歐盟清潔航空聯(lián)合行動的混合電推進(jìn)支線飛機(jī)項(xiàng)目分析

■ 韓玉琪/中國航發(fā)研究院

混合電推進(jìn)支線飛機(jī)是歐盟清潔航空聯(lián)合行動（CAJU）的三大重點(diǎn)研發(fā)領(lǐng)域之一，旨在實(shí)現(xiàn)2035年投入使用并使油耗降低50%、排放降低90%（充分使用替代燃料的情況下）。

在未來20年，支線航空運(yùn)輸市場的增長和對低排放的更大需求將推動支線飛機(jī)朝著創(chuàng)新的解決方案發(fā)展，助力航空業(yè)實(shí)現(xiàn)脫碳目標(biāo)?；旌想娡七M(jìn)系統(tǒng)能夠?qū)⒓夹g(shù)部件的優(yōu)勢結(jié)合起來，從而實(shí)現(xiàn)整體效率的提高。針對混合電推進(jìn)支線飛機(jī)，歐盟清潔航空聯(lián)合行動在首批項(xiàng)目中設(shè)置了5個項(xiàng)目，總經(jīng)費(fèi)達(dá)2.1億歐元，其中歐盟資助1.6億歐元，見表1，主要研發(fā)兆瓦級混合電推進(jìn)、熱管理方案、電力配送方案和創(chuàng)新機(jī)翼設(shè)計(jì)等技術(shù)。

表1 CAJU混合電推進(jìn)支線飛機(jī)項(xiàng)目

HE-ART項(xiàng)目

支線飛機(jī)用混合電推進(jìn)系統(tǒng)（HEART）項(xiàng)目，由羅羅德國公司牽頭，項(xiàng)目總經(jīng)費(fèi)6020萬歐元，其中歐盟資助4410萬歐元，研究周期為2023年1月至2025年12月。

HE-ART項(xiàng)目將在專用的全尺寸地面驗(yàn)證機(jī)中驗(yàn)證混合電推進(jìn)渦槳發(fā)動機(jī)（e-TP）的可行性，通過電傳系統(tǒng)、超高效渦槳發(fā)動機(jī)、100%可持續(xù)航空燃料（SAF），提高效率并將溫室氣體排放量減少30%。

混合電推進(jìn)支線飛機(jī)概念

HE-ART項(xiàng)目以賽峰集團(tuán)的阿內(nèi)托（Aneto）渦槳發(fā)動機(jī)為基礎(chǔ)，將集成渦輪發(fā)動機(jī)、電動機(jī)和電力電子設(shè)備、配電系統(tǒng)、變速箱、螺旋槳、短艙和換熱器等核心技術(shù)，在2025年之前對混合電推進(jìn)驗(yàn)證發(fā)動機(jī)進(jìn)行地面測試，該項(xiàng)目將測試2.15～2.85MW不同的功率組合。該項(xiàng)目由不同的工業(yè)、研究和學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)組成，37個合作伙伴來自奧地利、比利時(shí)、法國、德國、意大利、挪威、波蘭、羅馬尼亞、西班牙和英國。

AMBER驗(yàn)證機(jī)示意

此外，歐盟清潔天空2（Clean Sky 2）計(jì)劃中的為新型渦槳發(fā)動機(jī)的電起動機(jī)-發(fā)電機(jī)和健康監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)先進(jìn)機(jī)電設(shè)備（ACHIEVE）項(xiàng)目成果將為HE-ART項(xiàng)目提供支撐。2023年2月，賽峰集團(tuán)的Tech TP混合電推進(jìn)渦槳發(fā)動機(jī)技術(shù)驗(yàn)證機(jī)首次試車，Tech TP是阿蒂丹（Ardiden 3）渦軸發(fā)動機(jī)的改型，包含了來自ACHIEVE項(xiàng)目的技術(shù)，將一臺電動發(fā)電機(jī)集成在發(fā)動機(jī)的螺旋槳和減速齒輪箱中，可以僅依靠電池動力滑行，或在飛行中提供助力以減小渦輪發(fā)動機(jī)的載荷。測試從2022年11月持續(xù)到2023年1月，評估的模式包括全電起動、電動滑行和發(fā)電、起飛時(shí)提升至最大功率及混合動力運(yùn)行。

AMBER項(xiàng)目

混合電支線應(yīng)用創(chuàng)新驗(yàn)證機(jī)（AMBER）項(xiàng)目，由GE公司下屬的Avio Aero公司牽頭，項(xiàng)目總經(jīng)費(fèi)4349萬歐元，其中歐盟資助3376萬歐元，研究周期為2023年1月至2026年3月。

AMBER項(xiàng)目目標(biāo)是將氫燃料電池和“催化劑”（Catalyst）渦槳發(fā)動機(jī)相結(jié)合，集成混合電推進(jìn)組件（包括電動機(jī)/發(fā)電機(jī)、電力轉(zhuǎn)換器和電力傳輸系統(tǒng)），以開發(fā)一個2.25MW的驗(yàn)證機(jī)，研發(fā)、集成和驗(yàn)證由氫燃料電池驅(qū)動的兆瓦級并聯(lián)混合電推進(jìn)系統(tǒng)所需的關(guān)鍵技術(shù)，計(jì)劃在2025年左右使用“催化劑”發(fā)動機(jī)進(jìn)行臺架試驗(yàn)。

Avio Aero公司領(lǐng)導(dǎo)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)包括21家來自歐洲的成員單位，其中，GE歐洲分公司將為發(fā)動機(jī)、螺旋槳和電推進(jìn)系統(tǒng)的研究做出貢獻(xiàn)；H2FLY公司將提供兆瓦級氫燃料電池系統(tǒng)以及相應(yīng)的架構(gòu)、接口和氫燃料電池控制系統(tǒng)；意大利萊奧納多（Leonardo）公司將提供飛機(jī)集成方面的指導(dǎo)。Avio Aero公司表示，在AMBER項(xiàng)目上開發(fā)的混合電推進(jìn)技術(shù)將與先進(jìn)的發(fā)動機(jī)架構(gòu)兼容，未來或可用于CFM國際公司的RISE發(fā)動機(jī)上。

TheMa4HERA項(xiàng)目

混合電推進(jìn)支線飛機(jī)熱管理解決方案（TheMa4HERA）項(xiàng)目由霍尼韋爾公司位于捷克布拉格市霍多夫地區(qū)的航空技術(shù)服務(wù)中心牽頭，項(xiàng)目總經(jīng)費(fèi)3370萬歐元，其中歐盟資助2545萬歐元，研究周期為2023年1月至2026年12月。TheMa4HERA項(xiàng)目將為下一代混合電推進(jìn)支線飛機(jī)研發(fā)先進(jìn)的熱管理部件和架構(gòu)，以管理由鋰電池、燃料電池、電力電子器件和電動機(jī)產(chǎn)生的兆瓦級熱量，評估各種熱管理技術(shù)，并應(yīng)用到下一代飛機(jī)上。

配備混合電推進(jìn)系統(tǒng)的支線飛機(jī)會產(chǎn)生多余的熱量，機(jī)載熱管理非常重要，需要更高效、輕質(zhì)的熱管理系統(tǒng)，以降低油耗、增加航程。TheMa4HERA項(xiàng)目將開發(fā)、設(shè)計(jì)和測試創(chuàng)新技術(shù)，以應(yīng)對300～1000kW范圍內(nèi)散熱的挑戰(zhàn)，而目前熱管理系統(tǒng)的容量為35～50kW。構(gòu)型將基于德國航空航天中心（DLR）的電動飛機(jī)概念及技術(shù)（EXACT）項(xiàng)目進(jìn)行調(diào)整和完善，以反映最終的混合電推進(jìn)飛機(jī)構(gòu)型，并將與CAJU交叉領(lǐng)域中混合電支線飛機(jī)架構(gòu)（HERA）項(xiàng)目建立集成需求、反饋約束和驗(yàn)證結(jié)果的溝通渠道，以允許進(jìn)一步的飛機(jī)架構(gòu)優(yōu)化迭代。為了模擬和優(yōu)化給定飛機(jī)架構(gòu)的零件級需求，該項(xiàng)目將開發(fā)一個全數(shù)字孿生體，并將在德國弗勞恩霍夫建筑物理研究所（IBP）的全尺寸試驗(yàn)設(shè)施中驗(yàn)證和演示其結(jié)果。

HECATE項(xiàng)目

混合電支線飛機(jī)電力配送技術(shù)（HECATE）項(xiàng)目，由柯林斯宇航愛爾蘭分公司牽頭，項(xiàng)目總經(jīng)費(fèi)4516萬歐元，其中歐盟資助3421萬歐元，研究周期為2023年1月至2025年12月。

HECATE項(xiàng)目將解決系統(tǒng)質(zhì)量和功率密度、雷擊電弧和電磁干擾的高電壓問題，并對熱管理進(jìn)行優(yōu)化。該項(xiàng)目將提供一套使能技術(shù)，并為CAJU第二階段的飛行驗(yàn)證和開發(fā)提供可擴(kuò)展路線圖。

HECATE項(xiàng)目共有12個歐洲國家的37個合作伙伴參與?？铝炙褂詈焦驹诘聡闹Z德林根基地和英國的索利哈爾基地將提供電力轉(zhuǎn)換和配送方面的專業(yè)知識；德國拜羅伊特大學(xué)環(huán)境生產(chǎn)工程系負(fù)責(zé)可持續(xù)和輕量化部件的增材制造；空客公司正在探索使用低溫超導(dǎo)材料實(shí)現(xiàn)潛在的效率增益；其他成員包括代傲（Diehl）、賽峰、泰雷茲（Thales）以及萊奧納多等公司。此外，其他公司也正在開發(fā)用于航空的高壓配電系統(tǒng)，尤其是空客公司正在探索使用低溫超導(dǎo)材料實(shí)現(xiàn)潛在的效率增益。

HECATE項(xiàng)目為下一代混合電推進(jìn)支線飛機(jī)研發(fā)大功率、高壓配電系統(tǒng)，并基于數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程的數(shù)字化。該項(xiàng)目將在不同的電壓水平（800～1200V）下評估兩個主要架構(gòu)，計(jì)劃在2023年完成高壓配電系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)，2024年完成關(guān)鍵設(shè)計(jì)評審里程碑，2025年完成技術(shù)成熟度（TRL）5的全面測試（包括鐵鳥試驗(yàn)臺地面驗(yàn)證），系統(tǒng)功率在500kW以上。項(xiàng)目將研發(fā)單個組件或子系統(tǒng)（電源開關(guān)，保護(hù)和電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)）、整體集成配電系統(tǒng)以及運(yùn)行不同系統(tǒng)所需的電壓轉(zhuǎn)換，由于未來飛機(jī)的功率要求可能高于測試中的系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)將具有增長潛力。為了實(shí)現(xiàn)優(yōu)化協(xié)調(diào)并確?？烧J(rèn)證性，HECATE項(xiàng)目將與CAJU的其他項(xiàng)目，以及歐洲航空安全局（EASA）、歐洲民航電子設(shè)備組織（EUROCAE）等機(jī)構(gòu)建立聯(lián)系。

HERWINGT項(xiàng)目

混合電推進(jìn)支線飛機(jī)機(jī)翼集成創(chuàng)新綠色技術(shù)（HERWINGT）項(xiàng)目由空客西班牙公司牽頭，項(xiàng)目總經(jīng)費(fèi)2795萬歐元，其中歐盟資助2179萬歐元，研究周期為2023年1月至2025年12月。

HERWINGT項(xiàng)目目標(biāo)是為混合電推進(jìn)支線飛機(jī)研發(fā)一種全新的復(fù)合材料機(jī)翼，將為全翼部件進(jìn)行制造、組裝、結(jié)構(gòu)概念和工藝、概念研究、配置和架構(gòu)權(quán)衡分析。項(xiàng)目目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)途經(jīng)為：經(jīng)空氣動力學(xué)優(yōu)化的先進(jìn)機(jī)翼構(gòu)型將減少15%的燃料消耗；創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)、更好的系統(tǒng)集成和新材料將減輕20%質(zhì)量；燃料系統(tǒng)將與SAF兼容。

高展弦比機(jī)翼將由復(fù)合材料經(jīng)由高壓釜工藝制成

HERWINGT項(xiàng)目共有33個合作伙伴參與?？湛臀靼嘌拦痉种C(jī)構(gòu)將測試新的材料、配置和制造技術(shù)，以制造更輕且經(jīng)過空氣動力學(xué)優(yōu)化的機(jī)翼。大約15個不同的部件驗(yàn)證將為最終機(jī)翼設(shè)計(jì)提供輸入信息，機(jī)翼設(shè)計(jì)將在2024年年中之前進(jìn)行初步設(shè)計(jì)審查，然后在2025年年初進(jìn)行關(guān)鍵設(shè)計(jì)審查。到2025年，所有必要的組成部分都將充分成熟，以便在第二階段進(jìn)行全尺寸驗(yàn)證，該項(xiàng)目將形成與其參考飛機(jī)兼容的部件、子系統(tǒng)和整個機(jī)翼的數(shù)字孿生和生命周期評估，以及新構(gòu)型飛行準(zhǔn)備就緒的路線圖。

相關(guān)的使能技術(shù)包括熱固性、熱塑性和樹脂注入復(fù)合材料等新材料，以減輕質(zhì)量，以及使用高壓釜工藝生產(chǎn)“高度集成結(jié)構(gòu)”。傳統(tǒng)上，復(fù)合材料機(jī)翼僅限于寬體飛機(jī)，緩慢且昂貴的高壓釜固化工藝不適合單通道或支線飛機(jī)應(yīng)用所需的高生產(chǎn)率要求。這些新材料或工藝將有助于開發(fā)新的機(jī)翼結(jié)構(gòu)和集成度更高的結(jié)構(gòu)，有利于最大限度地減少甚至消除機(jī)翼內(nèi)對接頭和黏結(jié)的技術(shù)需求。HERWINGT項(xiàng)目將在機(jī)翼上額外安裝健康監(jiān)測系統(tǒng)，其他輔助系統(tǒng)（如基于感應(yīng)的防冰系統(tǒng)）也將集成到結(jié)構(gòu)中，進(jìn)一步減少質(zhì)量和阻力。高展弦比機(jī)翼設(shè)計(jì)將減少空氣動力學(xué)阻力，通過使用具有優(yōu)化飛行控制規(guī)律的變形控制表面提高機(jī)翼的層流性。最后，將采用與燃料系統(tǒng)相關(guān)的新傳感器、密封劑和材料，使其更好地兼容SAF。

結(jié)束語

電氣化正在引發(fā)航空業(yè)的變革發(fā)展，受限于電池能量密度、電機(jī)和電力電子器件功率密度及效率的發(fā)展水平，混合電推進(jìn)系統(tǒng)有望先在支線飛機(jī)上實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，并為更大型飛機(jī)的應(yīng)用奠定技術(shù)基礎(chǔ)。