|
民机战略观察 依托中国航空工业发展研究中心资源，跟踪报道国外民机产业、产品、技术领域的重大动向，提供要闻分析和专业解读。 随着全球航空运输量的增加，提高飞机的环保性、安全性和效费比成为民用航空领域的研究重点。经过数十年的设计优化，以航空煤油为燃料的传统飞机在减排降噪上可挖掘的潜力已经非常有限，为实现2050年全球碳排放量降低至2005年排放水平50%的目标，必须寻求新的解决方案，对此，电推进系统将发挥至关重要的作用。然而，飞机设计是一项复杂的系统工程，仅仅将推进装置从燃油发动机更换为电动机无法实现减排降噪的目标，必须从总体设计角度，对电动飞机的布局开展研究，探索与电推进系统相协调的最佳气动布局。美国和欧洲均致力于研究未来电动飞机的新概念布局，并取得了一定的研究成果。 一、分布式电推进（DEP）布局 由于电动机具有一定的功率相对尺寸无关性，因此可以将一个大型电机拆分成多个小电机，这为分布式电推进布局提供了可能。当前常见的分布式电推进布局是指在机翼或机身上分布多个电机和风扇，由电机带动风扇为飞机提供动力。 美国宇航局（NASA）的X-57“麦克斯韦”是分布式电推进验证机（图 1），由一架泰克南P2006T改装而成，改装与验证过程共分为4个阶段，其中Mod 1阶段进行P2006T的基础性试飞，开展需求分析、设计和地面测试；Mod 2阶段采用乔比航空开发的85KW电动机替代P2006T的2台活塞发动机，实现动力系统的原位替换；Mod 3阶段将P2006T的原始机翼替换为NASA设计的大展弦比新机翼，同时巡航电动机被移动到翼尖处；Mod 4阶段在两侧机翼前缘共安装12个小型电动机和螺旋桨，完成整个分布式电推进系统的设计和试验。 01 NASA分布式电推进验证机X-57“麦克斯韦” X-57将验证分布式电推进系统能够提高高速巡航状态下的能量效率，增加低速时的升力，或者在保证升力相同时降低机翼面积，从而减轻结构重量。 在分布式电推进布局方面，德国宇航局（DLR）也开展了相关研究。2019年12月，来自DLR气动和流体技术研究所的马丁·赫珀勒（Martin Hepperle）展出了他设计的19座分布式电推进飞机概念图（图 2）。从图中可以看到，该电动飞机沿机翼展向分布多个小型螺旋桨，机翼展向更长、弦向更窄、垂直安定面更小。赫珀勒认为，仅将电推进系统集成到现有的飞机上，对于提高飞机的能源效率并不是一种有效的做法，因为对于飞机设计的任何更改都将引发一系列的连锁反应，电动飞机的总体构型必须与推进系统相协调，因此，为了取得理想的效果，未来的电动飞机必须在构型上进行较大的革新。 02 19座分布式电动推进飞机，图片来源DLR 赫珀勒将这种构型用于分布式电推进的支线飞机，包括、翼尖推进的支线飞机（图 3）和沿机翼前缘分布式推进支线飞机（图 4）。赫珀勒认为，沿机翼分布的一系列小型螺旋桨有助于产生更大的升力，从而减小机翼面积，减轻飞机重量，降低阻力，减小所需的推进功率。此外，由于拥有多个推进器，如果其中一个出现故障，其他推进源可确保飞机具有更高的安全性。对于传统的双发飞机，如果一个发动机出现故障，飞机仍必须能够安全起飞，因此，发动机的尺寸通常比实际需要的更大，增加了整机的重量，如果采用分布式推进系统，则增重就不会那么严重。分布式电推进对于飞行控制也有一定的帮助，例如使用翼尖附近的电机可以实现飞机的偏航控制。飞机对方向舵的需求会降低，可将其设计的更小更轻，从而减少重量，降低阻力。 03 翼尖电推进支线飞机，图片来源：DLR 04 分布式电推进支线飞机，图片来源：DLR DLR对具有分布式推进系统的混合动力支线飞机进行了详细的分析，与目前的飞机相比，这种飞机将使燃油消耗降低30％以上。 二、尾部附面层抽吸布局 附面层抽吸是指在常规飞机的尾部安装嵌入式风扇，为机身尾迹注入能量，延缓机身的气流分离，降低飞机阻力。 NASA在其单通道带后置附面层推进的涡轮电推进飞机（STARC-ABL）项目研究中，对附面层抽吸技术开展了相关研究，并设计了飞机尾部安装涡轮推进器的混合电推进飞机布局。安装于尾部的嵌入式风扇一方面在飞机巡航阶段提供部分推力，另一方面为机身尾迹注入能量、降低阻力。尾部的嵌入式风扇由翼下安装的发动机带动发电机产生的电力驱动，由于全机阻力的减小，翼下发动机的尺寸相比传统翼吊布局更小。NASA的研究结果显示，相比传统布局的客机，尾部附面层抽吸布局能够节省燃油7～12%。 05 NASA带后置附面层推进的涡轮电推进飞机 2019年12月，DLR展示了他们研究提出的一种尾部带有电推进装置的中程飞机（图 6），机翼下方的发动机产生推力，同时还向飞机尾部的风扇提供电力，尾部风扇对飞机进行附面层抽吸，从而提高飞机的气动效率。与NASA设计的方案不同，DLR选择了“鸭式”布局，水平安定面位于飞机前部的“鸭翼”之上，垂直安定面位于翼尖。 06 带有尾部电推进的高效飞机，图片来源：DLR 除NASA和DLR之外，美欧多个研究机构也在开展应用BLI技术的创新布局研究，如极光飞行科学公司的D8布局、法国航空航天研究中心的Nova布局、德国包豪斯研究院的PFC布局等。 三、电动飞机新布局面临的机遇和挑战 为了满足能源战略和节能环保的要求，电动飞机已掀开了新一轮的研究热潮，各国航空研究机构在电动飞机新型总体气动布局上进行了多种尝试，电动飞机新布局对飞机设计带来的机遇和挑战主要体现在以下几个方面。 一是分布式电推进飞机将使噪声降低10％。不管采用哪种推进方式，气动噪声都是飞机在飞行过程中的主要噪声源，它是由发动机的螺旋桨/风扇以及机身和机翼周围的气流产生的。一系列小型螺旋桨产生的噪声不同于两个大型螺旋桨，因此新的推进概念将具有影响噪声产生的潜力，对此，DLR对气动声学开展了深入研究。DLR的研究表明，具有分布式推进系统的混合动力支线飞机将使噪声降低10％。 二是储能系统性能提升是亟待解决的最大问题。目前的电池很重，并且使用寿命有限，在可预见的将来，电池也将只能用于小型运动飞机。氢燃料电池被认为是未来能量存储的替代形式，但是价格昂贵，且系统复杂。因此，同时使用煤油和电力的混合动力系统被视为可行的过渡解决方案。DLR研究认为，虽然混合电推进系统较为复杂，并且具有重量上的劣势，但这种类型的电动支线飞机仍然可以轻松载运100名乘客，飞行长达2000千米。 三是需要提高电力转换效率。混合电动飞机电力的转换和转移将会造成一部分能量损失，提高转换效率将有助于提高整机的能源使用效率，减轻飞机重量，提高续航时间和航程。 四、DLR在电动飞机领域的其他研究 当前关于电动飞机的概念设计对未来航空电力推进系统和电池技术的研究和测试具有重要的意义。电动飞机是短途航线的有效且可持续的选择。欧盟清洁天空2“先进发动机和飞机构型”（AdvancedEngine and Aircraft Configurations ，ADEC）项目正在对这些概念进行研究。来自德国DLR的科学家正在与法国和荷兰的研究机构（如ONERA、代尔夫特理工、NLR等）以及工业界（如空客、罗罗等）开展合作，共同研究这种创新推进系统和概念的潜力。 此外，DLR还参与了“分布式混合动力推进系统协同集成”（SynergIE）项目，该项目是德国国家航空研究计划的一部分，由联邦经济和能源部（BMWi）资助，重点研究飞行物理学和混合电动飞机的整体性能评估。 |
|
|
