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罗罗公司的飞机电气化发展计划

2020-11-21 21:44:31

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混合动力电动E-FanX验证机。

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VolanteVision概念飞行汽车渲染图。

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ACCEL演示飞机,相关技术可用于电动垂直起降和支线运输。

讯:与全球诸多航空发动机制造商一样,罗尔斯·罗伊斯正处于军、民用航空领域的新兴电力革命浪潮之中。随着罗罗公司在新型推进技术的多个并行领域开展尝试,该公司21世纪电动飞机战略发展计划的关键细节逐渐显现。罗罗公司在新型推进技术领域的尝试主要包括如下三个方向:针对近期多电飞机需求的嵌入式起动/发电机测试;旨在打造世界上最强劲的飞机发电机E-Fan X计划;推动电动技术发展的ACCEL、eVTOL和Volante项目。

立足燃气轮机优势形成航空电气化能力

罗罗公司内部新近成立了电气部门,专门负责监管电气化相关的新工业战略,以应对航空领域电气化这一“不可避免的趋势”。“在传统发动机领域,我们即将达到技术曲线上的顶峰,材料技术无法获得无限制的持续改进。”该部门主管萨拉·波克森表示,为了达成国际航空研究合作项目(ICARe)设立的2050年减排量目标,“无论是飞机设计还是发动机设计都必须彻底改变,电气化将成为实现这一目标的促成技术。”

随着罗罗公司对电气化领域的日益关注,该公司开始关注永磁推进器等电气产品领域,在最近对商业、海运等业务的剥离过程中,相关电气化部分也得以保留。“值得注意的是,罗罗公司具有丰富的混合动力经验,正在确保将这些技术中的一部分协同起来。”波克森表示。

广泛的行业研究表明,电推进的初始应用更有可能在较小规模下实现。在有效载荷、速度和航程较大的应用场景,混合电动和多电技术更为合理;在有效载荷、速度和航程较小的应用场景,全电技术更为适合。就时间表而言,可能需要5年乃至25年、35年以上。

罗罗公司认为未来的单通道客机的电池化学成分可能与当前完全不同,未来将需要更高的电压以提供高达数十兆瓦的功率。波音787是世界上首架多电飞机,其储能元件的能量密度达到150瓦时/千克,电力电子设备功率密度为5千瓦/千克,2台发电机的功率密度为3千瓦/千克。但2030年代的小型混合电动客机的能量密度需求高达1000瓦时/千克,电力电子设备的功率密度需要4倍于波音787技术水平,发电机功率密度需要20千瓦/千克。

在多电飞机和电推进飞机方面已开展多项工作

罗罗公司的发展战略反映了电气化技术影响航空业的两种方式,其一是渐进发展式,例如,多电飞机技术;其二是颠覆性的革命方式,如电推进技术。罗罗目前在这两条路线上均开展了的研究工作。

持续推进多电技术提升——针对近期多电飞机需求的嵌入式起动/发电机的研究。罗罗在位于英国布里斯托的工厂正在开展E2SG项目,该工作正在被纳入英国“暴风”第五代战斗机项目。该技术也可用于大型民用发动机,团队正在研究如何更好地管理喘振裕度。

在大飞机上开展电气化关键部件技术验证——为空客E-Fan X验证机打造世界上最强劲的飞机发电机。罗罗与空客、西门子共同开发了E-Fan X演示验证机,用于评估支线客机的混合电推进可行性。波克森表示,罗罗公司将提供2.5兆瓦发电机与电力电子设备,安装于1台罗罗AE2100涡桨发动机上。该发动机将装载在深度改装的BAe 146/Avro RJ飞机上进行飞行测试,如果测试成功,则该发动机发电机会成为“世界上最强劲的飞机发电机”。

测试平台原本装配4台霍尼韦尔LF507涡扇发动机,其中1台会被电动机系统替换。该电动机系统配有碳化硅电力模块和永磁材料,为电机提供3000V交流电以驱动风扇转动。风扇来自于1台AE3007发动机。虽然E-Fan X飞机的推进装置是燃气轮机与电机的组合,因而属于并联式混合动力,但该实验的主要目的是通过该电动机系统评估串联混合动力的可行性,在该模式下推进装置是电动的,具有额外的储能装置。

E-Fan X预计将在2020年末推出,但电推进飞机的最终构型与E-Fan X不同。“电推进飞机的概念可能发展为串联混合电推进,或边界层吸入设计。目前开展的工作是展示大型高压电机在高空工作的能力。尚有许多问题待解决,包括热综合管理、电晕放电,其中还包括防止高压电缆在巡航高度产生电弧的挑战。在这方面,罗罗很大程度上依赖于设置于大学中研究网络,特别是在曼彻斯特,该研究网络正在研究安装故障以及电弧和火花的影响。

在小型通用飞机上开展电动飞机概念验证——推动电动技术发展的ACCEL、eVTOL和Volante项目。在全电推进领域,罗罗和合作伙伴YASA领导了一项由英国政府支持的研究项目“加速飞行电气化”(ACCEL),以探索在演示飞机中使用高功率电气系统。“这一项目是罗罗与电动飞行、YASA的合作。”波克森解释道。“电动飞行”是一家总部位于英国的公司,专门从事高性能电力系统包括储能系统的研制。

罗罗公司希望在ACCEL计划中积累关于锂离子电池模块集成和封装的宝贵经验,以及更好地了解中央电池的热分析方法,并确定电池可能在何种情况下发生过热。此外,电池管理、以及特定复合材料是否有助于控制热环境等问题也是罗罗在该计划中可能遇到并需要解决的。

此外,罗罗公司针对个人飞行器和刚刚起步的城市空中交通市场的推出了小型电动和混合动力电动计划,公司旗下的印第安纳波利斯集团基于M250涡轴发动机开发了混合动力系统,正在进行地面测试。该计划始于2018年初,通过1年的工作,研制一套混合动力推进系统并演示了三种运行模式——串联混合动力、并联混合动力和涡电。三种操作模式均已进行测试,初始的地面测试于2018年第四季度完成,今年的计划是研究准备飞行的解决方案。这一项目覆盖了500~800千瓦的功率范围,是电动垂直起降的最佳选择。

为了研究电推进的技术可行性和发展挑战,罗罗设计了自己的电动垂直起降飞机。“这是罗罗第一次提出飞机层面的概念,概念的提出是基于M250混合动力推进系统。”波克森表示。这款5座串联式混合电动飞机采用了螺旋桨和倾斜机翼设计,吸收了鹞式战斗机的垂直/短距起降技术的相关经验。

目前。罗罗公司尚未推出相关产品,但所做的所有技术和集成工作都会支持产品发展。全尺寸飞机计划也将与现有的飞机制造商和其他航空航天公司合作完成。如果新的电动飞机市场出现,大型企业希望确保其与现有市场一样安全。

罗罗公司还与汽车制造商阿斯顿马丁公司、克兰菲尔德航空航天解决方案公司以及克兰菲尔德大学合作,开发一款用于城市和城际航空旅行的混合动力3座飞机。该飞机被称为Volante Vision概念机,动力系统基于M250发动机,初步计划于21世纪20年代中期投放市场。


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