羅·羅公司布局無人駕駛城市空中交通動力市場

穆作棟

無人駕駛城市空運市場巨大，作為全球飛機發動機的制造商，羅爾斯·羅伊斯公司面對如此龐大的市場未雨綢繆、反應迅速，積極布局無人駕駛城市空運飛行器動力市場。

與全球諸多航空發動機制造商一樣，羅爾斯·羅伊斯（以下簡稱羅·羅）正處于軍、民用航空領域的新興電力革命浪潮之中。隨著羅·羅公司在新型推進技術的多個并行領域開展嘗試，該公司21世紀電動飛機戰略發展計劃的關鍵細節逐漸顯現。羅·羅公司在新型推進技術領域的嘗試主要包括如下3個方向：針對近期多電飛機需求的嵌入式起動/發電機測試;旨在打造世界上最強勁的飛機發電機E-Fan X計劃;推動電動技術發展的ACCEL、eVTOL和Volante項目。

羅·羅把握電氣化發展機遇，將立足燃氣輪機優勢形成航空電氣化能力

羅·羅公司內部新近成立了電氣（Rolls-Royce Electrical培B門，專門負責監管電氣化相關的新工業戰略，以應對航空領域電氣化這一“不可避免的趨勢”。該部門主管薩拉·波克森表示，“我們正處于歷史的關鍵時刻。”

汽車行業（預計到2040年將有多達10億輛電動汽車運行）推動了電動相關技術發展，提高了電機、電力電子設備和能量存儲系統的功率密度，“相關技術在航空領域的應用即將實現，我們意識到了這一現實。”薩拉·波克森表示，羅·羅的電動戰略將基于在燃氣輪機技術方面的工業優勢。“我們沒有指望電動革命在一夜之間發生，”薩拉·波克森表示，“在接下來的5年、10年乃至15年間，我們預計公司的大部分核心能力仍然集中在燃氣輪機領域，這也是我們繼續發展現有能力的原因。”

隨著燃氣輪機的不斷優化以及未來飛機發動機與機身更緊密的集成，2個關鍵因素推動了羅·羅將電氣化作為產品創新的關鍵領域之一。其一是電氣化領域內的巨額資金正在培育新一代競爭對手，其二是由于傳統發動機發展在未來數十年可能遇到瓶頸，會限制航空業的長期可持續發展。

“在傳統發動機領域，我們即將達到技術曲線上的頂峰，材料技術無法獲得無限制的持續改進。”薩拉·波克森表示，為了達成國際航空研究合作項目（ICARe，歐盟在H2020框架內設立的多國航空合作平臺項目）設立的2050年減排量目標，“無論是飛機設計還是發動機設計都必須徹底改變，電氣化將成為實現這一目標的促成技術。”

隨著羅·羅公司對電氣化領域的日益關注，該公司在維持其現有能力的同時，開始關注永磁推進器等電氣產品領域，在最近對商業、海運等業務的剝離過程中，相關電氣化部分也得以保留。“最值得注意的一點是，羅·羅公司在挪威特隆赫姆設有一個名為智能電機（ SmartMotor）的設計集團，在向康斯伯格公司的業務出售過程中，羅·羅將該集團保留下來，并更名為挪威羅·羅電氣（Rolls-Royce ElectricalNorway）。羅·羅還擁有動力系統公司（ PowerSystems），該公司已經完成了混合動力列車、微電網和潛艇技術的研究。因此羅·羅公司具有豐富的混合動力經驗，正在確保將這些技術中的一部分協同起來。”薩拉·波克森表示。

廣泛的行業研究表明，電推進的初始應用更有可能在較小規模下實現。奧爾表示，“在有效載荷、速度和航程較大的應用場景，混合電動和多電技術更為合理;在有效載荷、速度和航程較小的應用場景，全電技術更為適合。就時間表而言，可能需要5年乃至25年、35年以上。”

羅·羅認為未來的單通道客機的電池化學成分可能與當前完全不同，未來將需要更高的電壓以提供高達數十兆瓦的功率。波音787是世界上首架多電飛機，其儲能元件的能量密度達到150Wh/kg，電力電子設備功率密度為5kW/kg，2臺發電機的功率密度為3kW/kg。但2030年代的小型混合電動客機的能量密度需求高達1，OOOWh/kg，電力電子設備的功率密度需要4倍于787技術水平，發電機功率密度需要20kW/kg。

羅·羅在多電飛機和電推進飛機方面已開展多項工作

羅·羅公司的發展戰略反映了電氣化技術影響航空業的2種方式，其一是漸進發展式，例如多電飛機技術;其二是顛覆性的革命方式，如電推進技術。羅·羅目前在這兩條路線上均開展了的研究工作。

持續推進多電技術提升一一針對近期多電飛機需求的嵌入式起動，發電機的研究

羅·羅在位于英國布里斯托的工廠正在開展E2SG項目，該項目在阿杜爾軍用發動機上裝載了嵌入式電動起動發電機并開展測試。“我們從智能電動機團隊獲得了從高壓（ HP）軸和低壓（ LP）軸獲取動力的經驗，本項目是一種雙軸電力輸出電氣系統，”羅·羅電氣的團隊負責人埃迪·奧爾表示。“這一設計非常成功，同時將電氣、機械、熱管理和海洋等領域的工程師匯聚到一起。”

這項工作建立在2017年的研究基礎上，此前的工作中，發動機起動后通過嵌入式高壓軸起動發電機切換到發電模式。“今年我們將把發電機與低壓軸連接，”埃迪·奧爾說。“我們繼續使用高壓軸起動發電機，并將能量存儲引入該系統。我們已經完成了子系統檢查，現在正在與測試臺上的發動機進行集成。”進一步測試計劃于今年開展。

上述E2SG的工作正在被納入英國“暴風（ Tempest）”第五代戰斗機項目。“該技術也可用于大型民用發動機，團隊正在研究如何更好地管理喘振裕度，”奧爾指出。“不需要打開引氣閥，該系統可通過減少電能輸出以降低壓縮機所做功。為了滿足平臺所需電能，可從高壓軸獲取剩余所需電能。”

在大飛機上開展電氣化關鍵部件技術驗證一一為空客E-Fan X驗證機打造世界上最強勁的飛機發電機

羅·羅與空客、西門子共同開發了E-Fan X演示驗證機，用于評估支線客機的混合電推進可行性。薩拉·波克森表示，羅·羅公司將提供2.5MW發電機與電力電子設備，安裝于1臺羅·羅AE2100渦槳發動機上。該發動機將裝載在深度改裝的BAe 146/Avro RJ飛機上進行飛行測試，如果測試成功，則該發動機發電機會成為“世界上最強勁的飛機發電機”。

測試平臺原本裝配有4臺霍尼韋爾LF507渦扇發動機，其中1臺會被電動機系統替換。該電動機系統配有碳化硅電力模塊和永磁材料，為電機提供3000V交流電以驅動風扇轉動。風扇來自于1臺AE3007發動機（羅·羅公司上世紀90年代推出的大涵道比700kg級渦扇發動機）。雖然E-Fan X飛機的推進裝置是燃氣輪機與電機的組合，因而屬于并聯式混合動力，但該實驗的主要目的是通過該電動機系統評估串聯混合動力的可行性，在該模式下推進裝置是電動的，具有額外的儲能裝置。

埃迪·奧爾表示發電機是一項綜合性的工作。“位于德比的電氣設計團隊正在與挪威羅·羅電氣團隊合作，并得到了美國和新加坡的支持。”該計劃的大部分內容是作為歐洲清潔天空2研究計劃的一部分進行的，但“有些方面獨立于該計劃”。在E-FanX項目中，羅·羅提供動力裝置、發電機和風扇，空中客車公司提供儲能和各系統的組合方案，西門子提供電機驅動器。

埃迪·奧爾強調，E-Fan X預計將在2020年末推出，但電推進飛機的最終構型與E-Fan X不同。“電推進飛機的概念可能發展為串聯混合電推進，或邊界層吸入設計。目前開展的工作是展示大型高壓電機在高空工作的能力。尚有許多問題待解決，包括熱綜合管理、電暈放電，”他補充說，提到了防止高壓電纜在巡航高度產生電弧的挑戰。在這方面，羅·羅很大程度上依賴于設置于大學中研究網絡，特別是在曼徹斯特，該研究網絡正在研究安裝故障以及電弧和火花的影響。

“主要問題是線纜和終端，因為兩者都有機會產生電暈效應，”埃迪·奧爾說。“線纜問題主要包括監測潛在的絕緣擊穿現象，以及由于內部放電電弧導致的電纜擊穿。還必須考慮機器和終端內線圈的絕緣兼容性。因為這一領域尚屬空白，因而還有許多問題需要解決。“作為一家航空航天企業，研究成果需要在行業內共享，每個人都需要了解圍繞電弧和火花的失效機制，但“團隊解決問題的過程是我們行業競爭力的體現”。

在小型通用飛機上開展電動飛機概念驗證一一推動電動技術發展的ACCEL、eVTOL;FlIVolante項目

在全電推進領域，羅·羅和合作伙伴YASA領導了一項由英國政府支持的研究項目“加速飛行電氣化（ ACCEL）”，以探索在演示飛機中使用高功率電氣系統。“這一項目是羅·羅與電動飛行（ Electroflight）、YASA的合作。”薩拉·波克森解釋道。“電動飛行”是一家總部位于英國的公司，專門從事高性能電力系統包括儲能系統的研制。

不到20名工程師和1名項目經理致力于這一全電推進飛機項目，計劃在36個月內、使用有限的預算，完成從概念到飛行的全過程。“我們在項目中輪換工程師，目的在于促進電力供應鏈并提供電氣系統能力獲取的獨立途徑。我們專注于儲能和高功率密度電機技術。”這項電池驅動的運動飛機項目的飛行測試預計在2020年開展，羅·羅公司計劃創造新的空速記錄。

羅·羅希望在ACCEL計劃中積累關于鋰離子電池模塊集成和封裝的寶貴經驗，以及更好地了解中央電池的熱分析方法，并確定電池可能在何種情況下發生過熱。此外，電池管理、以及特定復合材料是否有助于控制熱環境等問題也是羅·羅在該計劃中可能遇到并需要解決的。

此外，羅·羅公司針對個人飛行器和剛剛起步的城市空中交通市場的推出了小型電動和混合動力電動計劃，公司旗下的印第安納波利斯集團（ Indianapolis）基于M250渦軸發動機開發了混合動力系統，正在進行地面測試。

該計劃始于2018年初，通過1年的工作，“研制1套混合動力推進系統并演示了3種運行模式一串聯混合動力、并聯混合動力和渦電。三種操作模式均已進行測試，初始的地面測試于2018年第四季度完成，今年的計劃是研究準備飛行的解決方案。這一項目覆蓋了500 - 800kW的功率范圍，是電動垂直起降的最佳選擇。“薩拉·波克森表示。

為了研究電推進的技術可行性和發展挑戰，羅·羅設計了自己的電動垂直起降飛機。“這是羅·羅第一次提出飛機層面的概念，概念的提出是基于M250混合動力推進系統。”薩拉·波克森表示。這款5座串聯式混合電動飛機采用了螺旋槳和傾斜機翼設計，吸收了鷂式戰斗機的垂直/短距起降技術的相關經驗，鷂式戰斗機的發動機“飛馬”由布里斯托爾航空發動機公司設計，該公司于上世紀60年代被羅·羅公司兼并。M250的功率約500kW，驅動6個電動螺旋槳，能夠使該機以250miles/h的速度飛行約500 miles（ 800km），在巡航高度上，飛機的升力螺旋槳將折疊，由機身后部安裝的螺旋槳提供動力。

埃迪·奧爾表示，“我們尚未推出相關產品，但所做的所有技術和集成工作都會支持產品發展。”全尺寸飛機計劃也將與現有的飛機制造商和其他航空航天公司合作完成。“如果新的電動飛機市場出現，大型企業希望確保其與現有市場一樣安全。”

羅·羅還與汽車制造商阿斯頓馬丁公司、克蘭菲爾德航空航天解決方案公司以及克蘭菲爾德大學合作，開發一款用于城市和城際航空旅行的混合動力3座飛機。該飛機被稱為Volante Vision概念機，動力系統基于M250發動機，初步計劃于21世紀20年代中期投放市場。

埃迪·奧爾表示：“Volante目前只是一個概念，但假設解決了所有的整合挑戰，我們相信它可以飛行。該設計具有合適的功率和儲能水平，因此功率重量比良好。由于主推進系統不是全電動的，因此在適航認證等方面存在挑戰。但作為工業界的一員，我們正在與監管機構和認證機構合作以克服這些障礙。”