驗(yàn)證的試驗(yàn)設(shè)施的建設(shè)等。

混合電推進(jìn)飛機(jī)概念

在混合電推進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域，NASA先后開展了多個(gè)飛機(jī)項(xiàng)目，并對(duì)其進(jìn)行了分析和研究。2008年，NASA提出采用渦輪電分布式推進(jìn)（TeDP）系統(tǒng)的N3-X飛機(jī)概念，對(duì)TeDP系統(tǒng)進(jìn)行了循環(huán)分析，對(duì)電力部件的質(zhì)量和效率問題進(jìn)行了研究，并對(duì)噪聲和排放進(jìn)行了評(píng)估。2016年，NASA開始研制帶后部邊界層推進(jìn)的單通道渦輪電動(dòng)飛機(jī)（STARCABL），其縮比概念機(jī)已經(jīng)在NASA電動(dòng)飛機(jī)試驗(yàn)臺(tái)（NEAT）上進(jìn)行了首次地面試驗(yàn)，并且對(duì)該飛機(jī)的推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分析。2017年，NASA提出一種稱為采用協(xié)同利用方案的并聯(lián)電-燃?xì)饨Y(jié)構(gòu)（PEGASUS）的支線客機(jī)概念，推進(jìn)系統(tǒng)采用并聯(lián)混合電推進(jìn)結(jié)構(gòu)。2019年，NASA提出帶前緣嵌入式分布單通道渦輪電飛機(jī)（STARC-LEED）概念，推進(jìn)系統(tǒng)為TeDP系統(tǒng)，旨在研究分布式混合電推進(jìn)系統(tǒng)飛機(jī)的機(jī)翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以彌補(bǔ)相比常規(guī)飛機(jī)機(jī)翼額外增加的系統(tǒng)質(zhì)量，之后采用有限元分析模型，對(duì)STARC-LEED概念飛機(jī)的兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究和分析，以確定與常規(guī)結(jié)構(gòu)相比，嵌入式方法是否具有結(jié)構(gòu)質(zhì)量優(yōu)勢(shì)。

純電推進(jìn)飛機(jī)

2016年，NASA在可拓展收斂電力技術(shù)作戰(zhàn)研究（SCEPTOR）飛行驗(yàn)證項(xiàng)目下，對(duì)泰克南（Tecnam）P2006T飛機(jī)進(jìn)行改裝，使其采用分布式電推進(jìn)（EDP）技術(shù)，并將該飛機(jī)稱為SCEPTOR驗(yàn)證機(jī)。SCEPTOR項(xiàng)目分為4個(gè)階段：第一階段，試驗(yàn)P2006T飛機(jī)基本性能，并對(duì)分布式電推進(jìn)系統(tǒng)的機(jī)翼（來自于LEAPTech飛機(jī)項(xiàng)目）進(jìn)行地面試驗(yàn)；第二階段，P2006T飛機(jī)結(jié)構(gòu)（包括機(jī)翼）采用試驗(yàn)電力系統(tǒng)和定制巡航電動(dòng)機(jī)進(jìn)行改裝，對(duì)電動(dòng)機(jī)、電池及其他相關(guān)設(shè)備的性能進(jìn)行試驗(yàn)；第三階段，采用較薄的大展弦比復(fù)合材料機(jī)翼替換P2006T飛機(jī)的原始機(jī)翼，巡航電動(dòng)機(jī)移動(dòng)至翼尖位置，同時(shí)在左右機(jī)翼前緣各安裝6個(gè)升力電動(dòng)機(jī)短艙（無電動(dòng)機(jī)和螺旋槳），試驗(yàn)新型機(jī)翼及翼尖推進(jìn)方案的減阻效果；第四階段，在12個(gè)升力電動(dòng)機(jī)短艙上安裝電動(dòng)機(jī)和螺旋槳，試驗(yàn)飛機(jī)的低速性能以及分布式電推進(jìn)系統(tǒng)的升力效果。

SCEPTOR驗(yàn)證機(jī)階段

2017年，NASA將SCEPTOR驗(yàn)證機(jī)改名為X-57麥克斯韋飛行驗(yàn)證機(jī)。該飛機(jī)包括兩臺(tái)大功率巡航電動(dòng)機(jī)（每臺(tái)功率為60kW）和12臺(tái)小功率升力電動(dòng)機(jī)（每臺(tái)功率為9kW），二者均由機(jī)上的鋰離子電池供電。兩臺(tái)巡航電動(dòng)機(jī)分別位于左右機(jī)翼翼尖，為飛機(jī)的主要?jiǎng)恿ρb置，通過驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直徑為1.52m的大型螺旋槳，為處于巡航階段的飛機(jī)提供動(dòng)力。12臺(tái)升力電動(dòng)機(jī)位于左右機(jī)翼前緣，在每側(cè)機(jī)翼上沿翼展分別安裝6臺(tái)，通過驅(qū)動(dòng)自帶的12臺(tái)螺旋槳，用于在起降階段增加飛機(jī)的升力。NASA研究了兩種類型分布式推進(jìn)技術(shù)的氣動(dòng)推進(jìn)效益：翼尖安裝巡航螺旋槳用于回收或減少機(jī)翼渦流能量，在巡航時(shí)降低阻力；前緣高升力螺旋槳用于低速時(shí)提高升力，巡航時(shí)更高效。該研究表明，X-57驗(yàn)證機(jī)的性能能夠滿足計(jì)劃目標(biāo)。

X-57飛機(jī)的地面狀態(tài)、起飛狀態(tài)、巡航狀態(tài)

2018年，NASA在巡航和起飛/著陸條件下對(duì)X-57的機(jī)翼進(jìn)行計(jì)算研究，預(yù)測(cè)X-57飛機(jī)的部件性能。2020年，NASA采用新的電池模型，對(duì)X-57飛機(jī)的電池進(jìn)行了評(píng)估，這也有助于電池技術(shù)的發(fā)展。研究結(jié)果表明，對(duì)于特定的優(yōu)化任務(wù)，X-57飛機(jī)電池能量傳遞到軸的平均效率為77.3%。考慮到25%的電池容量，在任務(wù)期間，只有接近一半的原始55.3kW·h標(biāo)稱電池組能量可以轉(zhuǎn)化為有用功。2020年3月，NASA展示了X-57飛機(jī)的最終布局包括大展弦比機(jī)翼和直徑為1.5m的翼尖螺旋槳。NASA計(jì)劃在2022年秋天進(jìn)行X-57的飛行試驗(yàn)。

燃料電池技術(shù)

2003年，NASA探索了幾種燃料電池，為純電飛機(jī)提供動(dòng)力，以顯著降低排放或?qū)崿F(xiàn)零排放。這幾種燃料電池包括液態(tài)氫質(zhì)子交換膜（PEM）燃料電池、甲醇PEM燃料電池和固體氧化物混合燃料電池。NASA評(píng)估了這幾種燃料電池對(duì)小型飛機(jī)起飛質(zhì)量和航程的影響，發(fā)現(xiàn)固體氧化物混合燃料電池顯示出最大的潛力。

2012年，NASA探索了為超輕型通用純電動(dòng)直升機(jī)提供動(dòng)力的燃料電池，以實(shí)現(xiàn)與內(nèi)燃機(jī)相當(dāng)?shù)男阅?。該?xiàng)研究選用的是兩座的羅賓遜R22直升機(jī)，推進(jìn)系統(tǒng)采用純電動(dòng)力代替原來的活塞發(fā)動(dòng)機(jī)。推進(jìn)系統(tǒng)包括高壓質(zhì)子交換膜燃料電池、儲(chǔ)存罐內(nèi)的氫燃料、鋰電池和交流同步永磁電動(dòng)機(jī)。NASA設(shè)計(jì)了3種推進(jìn)系統(tǒng)模型，包括只有鋰電池的、只有燃料電池的和兩種電池混合的。在3個(gè)基本任務(wù)下，NASA評(píng)估了純電推進(jìn)直升機(jī)，并對(duì)3種推進(jìn)系統(tǒng)模型的性能進(jìn)行了研究，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：如果能將電動(dòng)汽車技術(shù)應(yīng)用到航空中，電推進(jìn)系統(tǒng)的單位功率將接近目前配裝R22直升機(jī)的活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的一半，但效率是后者的兩倍；在溫度控制較好的情況下，鋰電池在直升機(jī)懸停最高限度下表現(xiàn)最優(yōu)，在壓力控制較好的情況下，燃料電池在直升機(jī)巡航時(shí)最佳，因此在目前的技術(shù)下，燃料電池用于巡航、鋰電池用于懸停的組合方案為最優(yōu)解；直升機(jī)純電推進(jìn)的唯一障礙是高扭矩低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子的運(yùn)行，對(duì)電動(dòng)機(jī)來說，高扭矩低轉(zhuǎn)速從數(shù)量級(jí)上說是不可行的。

有速度控制和扭矩控制反饋結(jié)構(gòu)的單線電力網(wǎng)格模擬器

HEIST系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電推進(jìn)技術(shù)試驗(yàn)設(shè)備

NASA投資了多項(xiàng)電推進(jìn)技術(shù)的試驗(yàn)設(shè)備，包括推進(jìn)電力網(wǎng)格模擬器（PEGS）、混合電集成系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)（HEIST）和電推進(jìn)飛機(jī)試驗(yàn)臺(tái)（NEAT），進(jìn)行長期單通道混合燃?xì)怆娡七M(jìn)飛機(jī)部件和系統(tǒng)研究。此外，NASA還開發(fā)了Airvolt電推進(jìn)試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行EDP技術(shù)驗(yàn)證。這些設(shè)備補(bǔ)充了相關(guān)工業(yè)能力，包括較高技術(shù)成熟度（TRL）的飛行動(dòng)態(tài)/氣動(dòng)性集成、動(dòng)態(tài)電力網(wǎng)格管理和較低TRL的超導(dǎo)部件試驗(yàn)。

推進(jìn)電力網(wǎng)格模擬器

2014，NASA根據(jù)固定翼計(jì)劃（SFW）中未來TeDP飛機(jī)的目標(biāo)，開發(fā)電力網(wǎng)格模擬器以仿真TeDP動(dòng)力網(wǎng)格，深度理解系統(tǒng)原理，從而快速分析和驗(yàn)證TeDP電力系統(tǒng)的方案論證。該模擬器由相對(duì)較小且低成本的部件組成，能夠快速分析和驗(yàn)證TeDP電氣系統(tǒng)的方案，并允許對(duì)部件進(jìn)行仿真。PEGS為縮比動(dòng)力系統(tǒng)，包括1組4個(gè)相同的電動(dòng)機(jī)和相關(guān)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)/控制系統(tǒng)，可以將普通電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成獨(dú)特的TeDP電網(wǎng)仿真器，利用半實(shí)物實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真性能。

混合電集成系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)

2016年，NASA開發(fā)了HEIST試驗(yàn)臺(tái)，研究TeDP技術(shù)的功率管理、過渡復(fù)雜性、模塊結(jié)構(gòu)和飛行控制率。該試驗(yàn)臺(tái)可以確定混合電推進(jìn)和分布式電推進(jìn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的成熟度。HEIST設(shè)備包括3輛拖車，包含分布式電推進(jìn)機(jī)翼、電池系統(tǒng)和渦輪發(fā)電機(jī)、測(cè)力計(jì)，并具有電力和通信基礎(chǔ)設(shè)備，所有這些都與NASA阿姆斯特朗研究中心（AFRC）仿真實(shí)驗(yàn)室連接。該試驗(yàn)臺(tái)包括18個(gè)由電池和渦輪發(fā)電機(jī)提供電力的高性能電動(dòng)機(jī)，并由飛行仿真指揮。該試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)包括分布式電推進(jìn)機(jī)翼（包括螺旋槳、電動(dòng)機(jī)、控制器和電纜系統(tǒng)）、電池、渦輪發(fā)電機(jī)、測(cè)力機(jī)、仿真計(jì)算機(jī)、飛行控制計(jì)算機(jī)和座艙。該試驗(yàn)臺(tái)上的螺旋槳為LEAPTech項(xiàng)目的高速傳統(tǒng)螺旋槳（約7000r/min），渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)由于懸掛排放限制和高速螺旋槳固有的危險(xiǎn)需要在戶外開展試驗(yàn)。仿真計(jì)算機(jī)、座艙和SCRAMNet基礎(chǔ)設(shè)施位于AFRC吊架試驗(yàn)間的第2層。這些因素迫使機(jī)翼和渦輪發(fā)電機(jī)要保持靈活性，以便封裝在懸掛環(huán)境中在外面試驗(yàn)，因此NASA將所有移動(dòng)硬件放置在了拖車上。

電推進(jìn)飛機(jī)試驗(yàn)臺(tái)

2016年，NASA建立了NEAT試驗(yàn)臺(tái)，用于飛行前的全尺寸電推進(jìn)系統(tǒng)的部件開發(fā)和驗(yàn)證。該試驗(yàn)臺(tái)的主要目的是開展大功率常溫和低溫飛行質(zhì)量電推進(jìn)系統(tǒng)試驗(yàn)，使高壓總線結(jié)構(gòu)、大功率兆瓦級(jí)逆變器和整流器、大功率兆瓦級(jí)電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)、系統(tǒng)通信、系統(tǒng)電磁干擾緩解和標(biāo)準(zhǔn)、系統(tǒng)故障保護(hù)和系統(tǒng)熱管理等技術(shù)部件達(dá)到TRL 6。先進(jìn)飛行器計(jì)劃、先進(jìn)空運(yùn)技術(shù)項(xiàng)目、混合燃?xì)怆妱?dòng)子項(xiàng)目都需要通過該試驗(yàn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)未來單通道商用電動(dòng)飛機(jī)的技術(shù)開發(fā)目標(biāo)。在功率為125kW和250kW時(shí)，NEAT試驗(yàn)臺(tái)已經(jīng)通過安全審查和運(yùn)行，驗(yàn)證和完善了電推進(jìn)飛機(jī)的戰(zhàn)略，可以模擬渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)集成發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)推進(jìn)風(fēng)扇。這些是混合電推進(jìn)和渦輪電推進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)鍵，能夠試驗(yàn)未來更大功率、更大電壓和結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜的全尺寸系統(tǒng)。

NEAT試驗(yàn)臺(tái)填補(bǔ)了大功率、大尺寸、飛行質(zhì)量動(dòng)力系統(tǒng)部件和系統(tǒng)開發(fā)試驗(yàn)臺(tái)的空白。整個(gè)電推進(jìn)飛機(jī)系統(tǒng)的TRL將穩(wěn)定前進(jìn)，從縮比部件開發(fā)，到全尺寸單通道混合燃?xì)怆娡七M(jìn)飛機(jī)驗(yàn)證機(jī)。為了安全，試驗(yàn)臺(tái)的控制室遠(yuǎn)離試驗(yàn)臺(tái)約402m。這種安全級(jí)別，加上該試驗(yàn)臺(tái)的遠(yuǎn)程位置，使得在實(shí)際飛行場(chǎng)景下進(jìn)行獨(dú)特的全尺寸動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)的機(jī)會(huì)很多，包括低溫燃料、大翼展、電磁干擾和大功率研究硬件等。

Airvolt電推進(jìn)試驗(yàn)臺(tái)布局

Airvolt電推進(jìn)試驗(yàn)臺(tái)

2016年，NASA開發(fā)Airvolt電推進(jìn)試驗(yàn)臺(tái)，以更好地理解和分析電池產(chǎn)生的電流如何通過總線結(jié)構(gòu)、電動(dòng)機(jī)控制器、電動(dòng)機(jī)和其他設(shè)備為螺旋槳產(chǎn)生推力。該試驗(yàn)臺(tái)主要是用于X-57飛機(jī)的JM-57巡航電動(dòng)機(jī)的驗(yàn)證，收集電動(dòng)機(jī)和逆變器的高保真數(shù)據(jù)，電池系統(tǒng)效率、熱管理和獨(dú)立于制造商報(bào)告值的聲學(xué)值，提升對(duì)未來飛機(jī)電推進(jìn)系統(tǒng)的理解。Airvolt試驗(yàn)臺(tái)可以容納功率為100kW的電動(dòng)機(jī)和螺旋槳直徑為1.8m的小型系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)監(jiān)測(cè)推力和扭矩，以及動(dòng)力源、逆變器和電動(dòng)機(jī)之間的電流和電壓，還有系統(tǒng)的振動(dòng)、溫度和聲學(xué)值等。該試驗(yàn)臺(tái)每秒能測(cè)200萬個(gè)樣本，有助于更好地理解被測(cè)系統(tǒng)。該試驗(yàn)臺(tái)能夠準(zhǔn)確計(jì)算效率、揭示子系統(tǒng)之間的未知關(guān)系、找到電推進(jìn)技術(shù)的確認(rèn)和驗(yàn)證方法。

結(jié)束語

目前，NASA的全電推進(jìn)技術(shù)驗(yàn)證機(jī)X-57取得了一些進(jìn)展，已經(jīng)展示了最終結(jié)構(gòu)并在準(zhǔn)備試飛。多項(xiàng)混合電推進(jìn)飛機(jī)概念尚存在電力系統(tǒng)質(zhì)量大、超導(dǎo)電機(jī)無法實(shí)現(xiàn)和熱管理等技術(shù)挑戰(zhàn)需要應(yīng)對(duì)。在試驗(yàn)設(shè)備領(lǐng)域，NASA建立了應(yīng)用于不同電推進(jìn)技術(shù)驗(yàn)證的試驗(yàn)臺(tái)和試驗(yàn)設(shè)施。作為美國航空領(lǐng)域的技術(shù)引領(lǐng)機(jī)構(gòu)，NASA從飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)、燃料電池、試驗(yàn)設(shè)備等方面對(duì)純電推進(jìn)和混合電推進(jìn)技術(shù)進(jìn)行的開發(fā)、研究和試驗(yàn)，將為電推進(jìn)技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用提供契機(jī)。