2022世界電動系統(tǒng)進展

電推進作為未來碳中和的動力解決方案之一，近年來受到業(yè)界的高度關注。2022年主要動力制造商力圖繼續(xù)維持行業(yè)優(yōu)勢，行業(yè)新進入者則是力爭獲得一杯羹。

電推進領域在2022年一如既往地蓬勃發(fā)展，針對單通道干線、支線、通用飛機的電推進技術和產(chǎn)品繼續(xù)穩(wěn)步推進。各家制造商根據(jù)自己情況對選定的動力細分領域持續(xù)開展研究。GE公司依然鎖定市場價值量最大的窄體客機領域；雷神技術公司則是在支線客機電推進系統(tǒng)領域發(fā)力；羅羅公司推出了一種用于通勤飛機的全新渦輪發(fā)電機；賽峰集團則是關注電動機；霍尼韋爾公司完成了兆瓦級渦輪發(fā)電機首輪測試；初創(chuàng)公司H3X則是瞄準支線客機市場推出其模塊化全電推進系統(tǒng)。電推進系統(tǒng)領域已呈現(xiàn)百花齊放、百舸爭流之勢。

GE公司——軍民并進，穩(wěn)固窄體客機市場

推動窄體飛機兆瓦級混合電推進系統(tǒng)研發(fā)

2022年2月，GE公司與波音公司就窄體飛機兆瓦級混合電推進系統(tǒng)研發(fā)項目達成合作協(xié)議。該系統(tǒng)總功率約1.5MW，原動機選用GE公司的CT7-9B渦槳發(fā)動機，飛行試驗臺由一架薩伯340B飛機改裝。波音及其子公司極光飛行科學公司負責提供薩伯340B飛機改裝、系統(tǒng)集成和飛行測試服務，包括短艙制造、駕駛艙界面設計和軟件、飛機級性能分析和系統(tǒng)集成。最初的飛行試驗是將薩伯340B飛機的一側CT7-9B發(fā)動機換成兆瓦級混合電推進系統(tǒng)，另一側繼續(xù)使用CT7-9B發(fā)動機；最終要將兩側發(fā)動機都改裝成混合電推進系統(tǒng)進行試飛。

獲美國陸軍510萬美元發(fā)展混合電推進技術

2022年3月，美國陸軍作戰(zhàn)能力發(fā)展司令部、陸軍研究實驗室授予GE公司一份價值510萬美元的研發(fā)合同，用于應用研究協(xié)同系統(tǒng)-渦軸電氣化項目（ARC-STEP），以支持GE公司為未來飛行開發(fā)混合電推進技術。項目包括對兆瓦級電氣化動力裝置的研究、開發(fā)、測試和評估，利用該動力裝置將進一步開發(fā)用于陸軍未來垂直起降飛機（FVL）計劃的技術。ARC-STEP將采用GE公司的CT7渦軸發(fā)動機，以及GE公司生產(chǎn)的電動機和電力電子設備。

GE公司兆瓦級電動機/發(fā)電機為測試臺上的3.35m直徑螺旋槳供電

GE公司的CT7渦軸發(fā)動機

開展大功率高壓混合電推進系統(tǒng)高空測試

2022年7月，GE公 司 宣 布 成功完成兆瓦級混合電推進系統(tǒng)在13.7km高空的運行試驗，可在未來幾年內進行飛行測試。此次測試是在單通道干線飛機運行模擬環(huán)境中進行，驗證了發(fā)電機、電力轉換器、電力傳輸和控制系統(tǒng)等相關系統(tǒng)性能。測試于2022年早些時候在美國國家航空航天局（NASA）位于俄亥俄州的電動飛機試驗平臺（NEAT）完成，但測試結果則是于7月19日在范堡羅航展上宣布。GE公司認為該系統(tǒng)是未來推進計劃的基石，預計將于21世紀30年代中期投入使用，后續(xù)測試計劃將作為NASA電氣化動力系統(tǒng)飛行驗證（EPFD）項目的一部分。

雷神技術公司——整合資源，發(fā)力中小型支線飛機市場

推動可持續(xù)航空混合電推進系統(tǒng)發(fā)展

2022年3月，雷神技術公司旗下兩家公司——柯林斯宇航公司和普惠公司，合作將混合電推進系統(tǒng)集成到德·哈維蘭“沖”8-100飛行驗證機上。將驗證機一側的發(fā)動機換裝成一個2MW級的推進系統(tǒng)，該系統(tǒng)由普惠公司的燃油發(fā)動機與柯林斯宇航公司的電池供電電動機相結合，形成并聯(lián)的混合電推進系統(tǒng)。發(fā)動機和電動機將各自產(chǎn)生約1MW的功率，發(fā)動機將針對巡航效率進行優(yōu)化，而電動機將在起飛和爬升期間提供額外動力，與現(xiàn)有渦槳發(fā)動機相比，燃油效率提高了約30%。

柯林斯宇航公司和普惠公司還針對未來先進空中交通（AAM）的新型混合電推進飛機，以及潛在的中小型支線飛機，合作開發(fā)了可擴展渦輪電力傳動系統(tǒng)技術（STEPTech）驗證機。STEP-Tech驗證機專注于100～500kW級的高壓分布式渦輪電推進概念，并有潛力增加到1MW或更高，特點是模塊化和可擴展，可快速發(fā)展出一系列原型機進行驗證。該項目耗資1.25億美元，將于2024年開始飛行測試。

繼續(xù)建設電推進實驗室

柯林斯宇航公司正在建設電氣化和電推進實驗室，建設投資5000萬美元。該實驗室曾測試過波音787、空客A220和中國商飛C919的電力系統(tǒng)，并將很快用于測試“沖”8-100驗證機的1MW電動機和電動機控制器。截至2022年6月，柯林斯宇航公司已經(jīng)測試了400kW的電動機驅動系統(tǒng)，功率密度是之前同類最佳產(chǎn)品的4倍，更是目前在787上使用的普通電動機起動控制器的10倍以上。

羅羅公司——巧妙推新，加快產(chǎn)品進度

2022年6月，羅羅公司宣布正在驗證一種全新的渦輪發(fā)電機用于AAM，包括作為電動短距起降（eSTOL）飛行器的主推進系統(tǒng)，以及擴大eVTOL飛行器的航程。這種渦輪發(fā)電機由一個功率約800kW、長約1m的渦輪核心機和一個長0.5m的發(fā)電機組成，公司選擇800kW進行演示驗證，是因為該功率級涉及了公司所有需解決的技術挑戰(zhàn)。該渦輪發(fā)電機系統(tǒng)功率能縮放到500～1200kW的范圍，可用于新一代19座eVTOL和通勤飛機，滿足全電飛機的動力需求。公司計劃于2023年進行包括電動機在內的完整系統(tǒng)試驗，2027年認證并進入市場。傳統(tǒng)燃氣渦輪發(fā)動機為各種工作點、速度和瞬態(tài)條件預留了設計裕度；而渦輪發(fā)電機則是要被設計成以相同的速度和功率持續(xù)運行，因此能設計得更緊湊，功率密度也更大。

STEP-Tech驗證機的潛在應用

羅羅公司正在研發(fā)的新型渦輪發(fā)電機

此外，羅羅公司還與意大利的泰克南公司合作，為其P-Volt電動型P2012飛機提供電推進系統(tǒng)。

賽峰集團——戰(zhàn)略制勝，明確公司定位

為奧拉航空公司提供電推進系統(tǒng)

2022年4月7日，賽峰集團宣布，旗下賽峰電氣與電源（Safran Electrical & Power）公司將為奧拉航空（Aura Aero）公司的Integral E飛行驗證機提供電推進系統(tǒng)，Integral E是奧拉航空公司特技飛行雙座教練機Integral的電動改型。賽峰電氣與電源公司還為奧拉航空公司19座支線客機ERA設計了電動結構布局，并提供電推進系統(tǒng)，主要研究高直流電推進結構如何為電動發(fā)動機提供所需的功率。ERA計劃于2024年首飛，2027年投入商業(yè)運營。

Integral E飛行驗證機

新的電氣工程中心落成

2022年9月，賽峰集團在法國克雷泰伊的電氣工程中心落成。該中心占地約6400m2，將開展全電和混合電推進系統(tǒng)、電子電力學、配電和電力轉換等方面的研究，中心擁有一個電氣系統(tǒng)測試臺，具備技術研究、工程制造、項目和客戶支持等能力。新的工程中心是賽峰集團電氣系統(tǒng)設計的核心，定義了一次和二次配電方案，用于從電動機到載荷的電力輸送和管理。賽峰集團的ePower產(chǎn)品線也在克雷泰伊進行設計，產(chǎn)品涵蓋整個電氣系統(tǒng)，適用于未來的全電和混合電推進飛機，主要包括GENeUSPACK電池、EngineUs電動機、GENeUSGRID一次和二次配電系統(tǒng)，以及GENeUSGRID推進的電源管理系統(tǒng)。

推動電推進發(fā)展戰(zhàn)略

霍尼韋爾公司兆瓦級發(fā)電機

HPDM-3000電驅動推進裝置

賽峰集團正在推進其電推進總體規(guī)劃，將公司定位為從輕型飛機到窄體飛機全電和混合電推進系統(tǒng)的全系列電動機供應商。歐洲航空安全局（EASA）預計將于2023年對賽峰集團100kW的EngineUs 100電動機進行認證。之后，賽峰集團將推出EngineUs 500電 動 機。EngineUs 100和EngineUs 500的最大功率分別為150kW和750kW。此外，賽峰集團預計從2023年開始交付EngineUs系列電動機，目前可提供50～500kW的功率輸出。該系列電動機已被奧拉航空公司和VoltAero公司開發(fā)的混合電動飛機以及Bye公司的全電動eFlyer系列雙座和4座輕型飛機選中。

霍尼韋爾公司——穩(wěn)步前行，領先產(chǎn)品取得重大進展

霍尼韋爾公司為混合動力飛機設計的兆瓦級渦輪發(fā)電機已成功完成首輪測試，其發(fā)電機是業(yè)內第一臺航空級發(fā)電機，無須修改也可用作1MW發(fā)電機。2022年5月的測試中，該兆瓦發(fā)電機以1.02 MW功率平穩(wěn)運行，連續(xù)運行功率為900kW，發(fā)電機的功率密度約為8kW/kg，效率為97%，高于傳統(tǒng)飛機發(fā)電機的92%效率。渦輪發(fā)電機是霍尼韋爾公司1MW發(fā)電機和HGT1700輔助動力裝置的組合，后者是霍尼韋爾公司為空客A350開發(fā)的輔助動力裝置，該電源系統(tǒng)質量為127kg，可用于驅動大功率電動機，給電池充電，或驅動帶螺旋槳的大型貨運系統(tǒng)、空中出租車和支線飛機。

H3X公司——后起之秀，角逐支線客機市場

美國初創(chuàng)公司H3X正在開發(fā)一種集成模塊化電推進裝置，其功率密度和容錯能力實現(xiàn)了巨大飛躍，可將現(xiàn)有50～100座客機轉變?yōu)槿娡七M。H3X公司正在與飛機制造商就2.8MW的HPDM-3000電推進裝置的可能應用進行談判，預計該推進裝置將提供12.5kW/kg的連續(xù)功率密度。該電推進裝置總質量為220kg，具備緊湊和適應性強的架構，可與現(xiàn)有和未來的動力系統(tǒng)靈活集成，并能夠在沒有變速箱的情況下驅動螺旋槳或高涵道比風扇。HPDM-3000的全尺寸樣機預計將于2023年第三季度進行測試，2024年將向客戶和合作伙伴提供更多單元。

結束語

電推進系統(tǒng)是當前航空動力解決方案的熱點之一，近年來一直在持續(xù)快速發(fā)展中?？傮w來看，2022年在電推進系統(tǒng)領域主要發(fā)動機制造商持續(xù)發(fā)力，GE公司、普惠公司、羅羅公司、賽峰集團都在持續(xù)關注電推進系統(tǒng)，2022年都獲得了顯著成效。其中，普惠公司的母公司雷神技術公司更是將旗下的普惠公司、普惠加拿大公司和柯林斯宇航公司這三家動力制造商充分整合，集中發(fā)力；賽峰集團則是明確了在電推進領域的定位。

行業(yè)新進入者來勢迅猛，電推進系統(tǒng)作為新概念吸引了許多初創(chuàng)公司和行業(yè)新進入者，這些新進入者一開始就起點很高，甚至展現(xiàn)了不遜于主要動力制造商的競爭力，推出了卓越的產(chǎn)品和技術，力圖站到行業(yè)的制高點上和老牌動力企業(yè)爭搶市場。

電推進系統(tǒng)的應用不分軍民，軍方也很重視電推進系統(tǒng)的發(fā)展，正在積極鼓勵并推出電推進系統(tǒng)研究項目并持續(xù)性推動。行業(yè)競爭者們目標明確，且都在緊鑼密鼓地推進，力圖早日將自身產(chǎn)品投入市場。