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美国航空航天局（NASA）建立的电推进试验台（NEAT）主要用于测试大功率、高电压和高空环境下的混合电动推进系统，计划初步应用于波音737这一等级飞机上，并计划未来测试宽体飞机推进系统。 世界上有很多研究机构正在测试基于燃气涡轮发动机的飞机推进系统，这项技术仍然很先进，而且人们对它已经有很多的研究。然而，飞机的电推进系统却是另外一番情景。目前，航空界正在研究未来用于大型客机的电推进系统概念，但是这些概念在投入飞行试验之前，需要进行大规模、高功率的地面试验，从而妥善排除一切系统问题。 波音737飞机机体和截短的机翼安装在NEAT上进行全尺寸传动系统试验。 飞机电推进系统必须重量轻，并且能够在高功率、高电压和高空环境下工作，但是即使像汽车制造业和其他已经使用电驱动系统的行业也缺乏在以上这种复杂环境下应用电推进系统的经验。电推进系统带来了功率和热管理、容错控制、电磁干扰抑制以及预料之外的系统交互等一系列问题，这些问题对于飞机和发动机设计者来说都是全新的，有必要进行深入研究。 建设NEAT 为了使电推进技术顺利从实验室进入飞行试验，美国航空航天局（NASA）正在建造一个电推进飞机试验台（NASA Electric Aircraft Testbed, NEAT），以实现未来单通道飞机全尺寸、实际飞行重量条件下的电推进系统地面试验，以便将电推进系统的技术成熟度（TRL）提高到6级，为飞行试验做好准备。 NEAT能测试全套电推进系统，其功率可达到24MW，汇流条电压可达到4500V。NEAT位于美国俄亥俄州的NASA格林研究中心的梅子溪站。NEAT之所以选址在梅子溪，是因为那里有之前遗留下来的热核火箭试验设施和风速可达到Ma7的高超声速风洞。这些设施能提供NEAT所需要的功率、冷却和低温基础设施，确保大功率常规或超导电驱动试验的开展。 STARC-ABL方案由机翼下涡扇发动机驱动的发电机带动尾部涵道风扇提供动力。 随着梅子溪站设施的改装，2016年9月，NASA进行了首次低功率试验，试验中采用两台现有电动机模拟一台GE公司的CF34涡扇发动机。基础设施改装完成后，NASA进行了适度的初步试验，只用了两台125kW的电动机对NASA开发的控制软件，以及安装在NEAT上的测量仪表、冷却设施和其他服务装置进行了试运行。同时，初步试验还能够为NASA的X-57麦克斯韦项目提供研制分布式电推进飞行验证机所需要的电磁干扰数据。当功率达到200kW时，X-57的功率级别将与NEAT首次试验的功率水平相当。X-57飞机计划于2018年首飞。 STARC-ABL试验 近期，NASA正在研究一种混合电推进飞机方案，即在NEAT上配装波音737飞机级别的电推进系统，试验单通道后边界层推进电动涡轮飞机（Single-aisle Turboelectric Aircraft with Aft Boundary Layer Propulsion, STARC-ABL）。STARC-ABL驱动系统的试验计划在今年9月启动，首先从0.5MW的低功率开始，到2018年将进行2.6MW的全功率试验，其他构型的试验也将陆续进行。NASA格林研究中心的混合燃气-电动推进技术总监Rodger Dyson表示：“从长期来看，我们计划针对不同充电功率阶段的150座级单通道飞机电推进系统进行试验。” 现在，NASA正在NEAT内安装一架波音737飞机机体和截短机翼，以为全尺寸单通道电推进系统提供准确的布线和接线长度。对于STARC-ABL构型，安装在翼下涡扇发动机的发电机需要驱动尾部涵道风扇工作，涡轮发电机的间距为976cm，机翼翼根到尾部推进器的距离为2104.5cm。 NEAT能够试验包括分布式推进风扇在内的不同的电推进系统构型。 对于STARC-ABL试验来说，准备工作包括从波音737机尾向前截取一段610cm长度的腔体并封闭起来，对腔体进行减压使其气压相当于海拔15250m的高空环境，以便测试全功率条件下的电动机和换流器。因为在如此高的高度，高电压电弧对电动机性能有较大的影响。设计NEAT是为了试验配装波音737尺寸级别的窄体喷气机的电推进系统，但是在2024年后还可扩展用于试验宽体飞机。 NASA计划在今年8月完成试验台建设。试验将从混合电动车辆上使用的牵引电机开始,具体将采用两台由派克宇航公司生产的125kW功率的永磁电动机以轴连接方式安装，用于驱动和负载。所以，它们可同时模拟驱动涵道风扇的发电机和电动机。 在STARC-ABL上，尾部涵道风扇吸入机体上方流速缓慢的边界层并重新增强了尾流，从而降低阻力。这可减小涡扇发动机为满足巡航飞行而需要设计成的尺寸，同时降低飞机重量和燃油消耗。NASA的研究显示，配装全套电推进系统后燃油效率可提高7%～12%。另外，尽管增加了一些额外的电气部件、风扇和导管，但是整体重量仍能够减轻20%。 在NEAT试验台上，用两台电动机模拟一台涡扇发动机，通过控制电动机来模拟燃气涡轮发动机的速度、扭矩和惯性曲线。用另外多台电动机模拟尾部推进器，该电动机组可控并且可模拟不同高度下的涵道风扇特性。 该试验共需要8组250kW的电动机，可为涵道风扇提供0.5MW的功率。但是到2018年年底，当NASA研制出大功率电动机时，试验台上模拟一台涡扇发动机的两台电动机将产生1.4MW的功率，从而以2.6MW的全功率水平驱动尾部推进器。 为了研制效率高、重量轻的1MW级航空大功率电动机，NASA投资了5个不同的研究方案。虽然这5个方案构型各不相同，但是初步演示显示这5个方案都十分接近设计要求，即99%的效率和13kW/kg的功重比。2018年，NASA期望有符合规范要求的硬件可以实现。2019年，超导电动机和换流器预期可以得到应用。 按照初期设计，STARC-ABL的推进系统是按照发动机-发电机-电动机-风扇顺序传递功率的一套混合动力。下一步，NASA计划在NEAT上对波音公司的SUGAR Volt并行混动构型进行试验。波音的方案是在涡扇发动机轴上安装电动机，在飞机起飞和爬升时采用电池供电增加推力。除此之外，NEAT还可能用于试验ESAero公司的ECO-150分布式电动涡轮推进概念。这种概念是用安装在机翼上的涡轮发电机组驱动嵌入在机翼内的涵道风扇阵列。 作者：兰海青、孙明霞，中国航发沈阳发动机设计研究所。 责任编辑：赵利。 欢迎大家在文末留言，分享您的看法。 |
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