新能源电动飞机技术的探索_航空

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发布时间:2019-11-30 15:54

中国航空报讯:电动飞机技术是一项跨时代的高新技术,它和新能源电动汽车的发展轨迹一样,已经成为世界航空工业发展的核心技术,它改变了传统的飞机设计思想,从飞机绿色环保、高效节能、智能互联的理念出发,来优化整个飞机的设计,极大地提高了飞机的可靠性、环保性、舒适性和可维护性。是未来飞机的发展方向。

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随着人们对环境保护、安全飞行、客户舒适和节能高效等要求提出以及蓄电池技术的快速发展。人们逐渐对飞机一次能源系统进行革命,一是:对现有发动机提高效率、降低燃油消耗。产生了电力混合动力技术,使燃油消耗大为降低,效率大为提升。二是:对现有发动机进行彻底革命,用电力来推动飞机,产生了飞机的电力推进技术,即电动飞机技术。它已经在国内外成为技术发展的热点,已经广泛应用于世界的民用航空和军用航空的飞机中。例如:波音787、空客A380、A350和F-35等飞机中。

多电、全电到电动飞机技术是一个逐步发展的过程,从多电到全电是飞机二次能源电能量逐渐增大的过程,到电力混合和电动飞机将是飞机的一次能源逐步用电能来实现的过程。而电动飞机技术发展的核心是电力推进技术。

电力推进飞机技术

电力推进技术的进步非常快,飞机燃油的能量密度大约为12.7千瓦时/千克,而目前电池能量密度最大能够达到0.5千瓦时/千克,两者相差很大。好在传统燃油发动机效率和功重比比较低,所以,电池能量密度只要提高就有可能取代传统的发动机。目前,要采用电力系统直接驱动大型飞机还有一定困难。所以,从传统的发动机驱动到电力驱动在电池能量密度没有达到所需要的能量密度前,有一个过渡方案——电力混合动力推进技术方案。

相关研究的资料显示,即使是电力混合推进,一架单通道飞机所需的电池容量也相当可观。美国NASA燃气-电混合推进项目的技术负责人谢丽尔·褒曼表示:“驱动一架巡航状态的大型飞机需要至少1千瓦时/千克的能量密度。”美国NASA和麻省理工学院联合进行的电池研究结果显示,在未来10到15年内会有不同的化学电池的组成可以达到1~1.5千瓦时/千克的能量密度水平。

传统燃气涡轮航空发动机的总体效率为35%~50%,但混合动力电推进系统通过结合两个或更多功率转换器有可能会进一步提高发动机的效率,同时电力推进系统可以降低发动机的噪声。混合动力技术通过将燃气涡轮与电力技术相结合,采用了能量密集的液态燃料的燃气涡轮,来实现新型飞机发动机的无噪音、高效电力推进。

根据航空工业未来发展的推测,在2030年之后可能会出现新型混合动力分布式推进的支线飞机。飞机的电力系统用电量需求将为10~20兆瓦,用电量比传统飞机电力系统高出了一个数量级。而且飞机的高性能高功重比的电机、长寿命高可靠高能量密度电池、新型超导材料、网络以及安静的螺旋桨设计都是这一技术下的核心关键技术。

随着电力电子技术和电池技术的进步,推动了电力推进技术的快速发展。特别是电动汽车技术的飞速发展,使得电动汽车的高功重比高性能电动机推进技术、电力电子集成系统技术、高能量密度长寿命电池技术和电动汽车整体系统设计技术已经成熟。这就为电动飞机技术的发展奠定了坚实的基础。

最近欧洲和美国在电动飞机技术上投入了大研发力量,争取在未来能够取得实质性的突破。我们国家在电动飞机技术的发展上也在快速前进,特别是一些机制灵活的创新型企业,它们都在加大力度开展研发的投入,准备占领这项新技术制高点。

相关的电动飞机研究表明:电力驱动飞机使得飞机的机动性和实用性更强、飞机电力系统的故障模式更为清晰,它降低了飞机系统的导线重量、提供了系统效率、减少了生命周期成本和飞机排放和噪音,使得飞机派遣率更为有效。

电动飞机的关键技术

电动飞机技术经历了一个漫长的发展过程,其核心技术可以总结为如下四项:高效高功重比电机推进技术、高能量密度长寿命的电池技术、集成电力电子控制技术和电动飞机整体设计技术。

高效高功重比电机推进技术

电力推进技术具有明显的优势,即可以实现未来飞机的零排放目标又可以应对不断上涨的燃油成本。它通过电能驱动飞机获得推力、不再完全依赖燃油。因而减少或消除了常规推进系统所产生的污染排放。

电力推进系统推进电机是电动飞机的关键,它的功重比直接决定电动飞机的性能,目前应用的电机主要有永磁电机和交流异步电机等,根据推进电机的种类、额定转速和冷却方式的不同电机的功重比也有很大的差别。目前我们知道在理想的电机转速和冷却方式的情况下,电机的最大功重比通常小于20千瓦/千克。在电动飞机中,要想继续增加电机的功重比,就需要在推进电机的热设计、磁性能设计、结构冷却设计等方面要有技术创新,这样才能提升推进电机功重比。通过研究发现,有许多种拓扑都能提升推进电机的效率和功重比,需要研究确定究竟哪种才是最佳推进电机拓扑。要想推进电机的功重比有数量级的提升,只有颠覆性的技术创新才可能实现。于是出现超导电机技术。它可以提供推进电机最大的功重比,当然,这项技术风险也是最大的。不过在超导电机技术的应用领域依然在继续探索和研究中,并将在未来尽快应用于电动飞机的中,实现人们电动航空的梦想。

长寿命高能量密度的电池技术

电池的储存能量的能量密度越来越大,特别是电动汽车技术的发展,使电池的储能密度每年都有一个快速的提升。我们知道能量储存有许多中形式,例如液态空气、燃料电池、压缩H2和液态H2、超级电容器和机械飞轮等。上述有些能源储存方式虽然和电池的能量密度相当或者超过电池,但要应用于飞机上还必须依赖于发动机的功重比,也就是有些能源储存方式应用于飞机上时,需要强大的隔离系统或热管路系统,整体对飞机来说不占优势,因此,无法应用于飞机飞行。

目前在电动航空上面临的最大挑战是:电池和电动系统的储存能量密度和动力系统的功重比要达到基于燃油的动力系统的水平,这样才能使电动飞机真正走入人们的生活。同时,要注意燃油飞行器中燃油燃烧与空气中大量的氧气结合,从而使飞机的重量不断减少,而在电动飞机中,飞机重量不会有减少,因此,需要在飞机设计中考虑上述因素。

电动飞机中电力推进系统的效率要比燃油发动机的效率高两到三倍;电力推进系统功重比要比燃油发动机的功重比高许多,但由于电池的能量密度要比燃油的能量密度低许多;这些可以用来补充电池的能量密度。但就整体而言,目前电动飞机还没有达到燃油飞机的水平。

采用全新构型和任务剖面的电力混合推进动力架构的飞机是最有可能首先成功应用的飞机。预计采用电力混合推进系统的支线单通道商用飞机上电池的能量密度需要达到0.8千瓦时/千克以上,而全采用电力推进的支线单通道商用飞机上电池的能量密度需要达到1.8千瓦时/千克以上。电池技术要大量应用于航空,还必须证明该技术的安全性能和基础设施的要求。但按照目前电池技术快速发展来看,预计未来电动飞机的前途光明。

另一个储能器件超级电容器有它自己的特点:能量密度达到锂电池的100倍;在几秒钟内充放电,这很适合于峰值功率瞬时释放;有100万次充放电能力、稳定范围宽和无可燃材料,很适合于飞机;能量密度接近铅酸电池,但是和锂电池相比还有不足,可以在混合动力系统中应用。

锂电池和燃料电池未来将会在电动飞机中大量使用,它们的特点是:能量储存密度大、电池电量高、安全可靠、寿命长、适应性强、智能性强、续航持久和充电便捷。这些特点决定了它们未来的应用前景。

集成的电力电子控制技术

电动飞机技术的发展主线就是电力电子技术,正是由于电力电子技术的进步才使多电、全电和电动飞机发展成为可能。对一架飞机来说,它就是一个独立电网络系统,要使它高效、安全和稳定运行还需要做大量的研究工作。因此,集成电力电子控制技术非常重要。它也是电动飞机的核心技术。

对电动飞机而言,飞机电力系统功率密度非常重要,这就需要功率转换器的功率密度大、效率高。采用常规空气冷却的功率转换器通常其功率密度被限制在20千瓦/升,但在电动航空领域,为了满足推进电机驱动需求,未来理想目标功率密度是50千瓦/升。为了满足需求,需要对许多新兴技术进行不断地研究与开发。同时还需要不断研究并开发新材料、变换器新设计、变换器新拓扑、新的制造技术以及功率半导体器件新封装方法。这些基础技术将对电力电子系统的设计和制造产生显著的影响。

碳化硅高温电力电子技术是未来实现电力系统高功率密度变换器的关键。碳化硅功率半导体器件及其封装是一个全新技术,它与新兴功率转换器拓扑共同结合使用,能够实现变换器达到更高的功率密度,而不会降低功率变换器的性能。目前已经掌握许多新新闻中心技术,如用无线传感器通过微型计算机进行推进电机的转速控制技术等,这些技术的进一步研究还可以更大提升电力电子系统的功率密度。

电动飞机独立电网络稳定运行非常重要,因为飞机上的电力电子非线性负载非常多,会在电网络产生许多谐波和噪声,造成电网络的不稳定和效率的降低。因此,电网络的鲁棒性就显得非常重要,鲁棒性电网络也是电力电子集成控制的关键,能够按需要提供飞机可靠功率的能力,可满足飞机峰值的功率需求并管理在生的负荷。同时为飞机的关键系统提供高可靠的功率。

电动飞机的整体设计技术

电动飞机的整体设计技术也是电动飞机的关键,能否把电力系统很好的融入飞机设计中,关系到整个飞机的性能和飞机使用寿命,一架好的飞机不但要有好的动力、外形、结构等系统,更重要的是整个飞机所有系统的协调设计,就像我们人一样,人身体的各个部分都要健康,才能使我们拥有健康的生活。只有飞机整体协调设计,才能制造出一架性能优良客户满意的飞机。

电动飞机的仿真技术的发展也非常重要,基于模型的系统工程应用到电动飞机技术的各个领域,在计算机上实现电动飞机飞行。

电动飞机技术涉及多个学科,是一项跨学科间的新型技术,它可以应用于国民经济的许多领域,具有划时代的重要意义。

(本文作者系航空工业机载高级专务)

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