航空混合電推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)展趨勢研究

林曉暢

廈門航空有限公司，福建福州，350200

0 引言

混合電推進(jìn)系統(tǒng)具有低噪聲、低排放、低能耗等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用在航空領(lǐng)域，是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的主要舉措與抓手。因此，在航空領(lǐng)域應(yīng)重點(diǎn)研發(fā)混合電推進(jìn)系統(tǒng)，充分發(fā)揮航空混合電推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值。

1 航空混合電推進(jìn)系統(tǒng)

1.1 混合電推進(jìn)技術(shù)特點(diǎn)

在航空推進(jìn)技術(shù)中，混合電推進(jìn)是 一種新興技術(shù)，與傳統(tǒng)燃料動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)、全電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)相比，混合電推進(jìn)系統(tǒng)具有不可比擬的應(yīng)用優(yōu)勢。主要原因?yàn)椋涸趥鹘y(tǒng)燃料動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)中，由于石油燃料屬于不可再生資源，受到資源緊缺與污染大等因素的限制，導(dǎo)致該動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用存在一定局限性。在全電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)中，由于電池能量密度低、續(xù)航時(shí)間受限，影響航時(shí)與航程。而混合電推進(jìn)系統(tǒng)將上述兩者的優(yōu)勢有機(jī)結(jié)合起來，在內(nèi)部利用內(nèi)燃機(jī)與電動(dòng)機(jī)兩種技術(shù)協(xié)同工作，確保二者在最佳狀態(tài)下運(yùn)行，可以達(dá)到節(jié)約燃料資源與減少污染的目的。并且系統(tǒng)噪聲小，可以有效延長續(xù)航時(shí)間，將燃料動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)與全電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)勢合二為一，發(fā)揮出“1+1＞2”的應(yīng)用優(yōu)勢[1]。

1.2 混合電推進(jìn)系統(tǒng)架構(gòu)類型

一是串聯(lián)式架構(gòu)。在這種架構(gòu)類型中，具有以下優(yōu)勢：ICE與發(fā)電機(jī)安裝部位比較靈活多樣，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)得到有效簡化，短途適應(yīng)性強(qiáng)。但是在EM最大功率設(shè)計(jì)中存在較大難度，且電池消耗快。串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)如圖1所示。例如，德國西門子公司在研發(fā)混合電推進(jìn)系統(tǒng)時(shí)，研發(fā)出一款采用該動(dòng)力系統(tǒng)的飛機(jī)DA36E-Star2。

圖1 串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)圖

二是并聯(lián)式架構(gòu)。并聯(lián)式結(jié)構(gòu)只需要ICE與EM/GE這兩個(gè)部件，在電池能源存在的情況下，兩個(gè)推進(jìn)部件能夠提供相同的電能。電池能源充足且短程飛行時(shí)，這兩種動(dòng)力可以呈現(xiàn)半功率模式運(yùn)行。而在長途航空任務(wù)中，ICE需要最大功率狀態(tài)運(yùn)行，EM/GE可以呈現(xiàn)半功率或低功率模式運(yùn)行。這種架構(gòu)類型也存在許多不足，如兩種功率源發(fā)出的電流需要進(jìn)行混合與調(diào)節(jié)處理，設(shè)備之間容易存在復(fù)雜的機(jī)械耦合現(xiàn)象，會提高控制難度與復(fù)雜度[2]。并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)如圖2所示。例如，在飛機(jī)中采用雙油門分別對電機(jī)與內(nèi)燃機(jī)控制，采取并聯(lián)式混合電推進(jìn)系統(tǒng)。

圖2 并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)圖

三是串聯(lián)+并聯(lián)式架構(gòu)。串聯(lián)+并聯(lián)式架構(gòu)可以集合串聯(lián)與并聯(lián)式的各自優(yōu)勢，但是在控制方面更加復(fù)雜、難度更高，且機(jī)器設(shè)備質(zhì)量更大。串聯(lián)+并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 串聯(lián)+并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)圖

綜上，通過上述三種混合電推進(jìn)系統(tǒng)架構(gòu)分析，總結(jié)歸納出三種架構(gòu)類型各自的優(yōu)缺點(diǎn)，見表1所示。在本質(zhì)上，混合電推進(jìn)技術(shù)是將電力與至少一個(gè)燃料動(dòng)力電源組合使用，如果燃料與儲能電池是動(dòng)力電源組合，在串聯(lián)架構(gòu)中，功率用電傳遞，而在并聯(lián)架構(gòu)中，功率用機(jī)械傳遞。在航空混合電推進(jìn)系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中，還需要根據(jù)實(shí)際情況合理使用混合電推進(jìn)系統(tǒng)架構(gòu)，以期發(fā)揮出混合電推進(jìn)系統(tǒng)最大化作用[3]。

表1 三種混合電推進(jìn)系統(tǒng)架構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)對比分析表

2 航空混合電推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 美國

當(dāng)前美國對航空混合電推進(jìn)系統(tǒng)的研究處于世界領(lǐng)先水平，美國航空航天局NASA在2011年5月與GE公司聯(lián)合研發(fā)航空推進(jìn)系統(tǒng)與技術(shù)，制作出針對N3-X層流飛機(jī)設(shè)計(jì)與使用的混合電推進(jìn)系統(tǒng)，研究電池、發(fā)動(dòng)機(jī)、速度控制器等各系統(tǒng)部件在混合電推進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)行中所產(chǎn)生的效率。之后NASA與其他公司合作對混合電推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，得出混合電推進(jìn)系統(tǒng)在飛機(jī)中的應(yīng)用，具有高效、低噪聲、低排放與高總轉(zhuǎn)換率等優(yōu)勢。2017年6月，NASA開展48座“飛馬”混合電推進(jìn)支線客機(jī)概念研究。同年7月展示A320與波音737同級別客機(jī)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)概念。同年8月GE公司致力于研究混合電推進(jìn)項(xiàng)目的發(fā)電機(jī)與電動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)，并且取得新突破，表明混合電推進(jìn)系統(tǒng)可以應(yīng)用在軍用飛機(jī)、民用飛機(jī)與通用飛機(jī)等方面。

2.2 歐洲

歐盟在2011年提出“航跡2050航空領(lǐng)導(dǎo)計(jì)劃”，目標(biāo)是在2050年實(shí)現(xiàn)二氧化碳排放降低75%、噪聲降低65%等。對此，歐盟各國致力于混合電推進(jìn)系統(tǒng)研發(fā)，以期實(shí)現(xiàn)這一計(jì)劃目標(biāo)。2013年11月，英國、德國與法國大型航空公司空客、羅羅、西門子三者聯(lián)合研發(fā)出分布式混合電推進(jìn)系統(tǒng)。2017年，這三家公司聯(lián)合研發(fā)混合電推進(jìn)飛機(jī)E-FanX，但由于新冠疫情影響，研發(fā)項(xiàng)目被迫停止。荷蘭在研發(fā)新型飛機(jī)項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)了一款混合電推進(jìn)系統(tǒng)的飛機(jī)進(jìn)行縮比模型動(dòng)態(tài)試飛，這是歐洲“清潔天空2計(jì)劃”的一部分，項(xiàng)目研究周期為6年。

2.3 俄羅斯

俄羅斯在2017年7月開始制定與研發(fā)混合電推進(jìn)系統(tǒng)相關(guān)項(xiàng)目，并對其研發(fā)項(xiàng)目成果進(jìn)行展示，如500kW級混合電推進(jìn)系統(tǒng)概念模型。在這一項(xiàng)目研究中，其主要特點(diǎn)是可以通過燃?xì)鉁u輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。同時(shí)，在燃?xì)鉁u輪出現(xiàn)故障的時(shí)候，可以利用電池支撐動(dòng)力系統(tǒng)。俄羅斯之后研發(fā)19座飛機(jī)的2000kW級動(dòng)力系統(tǒng)，并對其進(jìn)行試飛驗(yàn)證[4]。

3 航空混合電推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)展趨勢

3.1 民用航空

相較于傳統(tǒng)動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)，航空混合電推進(jìn)系統(tǒng)在應(yīng)用中具有可靠性高、布局靈活、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，后續(xù)可以應(yīng)用在民用航空中，如垂直起降城市通勤飛行器、通用飛機(jī)、支線飛機(jī)等飛機(jī)平臺。由于不同型號、不同用途的民用飛機(jī)在使用混合電推進(jìn)系統(tǒng)中具有不同的性能要求，如表2所示。在研究航空混合電推進(jìn)系統(tǒng)中，可以不斷朝著這一方向發(fā)展，以便滿足不同民用飛機(jī)對混合電推進(jìn)系統(tǒng)部件的性能要求，實(shí)現(xiàn)航空混合電推進(jìn)系統(tǒng)的綠色可持續(xù)發(fā)展。

表2 各類用途飛機(jī)對混合電推進(jìn)系統(tǒng)部件的性能要求

首先，應(yīng)用于城市空中交通。垂直起降城市通勤飛行器作為未來城市空中交通的主要載體，混合電推進(jìn)系統(tǒng)在未來會廣泛應(yīng)用于垂直起降城市通勤飛行器中。垂直起降飛行器在起飛時(shí)功率相對較高，而混合電推進(jìn)系統(tǒng)可以有效解決功率匹配問題。并且混合電推進(jìn)系統(tǒng)具有噪聲小、油耗低與污染小等優(yōu)勢，在垂直起降飛行器中可以得到較好的應(yīng)用。其次，支線/干線客機(jī)。目前大多數(shù)制造商與科研機(jī)構(gòu)關(guān)注這一領(lǐng)域的混合電推進(jìn)系統(tǒng)研究，并取得一定研究成果。但總體還處于研發(fā)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證階段，如美國航空航天局研制的N3-X飛機(jī)。各國均致力于支線/干線客機(jī)的混合電推進(jìn)系統(tǒng)研究，表明其在支線/干線客機(jī)中的應(yīng)用前景廣闊，是未來主要發(fā)展方向之一。最后，通航飛機(jī)。通航飛機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域中均得到廣泛應(yīng)用，如農(nóng)業(yè)、觀光旅游業(yè)、救援等領(lǐng)域。例如，2022年3月13日，中國航發(fā)動(dòng)研所研制的混合電推進(jìn)系統(tǒng)SA60L輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)在株洲蘆淞通用機(jī)場首飛成功?；旌想娡七M(jìn)系統(tǒng)首飛成功是我國強(qiáng)化前沿技術(shù)探索與儲備、推進(jìn)航空業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展的重要體現(xiàn)。

3.2 軍用航空

混合電推進(jìn)系統(tǒng)在軍用航空中具有較為廣闊的應(yīng)用前景。一是在高空長航時(shí)無人機(jī)的應(yīng)用。在軍事領(lǐng)域無人機(jī)的應(yīng)用范圍比較廣闊，其中高空長航時(shí)無人機(jī)是軍用無人機(jī)中的主要載體，將混合電推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用其中，可以實(shí)現(xiàn)20km以上的高空飛行，且具有較長的續(xù)航時(shí)間。在此技術(shù)上還可以兼具一定的機(jī)動(dòng)性，可以顯著提升無人機(jī)的生存性。對此，高空長航時(shí)無人機(jī)具有較大的發(fā)展?jié)摿?。在未來發(fā)展中，混合電推進(jìn)系統(tǒng)將會進(jìn)一步應(yīng)用在高空長航時(shí)無人機(jī)中，且應(yīng)用前景廣闊。二是運(yùn)輸機(jī)與遠(yuǎn)程轟炸機(jī)的應(yīng)用?；旌想娡七M(jìn)系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)短程與垂直起降，在陸軍作戰(zhàn)中針對作戰(zhàn)物資、受傷人員運(yùn)輸具有重要的保障作用。并且混合電推進(jìn)系統(tǒng)具有噪聲低、污染小、油耗低等優(yōu)勢，在民用航空領(lǐng)域中的應(yīng)用逐漸興起，也必然會在軍用運(yùn)輸機(jī)、轟炸機(jī)等領(lǐng)域中得到較好應(yīng)用[5]。

4 結(jié)語

總之，在當(dāng)前航空動(dòng)力發(fā)展中，混合電推進(jìn)系統(tǒng)是一種新興技術(shù)與概念，與傳統(tǒng)動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)項(xiàng)目相比，具有噪聲低、能耗低、污染小等優(yōu)點(diǎn)，尤其是在全球生態(tài)環(huán)境問題突出、各國致力于降低碳排放的發(fā)展目標(biāo)下，混合電推進(jìn)系統(tǒng)在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用具有廣闊的前景。然而當(dāng)前全球各國對混合電推進(jìn)系統(tǒng)的研究還處于初級階段，還需要不斷深入研究，充分發(fā)揮出航空混合電推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢，推動(dòng)航空業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展。