隨著全球?qū)G色航空的迫切需求,新能源飛行器正成為航空產(chǎn)業(yè)變革的關(guān)鍵力量?!缎履茉达w行器發(fā)展白皮書(2024)》深入剖析了其發(fā)展必要性、定義、分類、關(guān)鍵技術(shù)以及發(fā)展規(guī)劃。本刊將連載白皮書的核心內(nèi)容,以期與讀者共同關(guān)注這一戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的前沿趨勢與未來發(fā)展。
關(guān)鍵技術(shù)
新能源飛行器的八項關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域一一總體設(shè)計技術(shù)、高效電推進技術(shù)、能量綜合管理技術(shù)、能源系統(tǒng)技術(shù)、氫渦輪推進技術(shù)、氫燃料存儲技術(shù)、氫能生產(chǎn)與使用技術(shù),以及可持續(xù)航空燃料技術(shù)。
總體設(shè)計技術(shù)
與傳統(tǒng)動力形式相比,電推進系統(tǒng)具有一定程度的功率相對尺度無關(guān)性,電動飛機總體設(shè)計可突破傳統(tǒng)架構(gòu)的限制,具有廣闊的設(shè)計空間。另一方面,受限于電池等部件功率密度和能量密度水平,與采用傳統(tǒng)動力形式的常規(guī)布局飛機相比,電推進系統(tǒng)會影響航程和有效載荷等性能指標,對氣動-結(jié)構(gòu)-推進一體化設(shè)計和氣動布局創(chuàng)新設(shè)計提出了需求。
(1)氣動-結(jié)構(gòu)-推進一體化設(shè)計技術(shù)
與傳統(tǒng)燃油飛機相比,新能源飛行器的氣動布局、推進系統(tǒng)設(shè)計等具有較高的自由度,且高度耦合,采用傳統(tǒng)的獨立設(shè)計方式限制了飛機綜合優(yōu)化設(shè)計水平,開展氣動、結(jié)構(gòu)、動力系統(tǒng)一體化設(shè)計能夠有效提高飛機性能。
(2)氣動布局創(chuàng)新設(shè)計技術(shù)
為滿足新能源飛行器氣動布局設(shè)計需求,優(yōu)化飛機氣動特性,改善飛機飛行性能,可開展以下非常規(guī)氣動布局的設(shè)計與研究。
翼身融合布局一將傳統(tǒng)的機身與機翼結(jié)構(gòu)融合,通過一體化設(shè)計制造提高升力,降低結(jié)構(gòu)重量與阻力,從而提高燃油效率,大幅改善飛機的飛行性能,同時可以滿足機上儲氫的空間需求。
桁架支撐翼布局一與傳統(tǒng)機翼相比,由于桁架承擔了部分載荷,減小了翼根彎矩,有利于減輕重量,在同等重量下可增加機翼面積,有利于降低阻力,提高升阻比。
分布式電推進布局一在機翼或機身上分布安裝多個螺旋槳/涵道風扇,可提高氣動效率、降低阻力。其中,附面層抽吸技術(shù)是在飛機尾部安裝嵌入式風扇,通過加速抽吸機身附面層降低阻力,改善氣動性能。
國內(nèi)外企業(yè)、高校和科研機構(gòu)正持續(xù)不斷探索新型氣動布局及各種氣動技術(shù)的潛力,典型布局和產(chǎn)品型號如圖9所示。
高效電推進技術(shù)
電推進技術(shù)通過高功率密度電動機帶動涵道風扇或螺旋槳,為飛機提供部分或全部飛行推力,不再完全依賴燃油,可以解決傳統(tǒng)飛機推進系統(tǒng)帶來的噪聲和污染(即氮氧化合物、煙煤以及未燃碳氫化合物)
排放問題。電推進技術(shù)是電動飛機的核心技術(shù),它的功重比直接決定了電動飛機的動力、效率等關(guān)鍵性能指標。為滿足高效率、高功重比和高可靠性要求,需要針對電推進系統(tǒng)開展如下關(guān)鍵技術(shù)研究。
(1)高功率密度電動機技術(shù)
目前的高功率密度電動機有常規(guī)電機(主要是永磁同步電機)和超導電機兩種。與其他電機相比,永磁同步電機(無刷直流電機)具有高效率、高功重比、高可靠性等優(yōu)點,成為電推進飛機電機的首選。隨著新型電推進飛機向大型化、長航程以及高可靠性等方向發(fā)展,輕質(zhì)高效和高可靠性的永磁同步電機成為未來電推進飛機電機的重要發(fā)展方向。
超導電機是采用超導體代替常規(guī)導電材料來實現(xiàn)電磁能與機械能之間能量轉(zhuǎn)換的裝置。具有體積小、重量輕、效率高、同步電抗小等特點,在相同重量和相同能量輸入下,可產(chǎn)生遠高于普通電機的扭矩,在電動飛機的應用方面具有極高潛力,將會成為代替煤油噴氣發(fā)動機的新型飛行動力裝置的關(guān)鍵部件。目前研究的超導電機絕大部分為半超導電機,全超導電機是未來超導電機的重要發(fā)展趨勢。
(2)分布式電驅(qū)動技術(shù)得益于電機的相對尺度近似無關(guān)
雙機身布局(德國DLRHY4氫燃料電池飛機)。翼身融合布局(西工大翼身融合縮比驗證機)。翼身融合布局(空客ZEROe概念機)。
自適應變形機翼(空客公司C295飛行試驗平臺)。
桁架支撐翼布局(NASA跨聲速桁架支撐翼TTBW)飛機模型)。
層流流動控制技術(shù)(NASA開槽自然層流翼型)。
主動控制技術(shù)(空客“超性能機翼”項目)。
性,總功率相同時單個大功率電機與多個小功率電機系統(tǒng)的功率密度和效率基本一致。采用多個小功率電機驅(qū)動較小直徑風扇的分布式電驅(qū)動系統(tǒng),可以在保證總功率不變的前提下有效提高涵道比、動力裝置的控制和容錯性能,同時小體積的電驅(qū)動系統(tǒng)能夠更方便地融入機身,提高飛機氣動效率。分布式電推進技術(shù)可以充分挖掘飛機-動力裝置-體化設(shè)計的潛力,獲得推進、氣動、重量等方面的綜合收益。
(3)電機驅(qū)動控制器
電機驅(qū)動控制器是保證永磁同步電機和超導電機高效可靠運行的必要設(shè)備,主要由控制模塊和驅(qū)動模塊兩部分組成。電動飛機電推進系統(tǒng)對電機驅(qū)動控制器提出了大功率、高效率、高可靠性和高功重比的要求。采用新一代碳化硅和氮化鎵功率器件的電機驅(qū)動控制器是未來的發(fā)展方向之一。
(4)新材料技術(shù)
為了提高電推進系統(tǒng)的效率,功率變換器、發(fā)電機、電動機和各種控制器中大量應用了先進新材料技術(shù),材料的磁性、絕緣性和導電性直接影響了電推進系統(tǒng)的性能水平。
(5)飛機-動力系統(tǒng)集成設(shè)計技術(shù)針對新能源動力對飛行器設(shè)計帶來的氣動、推進、結(jié)構(gòu)、重量等方面的新問題,需要深入分析動力裝置構(gòu)型、布局與飛行平臺性能之間的耦合關(guān)系,探索適用于新能源飛行器的動力裝置集成設(shè)計方法、流程和設(shè)計準則。
能量綜合管理技術(shù)
由于將電能作為飛機的一次能源,新能源飛行器電網(wǎng)容量迅速提升,負載特性日趨復雜,對配電系統(tǒng)的性能提出了更高要求;新能源飛行器的熱管理問題更加突出,在能量綜合管理方面需要開展以下研究。
(1)電網(wǎng)架構(gòu)
飛機電網(wǎng)架構(gòu)包含供電體制、配電系統(tǒng)及拓撲結(jié)構(gòu)、配電容錯及保護,是影響飛機安全性、可靠性、系統(tǒng)質(zhì)量、效率的關(guān)鍵因素。電動飛機電力系統(tǒng)面臨的多種約束條件(如重量、體積、飛機推進系統(tǒng)工況變化等)是配電系統(tǒng)設(shè)計的重要影響因素,需采用多目標優(yōu)化思路,滿足電動飛機系統(tǒng)要求。
(2)電力電子技術(shù)
電力電子技術(shù)是飛機電能傳遞、變換、控制的基礎(chǔ),電動飛機的電力系統(tǒng)包含大量整流器、逆變器及控制器件等。電力電子器件的功率密度、效率等指標決定了電力系統(tǒng)的性能,對飛機的安全性和可靠性具有重要影響。
(3)熱管理技術(shù)
熱管理技術(shù)用于飛機各部件及系統(tǒng)散熱、冷卻,是保障電動飛機各部件及系統(tǒng)(特別是電動機、電力電子設(shè)備)正常、高效工作的必要條件。此外,超導電機需要低溫環(huán)境以維持超導狀態(tài),采用熱管理技術(shù)能夠保障超導系統(tǒng)的隔熱能力,避免外部熱量影響超導低溫環(huán)境。
(4)能量智能管理
飛機系統(tǒng)日益復雜且高度耦合,采用傳統(tǒng)的各系統(tǒng)獨立能量管理方式無法實現(xiàn)飛機能量的高效利用。能量智能管理從飛機整體層面研究能量綜合優(yōu)化設(shè)計和控制管理,可有效提高能量利用效率。
能源系統(tǒng)技術(shù)
能源系統(tǒng)指的是為新能源飛行器提供電能的組件系統(tǒng),其性能從根本上決定了飛機的續(xù)航時間、航程以及運營成本。根據(jù)電能來源的不同,航空能源系統(tǒng)可分為儲能系統(tǒng)(三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池、鈉離子電池等,在電池中直接儲存電能)和電能轉(zhuǎn)化系統(tǒng)(各種燃料電池,將氫、氨等燃料轉(zhuǎn)化為電能)。長壽命高可靠性的能源系統(tǒng)具有更穩(wěn)定的供電能力、更低的維修和更換頻率,能有效提高新能源飛行器的綜合性能。
(1)儲能電池現(xiàn)階段應用于航空領(lǐng)域的儲能電池(又稱動力電池)主要為鋰離子電池,按照電解液狀態(tài)的不同又分為液態(tài)電池、凝聚態(tài)電池、固態(tài)電池等。2023年4月,寧德時代發(fā)布了凝聚態(tài)航空鋰電池,單體能量密度最高可達500Wh/kg,具有安全性高、可靠性強、循環(huán)壽命長等優(yōu)點,極大推動了我國航空動力電池的發(fā)展。國內(nèi)外的相關(guān)企業(yè)和研究機構(gòu)也在研發(fā)更多的電池技術(shù)方案滿足航空領(lǐng)域應用需求,例如,鋁-空氣電池、硅陽極電池、鋰金屬電池等。此外,我國也在探索鈉離子電池,其優(yōu)勢是制造成本低、原材料儲量大,對保證行業(yè)安全、維護供應鏈穩(wěn)定具有重要意義。
(2)燃料電池
氫/氨燃料電池是重要的航空能源系統(tǒng)解決方案,通過氫/氨在燃料電池中的電化學反應產(chǎn)生電能。由于氨燃料電池的效率和功率密度普遍低于氫燃料電池,氨的熱值也比氫更低,因此航空上大多采用氫燃料電池方案。氫燃料電池具有“零碳零污染”的特點,唯一的中間產(chǎn)物是水。制約氫燃料電池發(fā)展的主要技術(shù)短板是功率密度。近年來隨著材料和制造技術(shù)的進步,氫燃料電池的功率密度已經(jīng)大幅度提升,預計在5-10 年內(nèi)就可以滿足中大型飛行器的性能需求。飛機上的氫燃料電池面臨的另一個問題是熱管理,常見的質(zhì)子交換膜燃料電池理想工作溫度是 60~80°C =過高的溫度會導致能量轉(zhuǎn)換效率下降甚至是系統(tǒng)故障。使用燃料電池的地面車輛一般選擇強制對流換熱器,這種被動換熱器的外置散熱片面積較大,安裝在飛機上會對空氣動力性能造成負面影響。氫燃料電池飛機一般會使用主動換熱器技術(shù),也可以選擇與儲氫系統(tǒng)共用一套熱管理系統(tǒng)。此外,氨燃料電池也是航空領(lǐng)域的一種潛在能源解決方案。
(3)儲能電池-燃料電池混合供電系統(tǒng)
儲能電池-燃料電池混合供電系統(tǒng)是一種兼顧儲能電池和燃料電池優(yōu)點的航空能源系統(tǒng)解決方案。氫存儲罐的能量密度遠高于儲能電池,而氫燃料電池的功率密度又低于儲能電池,因此兩者的混合供電系統(tǒng)具有互補特性,既能保證飛機的峰值功率需求,又能保證飛機的續(xù)航能力。氫燃料電池在儲能電池的輔助下可以更多地運行在高效區(qū),從而提高氫燃料的經(jīng)濟性。由于氫燃料電池在負載變化時的動態(tài)響應較慢,響應速度更快的儲能電池可以改善系統(tǒng)動態(tài)特性,在飛機起降時提供更大的電流。此外,得益于儲能電池的協(xié)同作用,氫燃料電池輸出功率的變化可以保持在較低且穩(wěn)定的水平,極大緩解了與功率波動相關(guān)的氫燃料電池老化,進一步降低飛機的運營成本。
氫渦輪推進技術(shù)
氫渦輪推進技術(shù)指的是用氫作為發(fā)動機的燃燒原料替代傳統(tǒng)的航空燃油,直接帶動風扇產(chǎn)生推力或者帶動發(fā)電機發(fā)電,再驅(qū)動電動機帶動風扇產(chǎn)生推力。相比于傳統(tǒng)的化石燃料,氫燃料具有完全不同的物理和化學特性,為了充分發(fā)揮氫渦輪推進方案的性能優(yōu)勢,發(fā)動機必須進行針對性改進和優(yōu)化。主要研究內(nèi)容包括:① 發(fā)動機燃燒室結(jié)構(gòu),傳統(tǒng)航空煤油發(fā)動機燃燒室的幾何結(jié)構(gòu)不利于氫燃料和氧化劑的有效混合,降低了氫燃料的燃燒效率,因此需要重新設(shè)計航空發(fā)動機的燃燒室結(jié)構(gòu),針對超低溫液體燃料特性進行優(yōu)化;② 燃料噴射與混合裝置; ③ 熱循環(huán)和管理系統(tǒng); ④ 高速發(fā)動機冷卻系統(tǒng),通過使用低溫冷卻流進一步提高效率; ⑤ 低氮氧化物排放技術(shù),為了降低氫動力飛機的污染排放,需要針對氫燃料發(fā)動機開發(fā)低氮氧化物排放技術(shù),例如,微混合燃燒室、稀薄噴射技術(shù)和貧油直噴等。
氫燃料存儲技術(shù)
盡管氫的高熱值(143MJ/kg)是常見航空煤油(43MJ/kg)的3倍,但由于氫的密度極低,氫氣的能量體積密度遠小于航空煤油,即使是液氫的能量體積密度也僅僅是航空煤油的 1/30 氫動力飛機需要額外的氫燃料存儲空間,導致機身尺寸的增加,會產(chǎn)生更多的飛行阻力。
目前來看液氫存儲是比較合適的機上氫燃料存儲方案,相比于氣態(tài)存儲具有更高的能量體積密度,缺點是需要維持低溫高壓環(huán)境 1?-253°C ,1.429個標準大氣壓)。液氫存儲系統(tǒng)的低溫冷卻和絕緣裝置會消耗額外的能量,增加飛機的重量、體積和復雜度,從而降低了燃料的有效能量體積密度和安全性。為了提高液氫存儲系統(tǒng)的綜合性能,需要研究以下關(guān)鍵技術(shù): ① 存儲系統(tǒng)輕量化設(shè)計,包括先進材料研發(fā)、新型存儲結(jié)構(gòu)和循環(huán)蒸發(fā)處理系統(tǒng); ② 低溫冷卻系統(tǒng),包括低溫泵、管道和狀態(tài)監(jiān)測傳感器等; ③ 高電壓高功率電力系統(tǒng); ④ 機載液氫分配系統(tǒng),包括燃料管、液氫循環(huán)系統(tǒng)、通風管理系統(tǒng)、氣化裝置等。
根據(jù)液氫的物理特性,液氫存儲罐宜采用球形或柱形設(shè)計,不宜儲存在傳統(tǒng)的機翼油箱中。放置液氫存儲罐會導致機體尺寸增大和艙室空間減小,進而增加空氣阻力和飛行成本。對于中大型支線或干線飛機而言,現(xiàn)有的飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計無法滿足氫動力飛機的實際需求,需要開展 ⑤ 翼身融合設(shè)計、 ⑥ 箱式機翼結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān),提高飛機內(nèi)部空間的利用率并減小飛機體積。未來可能的幾種氫燃料布置方案如圖10所示,分為機體集成式和外掛式兩種。圖10中,(a)(b)(c)三種集成式設(shè)計方案可以直接在現(xiàn)有機型的基礎(chǔ)上進行改裝,但缺點是占用了機內(nèi)空間并導致有效載荷降低;(d)方案在翼身融合布局的基礎(chǔ)上設(shè)計,最大化利用了機內(nèi)空間;(e)和(f)屬于外掛式方案,優(yōu)點是不占用機內(nèi)空間,但可能對飛機的氣動布局造成影響。
主動式儲氫系統(tǒng)配備了完整的溫度控制裝置,優(yōu)點是存儲時間長、氫燃料蒸發(fā)量低,缺點是儲氫密度低,系統(tǒng)能耗高。與之對應的被動式儲氫系統(tǒng)則舍棄了溫控裝置,采用真空夾層等手段被動地隔絕氫燃料和環(huán)境之間的熱傳導以維持內(nèi)部溫度,優(yōu)點是成本低、重量輕、額外消耗的能量幾乎為零,但氫燃料的蒸發(fā)速度更快,一次加注后的存儲時間更短。
氫能生產(chǎn)與使用技術(shù)
氫動力飛機還要攻克氫燃料供應鏈中生產(chǎn)、運輸與存儲的技術(shù)難點。日本的氫動力汽車產(chǎn)業(yè)在政府和企業(yè)長達十余年的大力推動下仍然收效甚微,一個很重要的原因就是始終沒有解決氫動力汽車全面鋪開時的氫氣供應鏈安全性和經(jīng)濟性問題?;A(chǔ)設(shè)施配套的兩大關(guān)鍵技術(shù)分別是氫氣經(jīng)濟可持續(xù)生產(chǎn)技術(shù)及氫氣運輸與加注技術(shù)。
(1)氫氣經(jīng)濟可持續(xù)生產(chǎn)技術(shù)
氫氣的生產(chǎn)環(huán)節(jié)按照碳排放量的不同可分為“綠氫”和“灰氫”,前者的主要生產(chǎn)途徑是水的電解,電力來源是太陽能或者風能,不產(chǎn)生額外的污染;后者的主要生產(chǎn)途徑是蒸汽甲烷重整和煤的汽化,生產(chǎn)過程中釋放大量的二氧化碳。2023年,中國全年氫產(chǎn)量約為3500萬噸,其中“綠氫”占比不到1% ,產(chǎn)量約30萬噸。按照提供1kWh能量所需的成本計算,“綠氫”比航空煤油更昂貴?!熬G氫”平均生產(chǎn)成本為0.9元/kWh,“灰氫”的平均生產(chǎn)成本為0.3元/kWh。與之相比,2024年9月中石油航煤出廠價約7500元/噸,折合0.6元/kWh,必須降低“綠氫”的生產(chǎn)成本以提高其競爭力。
(2)氫氣運輸與加注技術(shù)
與傳統(tǒng)的化石燃料相比,氫燃料的物理和化學特性極其不穩(wěn)定,如何實現(xiàn)低成本的氫燃料運輸與存儲是氫動力飛機能否投入大規(guī)模商業(yè)運營的關(guān)鍵。氫氣的運輸和場地存儲環(huán)節(jié)需要對基礎(chǔ)設(shè)施進行改造,其中的兩個關(guān)鍵領(lǐng)域是向機場輸送氫氣以及機場的存儲與加氣設(shè)施。輸送氫氣的一個選擇是通過現(xiàn)有的天然氣輸送網(wǎng)絡(luò),對天然氣管道的改造需要投入大量的資金并進行全面的安全性評估,而且需要考慮氫氣的生產(chǎn)地(產(chǎn)能過剩的可再生能源工廠和氫氣生產(chǎn)基地)與使用地(機場)之間長距離運輸帶來的成本和安全性問題。因此,應當盡可能在機場直接制氫,通過使用機場附近的可再生能源進行水電解制氫。
端到端氫燃料運輸網(wǎng)絡(luò)是另一種解決方案,在氫生產(chǎn)基地將氫燃料加注并封裝在氫燃料膠囊存儲罐中,通過公路或鐵路交通運輸?shù)綑C場,然后直接把膠囊罐安裝到飛機上。這種飛機“換氫”方案的優(yōu)點是極大簡化了氫燃料儲運加注過程,降低了運輸管道、機場儲氫和加注設(shè)施的建設(shè)成本,加快了飛機補氫速度,但缺點是膠囊儲氫罐額外占用了機上空間并增大了重量,邊際成本較高,在氫燃料需求量達到一定規(guī)模后的效率和經(jīng)濟性落后于機場制氫方案,運輸網(wǎng)絡(luò)承載力上限也低于后者。因此,飛機“換氫”方案主要適用于氫燃料需求量較少并且基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不完善的前期發(fā)展階段。
可持續(xù)航空燃料技術(shù)
可持續(xù)航空燃料飛機的關(guān)鍵技術(shù)主要是不同種類燃料的生產(chǎn)、儲存與運輸,以及因燃料不同的化學和物理特性帶來的航空發(fā)動機、熱管理、燃油系統(tǒng)、防火系統(tǒng)等方面的關(guān)鍵技術(shù)??沙掷m(xù)航空燃料生產(chǎn)環(huán)節(jié)除了受到生產(chǎn)工藝和技術(shù)的影響外,原材料的供應量對其大規(guī)模應用也起著決定性作用。此外,政府和企業(yè)在推廣可持續(xù)航空燃料時也會關(guān)注安全性、經(jīng)濟性、環(huán)保性等多方面因素??沙掷m(xù)航空燃料的發(fā)展涉及航空制造、能源生產(chǎn)、交通運輸?shù)榷鄠€產(chǎn)業(yè),其主要技術(shù)難點和發(fā)展瓶頸存在于原材料供應、生產(chǎn)制造和基礎(chǔ)設(shè)施配套等方面。
根據(jù)技術(shù)水平、相關(guān)企業(yè)現(xiàn)有研發(fā)計劃、產(chǎn)業(yè)規(guī)模、原材料供給量、國家政策導向等要素評估不同的可持續(xù)航空燃料技術(shù)路線的可行性??沙掷m(xù)航空燃料的技術(shù)路線評價有以下幾個指標:
政策支持的程度;關(guān)鍵技術(shù)的成功率;關(guān)鍵技術(shù)成功后的技術(shù)成熟度等級;·相關(guān)研究與生產(chǎn)的研究機構(gòu)/企業(yè)的發(fā)展狀況和潛力。
目前航空業(yè)認可的可持續(xù)航空燃料生產(chǎn)技術(shù)路線有10\~15種,根據(jù)上述技術(shù)路線評價指標,具備長期發(fā)展?jié)摿Φ挠?種一一酯類和脂肪酸類加氫(HEFA)、醇噴合成(AtJ)、費托合成(FT)解聚工藝、電轉(zhuǎn)液工藝(PtL),前三種已通過國際認證,后兩種尚處于實驗室發(fā)展階段。
從原料來源的角度來說,我國具有較大發(fā)展?jié)摿Φ目沙掷m(xù)航空燃料原料來源有酯類、纖維素類和氣體類三種。酯類原料包括廢棄油脂、油料作物等,我國每年廢棄油脂產(chǎn)量在1000萬噸以上,理論上可以轉(zhuǎn)化成可持續(xù)航空燃料產(chǎn)量超過300萬噸。纖維素類原料包括能源植物、農(nóng)林廢棄物和城市垃圾等,我國目前有10億畝鹽堿地,種植蘆竹等能源植物理論上可以煉制的可持續(xù)航空燃料超過3000萬噸。氣體類原料包括“綠氫”和二氧化碳等,攻克碳捕捉、綠氫制備等關(guān)鍵技術(shù)后,氣體類原料的產(chǎn)量上限幾乎無窮。
(新能源飛行器發(fā)展規(guī)劃及措施將在第5期進行連載,敬請關(guān)注。)