NASA電氣化飛機(jī)技術(shù)研發(fā)現(xiàn)狀及應(yīng)用前景綜述

高 楊

（中國航發(fā)湖南動力機(jī)械研究所，株洲 410000）

美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的 電 氣 化 飛 機(jī) 推 進(jìn)（Electrified Aircraft Propulsion，EAP）的研究目的是針對從城市空中交通市場到亞聲速運(yùn)輸機(jī)市場的多種尺寸、航程和飛行速度的飛機(jī)，利用電機(jī)部分或完全驅(qū)動飛機(jī)推進(jìn)裝置對推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行研究。它包括3種形式的推進(jìn)系統(tǒng)能量源，分別為全電（儲電裝置）、混電（基于電氣和燃油的儲能裝置）以及渦輪電力（僅基于燃油儲能裝置）。研究的總體策略為首先建立關(guān)鍵支撐技術(shù)，其次在飛行試驗器上進(jìn)行技術(shù)驗證，最后將技術(shù)應(yīng)用于未來航空產(chǎn)業(yè)。

1 NASA EAP研究

基于應(yīng)用市場的需求，NASA啟動了EAP研究，考慮的市場對象包括現(xiàn)有國內(nèi)/國際民用飛機(jī)市場（航程大于4 828.032 km、單通道以上的跨聲速飛機(jī)）、按需出行潛在新興市場（半自動或全自動短途垂直起降飛機(jī)）以及短途支線飛機(jī)市場（載客量低、航程較短的渦槳飛機(jī)）。

前期研究基于隱含的技術(shù)假設(shè)對EAP與自動飛行在這3類市場內(nèi)的潛在優(yōu)勢進(jìn)行分析。結(jié)果表明：針對國內(nèi)/國際空運(yùn)市場，EAP可以實現(xiàn)節(jié)能減排；EAP與自動飛行相結(jié)合，可適用于區(qū)域交通按需出行市場；自動化EAP可以降低飛行員的操作負(fù)荷，一定程度重新振興短途低載客量的支線飛機(jī)市場。

1.1 先進(jìn)空中運(yùn)輸技術(shù)項目

先進(jìn)空中運(yùn)輸技術(shù)項目面向民用運(yùn)輸市場，是一個研究領(lǐng)域覆蓋極廣的NASA研究項目。在此項目下，2014年啟動了混合燃?xì)?電氣子項目，旨在尋求運(yùn)輸級別的EAP飛機(jī)概念、識別技術(shù)障礙及推進(jìn)技術(shù)成熟度。混合燃?xì)?電氣項目團(tuán)隊從3個層面進(jìn)行了研究。第一層面，研究飛機(jī)概念方案，識別潛在氣動效率收益。第二層面，研究傳動構(gòu)型。第三層面，研發(fā)實現(xiàn)飛機(jī)動力系統(tǒng)顯著改進(jìn)的基礎(chǔ)部件。

波音、聯(lián)合技術(shù)研究中心和羅羅北美公司對混合電推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計，將電池儲能設(shè)備納入推進(jìn)系統(tǒng)，對窄體飛機(jī)的外形只做了少量變化。研究表明，先進(jìn)的電池管理系統(tǒng)（750～1 000 Wh·kg-1）加上對渦輪發(fā)動機(jī)的進(jìn)一步優(yōu)化，可以改善窄體飛機(jī)的整體能量利用情況。羅羅北美公司評估采用1.5 MW電機(jī)和400 Wh·kg-1電池的90座級的客機(jī)，結(jié)果表明925 km航程任務(wù)下混電系統(tǒng)的能量利用率提高2%，短途飛行任務(wù)中燃油效率提升近14%[1]。

其他早期的EAP構(gòu)型如N3-X和ECO-150，采用的是完全渦輪電力推進(jìn)，將所有的渦輪軸功率轉(zhuǎn)換成電能，然后分配給多個電機(jī)驅(qū)動的風(fēng)扇。全分布式構(gòu)型可以充分利用分布式風(fēng)扇和先進(jìn)邊界層吸收技術(shù)提高推進(jìn)效率，但需要極度高效的電機(jī)和功率分配系統(tǒng)來承受巨大的電能載荷。有研究對“帶后邊界層吸收裝置的單通道飛機(jī)”的尾椎推進(jìn)器進(jìn)行了評估，并將其作為部分分布式渦輪電力推進(jìn)的極簡解決方案。該方案基于現(xiàn)有或短期內(nèi)可實現(xiàn)的技術(shù)，為飛發(fā)一體化打開了一扇新的大門，預(yù)期在1 667 km的典型任務(wù)范圍下可節(jié)油2.7%，在6 482 km的設(shè)計任務(wù)范圍下可節(jié)油3.4%。此外，研究以參數(shù)化方式評估了動力系統(tǒng)部件優(yōu)化對具體飛機(jī)概念方案性能的影響[2]。帶后邊界層吸收裝置的單通道飛機(jī)構(gòu)型的渦輪電力推進(jìn)系統(tǒng)，在不同電氣化程度下，電動系統(tǒng)比功率和效率的關(guān)系表明，當(dāng)推進(jìn)功率需求較小時，無須采用超前的技術(shù)就可以實現(xiàn)正向收益。

上述研究證明了EAP在節(jié)油節(jié)能上的潛力，而實現(xiàn)設(shè)計的關(guān)鍵在于對子系統(tǒng)、部件和材料的技術(shù)研發(fā)與突破。NASA投資了多個相關(guān)研究項目，包括針對EAP布局的專用試驗臺建設(shè)[3]，比功率為13.2 kW·kg-1、效率達(dá)到96%的電機(jī)（電動機(jī)/發(fā)電機(jī)）研發(fā)，比功率為19 kW·kg-1效率大于99%的功率逆變器（機(jī)械控制器）驗證，以及可在0～100 kHz頻率范圍、400 ℃以內(nèi)運(yùn)行溫度下低電力損耗的新型軟磁材料驗證等。此外，NASA采用獨特的建模方式，利用復(fù)合材料設(shè)計電機(jī)絕緣槽，定制電機(jī)線路絕緣以實現(xiàn)最佳熱性能。

1.2 X-57 Maxwell

X-57 Maxwell是NASA飛行驗證和能力項目下的技術(shù)驗證機(jī)，為首個電氣化X系列飛機(jī)。它采用分布式全電推進(jìn)系統(tǒng)，現(xiàn)已完成以300 km·h-1速度飛行平臺為基礎(chǔ)、人均能耗減少80%為目標(biāo)的原理驗證。

X-57飛機(jī)試驗項目分為4個螺旋上升的研發(fā)階段。Mod Ⅰ階段基于P2006T飛機(jī)和2臺四缸四沖程Rotax 912S3活塞發(fā)動機(jī)建立飛行性能基線。Mod Ⅱ階段進(jìn)行電氣化改型，將原來活塞發(fā)動機(jī)替換成巡航電動機(jī)，同時發(fā)動機(jī)位置、機(jī)翼構(gòu)型和材料都未改變，測試電動機(jī)、電池和其他相關(guān)設(shè)備的性能，逐步提升電力系統(tǒng)成熟度。Mod Ⅲ階段對原P2006T飛機(jī)的機(jī)翼進(jìn)行大幅修改，替換成大展弦比復(fù)合材料機(jī)翼，尺寸僅為原機(jī)翼的42%，并將電動機(jī)移動到翼尖測試減阻效果，但此時無法實現(xiàn)低速段性能。Mod Ⅳ階段在Mod Ⅲ階段的基礎(chǔ)上新增12個增升電動機(jī)和分布式可折疊螺旋槳，解決低速段飛行問題，并對分布式電推進(jìn)系統(tǒng)和增升效果進(jìn)行測試。目前，該項目已進(jìn)行至Mod Ⅳ階段，2022年4月完成了地面試驗的最終驗證，隨后將準(zhǔn)備安裝電池，計劃全電動X-57將于2022年內(nèi)完成首飛。

X-57飛機(jī)的關(guān)鍵驗證工作集中在機(jī)翼、螺旋槳和任務(wù)飛行路線之間有效匹配的集成設(shè)計方面。它的設(shè)計方案是否能夠成功，取決于高性能電機(jī)、逆變器和電池技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展。此外，需要多學(xué)科創(chuàng)新性同步研發(fā)，使高升力系統(tǒng)設(shè)計、大展弦比機(jī)翼設(shè)計以及任務(wù)飛行路線規(guī)劃算法相匹配。基于300 km·h-1巡航飛行工況對高性能機(jī)翼進(jìn)行優(yōu)化，獲得了最佳氣動效率。采用輕質(zhì)高效電機(jī)驅(qū)動布置在翼尖位置的螺旋槳，創(chuàng)新性地利用渦流實現(xiàn)減阻。12個螺旋槳分布式布局于機(jī)翼的前緣，由小型電機(jī)和逆變器系統(tǒng)驅(qū)動，僅在起飛和降落這種低速飛行狀態(tài)下運(yùn)行，保證了機(jī)翼的低速氣動性能。通過先進(jìn)螺旋槳設(shè)計和優(yōu)化流程，確保12個螺旋槳升速過程均衡一致，且在高速飛行時螺旋槳葉片可折疊減小阻力。基于X-57飛行研究項目中試驗件在關(guān)鍵系統(tǒng)上表現(xiàn)出的限制，優(yōu)化航電供電和指令系統(tǒng)。整個系統(tǒng)設(shè)置冗余度、進(jìn)行部件試驗和開展失效分析來控制失效范圍、可能性和持續(xù)性。各個部件的研發(fā)經(jīng)歷了單獨的部件設(shè)計評審、耐久性試驗和系統(tǒng)集成后功能驗證，可確保可靠性。X-57飛機(jī)集成化的系統(tǒng)能夠評估失效模式，結(jié)合飛行模擬器用于飛行員培訓(xùn)，提高了緊急失效情況下的響應(yīng)速度。

X-57飛機(jī)試驗項目的目的是解決電推進(jìn)系統(tǒng)方面的多個技術(shù)挑戰(zhàn)。電動飛機(jī)需要特別考慮重量、安全和運(yùn)行環(huán)境的要求，致使系統(tǒng)適配更加復(fù)雜。雖然相比燃料發(fā)動機(jī)，電動推進(jìn)器（電機(jī)和逆變器）更高效，但在運(yùn)行過程中仍舊會產(chǎn)生熱，需要在飛機(jī)層面進(jìn)行一體化的熱管理設(shè)計。通常的做法是采用液冷散熱或布置專門的散熱裝置，如大型金屬散熱器。這必定會導(dǎo)致飛機(jī)重量的大幅上升，導(dǎo)致電轉(zhuǎn)換優(yōu)勢大打折扣。針對這個問題，X-57飛機(jī)上應(yīng)用了材料科學(xué)、高效電機(jī)和供電電子、增材制造和先進(jìn)控制等領(lǐng)域的最新研究成果。

1.3 革命性垂直起降技術(shù)項目

革命性垂直起降技術(shù)項目的首要目標(biāo)是研發(fā)和驗證垂直起降飛機(jī)相關(guān)概念構(gòu)型和關(guān)鍵技術(shù)，包括適用于常規(guī)構(gòu)型、非常規(guī)構(gòu)型以及城市空中交通（Urban Air Mobility，UAM）市場需求的各類解決噪聲、飛行速度、機(jī)動性、負(fù)載、效率、環(huán)境和安全問題的技術(shù)。

為識別關(guān)鍵技術(shù)、定義技術(shù)規(guī)范、探索不同的推進(jìn)系統(tǒng)方案，該項目共設(shè)計了4款UAM概念機(jī)，包含不同的有效載荷、航程、類型和推進(jìn)系統(tǒng)[4]，并在此基礎(chǔ)上開展系統(tǒng)安全性評估，識別出在安全性、耐久性、符合性方面的認(rèn)知差距，分析關(guān)鍵部件的技術(shù)需求。

此外，NASA在數(shù)字推進(jìn)系統(tǒng)仿真（Numerical Propulsion System Simulation，NPSS）工具的推進(jìn)系統(tǒng)概念設(shè)計軟件中添加電氣模塊，使eVTOL電動系統(tǒng)的設(shè)計和分析可以在NPSS框架下完成。

革命性垂直起降技術(shù)項目也是將磁性傳動應(yīng)用于eVTOL推進(jìn)構(gòu)架的先行者。磁性傳動技術(shù)利用磁體通過磁力傳遞扭矩而無須輪齒間有任何實體接觸，研究得出了可應(yīng)用于航空平臺的輕質(zhì)可靠傳動鏈設(shè)計，同時完成了相關(guān)試驗臺的建設(shè)。

2 EAP技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)勢與前景

在民用航空領(lǐng)域，歐美多個技術(shù)發(fā)展框架和展望文件都在減少耗油、排放和噪聲上提出了目標(biāo)，而EAP是研究實踐證明實現(xiàn)該目標(biāo)最具前景的技術(shù)。

對于軍用平臺，EAP的發(fā)揮空間更大，甚至可使之前無法實現(xiàn)的非常規(guī)任務(wù)成為可能。例如：減少噪聲和排放可以更好地掩藏飛機(jī)特征；結(jié)合自動化操作系統(tǒng)可以最小化飛行員的工作量；儲能設(shè)備的布置可以提供爆發(fā)性性能/沖擊能量，使能量武器的打擊效果更加可觀。這些都與未來軍用平臺應(yīng)用需求相匹配。

其他可應(yīng)用的場景包括沙塵環(huán)境下運(yùn)行、提供遠(yuǎn)程供電、擴(kuò)展監(jiān)控區(qū)域、補(bǔ)充可調(diào)度功率以及自主救援等。在識別不同應(yīng)用場景的任務(wù)需求和技術(shù)差距后，可建立相關(guān)系統(tǒng)的技術(shù)路線圖。現(xiàn)階段，在350 nm航程范圍內(nèi)，混電推進(jìn)系統(tǒng)支線飛機(jī)中電池發(fā)揮的作用足以媲美傳統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)。多數(shù)在研發(fā)的短途小型無人機(jī)系統(tǒng)混電飛機(jī)則在航程上均小于1 000 nm。

此外，混電飛機(jī)架構(gòu)為創(chuàng)新部件集成方式提供了空間，并且擴(kuò)展了任務(wù)完成能力，集成非典型能量源，在飛機(jī)的多個位置布置推進(jìn)裝置，使飛機(jī)的設(shè)計更加自由[5]。加之綜合應(yīng)用飛機(jī)子系統(tǒng)，既可實現(xiàn)安靜、耐久的飛行，又可為沖擊性和定向能武器提供脈沖功率。但是，目前的技術(shù)尚不夠成熟，還有很長的路要走。可以先從軍用平臺入手，逐步推動后續(xù)研究。

未來最首要的研究任務(wù)是識別關(guān)鍵性能基點，提升EAP在戰(zhàn)場戰(zhàn)略、后勤和操作性方面的表現(xiàn)，同時利用好現(xiàn)有民用技術(shù)研發(fā)成果。目前，已有多項關(guān)鍵技術(shù)完成了地面運(yùn)行驗證，后續(xù)將集中力量實現(xiàn)高空運(yùn)行符合性方面的突破。可以預(yù)見，到2030年，將會有多型符合高空飛行要求和未來戰(zhàn)場能力需求的EAP飛機(jī)面世。

3 結(jié)語

NASA以潛在市場影響和技術(shù)關(guān)鍵性能參數(shù)為牽引推動EAP研究。基于關(guān)鍵領(lǐng)域技術(shù)革新，EAP從設(shè)想逐漸成為現(xiàn)實。EAP飛發(fā)一體化方案目前已行進(jìn)至飛行驗證階段，研究獲得的數(shù)據(jù)可為填補(bǔ)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證流程空缺提供支撐。目前，EAP研究的進(jìn)展顯著，未來的工作著重于將EAP技術(shù)在民用產(chǎn)品上轉(zhuǎn)換應(yīng)用和進(jìn)一步完善EAP技術(shù)，使其能夠應(yīng)用于大型跨音速飛機(jī)。