多電、全電飛機(jī)發(fā)展前景研究

黃軍

摘 要：在以化學(xué)燃燒為主要能源的飛機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程中，以電化學(xué)能源為主導(dǎo)的混合能源逐漸被用于實(shí)踐領(lǐng)域，多電、全電技術(shù)成為飛機(jī)動(dòng)力技術(shù)革新的重要方向，也對(duì)飛機(jī)電力運(yùn)用技術(shù)提出了更高要求。本文對(duì)多電、全電飛機(jī)技術(shù)發(fā)展進(jìn)行進(jìn)行了對(duì)比研究，梳理了當(dāng)前最新研究成果，并對(duì)多電、全電飛機(jī)的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：多電飛機(jī) 全電飛機(jī) 對(duì)比研究

發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的核心部件，而支撐發(fā)動(dòng)力運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)力能源則是最根本的基礎(chǔ)。當(dāng)前，在航空航天領(lǐng)域，依然是內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)占據(jù)著絕對(duì)主導(dǎo)的地位。隨著電力技術(shù)的發(fā)展，以電能為動(dòng)力的多電、全電飛機(jī)技術(shù)得到加快的發(fā)展，其取代內(nèi)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)成為航空航天技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì)。

一、多電飛機(jī)和全電飛機(jī)的基本概念

（一）多電飛機(jī)

多電飛機(jī)是實(shí)現(xiàn)全電飛機(jī)的中間產(chǎn)物，是指機(jī)上的主要功率是電功率，但不排除少量的其他功率的使用。大量采用機(jī)電作動(dòng)器是多電飛機(jī)最重要的特征之一，采用機(jī)電作動(dòng)器和功率電傳技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了電力驅(qū)動(dòng)替代液壓、氣壓、機(jī)械系統(tǒng)和飛機(jī)的附件傳動(dòng)機(jī)匣，可顯著減輕飛機(jī)的重量和壽命周期費(fèi)用，增強(qiáng)飛機(jī)系統(tǒng)的容錯(cuò)和故障后重構(gòu)能力，提升飛機(jī)的整體性能。

（二）全電飛機(jī)

全電飛機(jī)是相對(duì)多電飛機(jī)而言的，是一種以電氣系統(tǒng)取代液壓、氣動(dòng)和機(jī)械系統(tǒng)的飛機(jī)，即所有的次級(jí)功率均以電的形式傳輸、分配。由于全電飛機(jī)技術(shù)還不成熟，在應(yīng)用過(guò)程中遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于多電飛機(jī)，但是從飛機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，全電飛機(jī)將逐漸取代多電飛機(jī)，成為與內(nèi)燃動(dòng)力飛機(jī)同樣重要的飛機(jī)類型。

二、多電飛機(jī)和全電飛機(jī)的主要特點(diǎn)

（一）能源動(dòng)力持續(xù)性更強(qiáng)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)單位時(shí)間排出氣質(zhì)量與速度是航空發(fā)動(dòng)機(jī)作力的基本要件，與傳統(tǒng)的化學(xué)燃燒能源相比，以燃料電池等為能源的多電、全電飛機(jī)簡(jiǎn)化了飛機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，動(dòng)力更為強(qiáng)勁和持久。例如，燃料電池由燃料（烴類、天然氣、氫、甲醇等）氧化劑、電解以及控制系統(tǒng)組成，燃料電池的工作原理與一般電池類似，通過(guò)電極上的氧化—還原反應(yīng)，使化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，供大量的、穩(wěn)定的、安全的電力，取代內(nèi)燃式航發(fā)動(dòng)機(jī)。

（二）電力發(fā)動(dòng)機(jī)性能更好

與傳統(tǒng)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，依靠電力作業(yè)的飛機(jī)取消發(fā)動(dòng)機(jī)的引氣，采用閉式循環(huán)系統(tǒng)，改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的效率和性能，使其具有噪音低，工作溫度低、紅外輻射小、重量輕等明顯的特點(diǎn)，無(wú)論是用于軍事領(lǐng)域，還是用于民用方面都具有十分突出的優(yōu)勢(shì)。例如，電力能源與隱形技術(shù)結(jié)合，飛機(jī)總重可減少8%，可以讓隱形戰(zhàn)機(jī)的作戰(zhàn)能力得到較大提升。又例如，運(yùn)用電力發(fā)動(dòng)力噪音低的特點(diǎn)，可以極大的減少民用飛機(jī)擾民的情況。

（三）發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)更為快速

通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，以電力為主的混合電發(fā)動(dòng)機(jī)的快速響應(yīng)，有利于進(jìn)一步改善飛機(jī)的橫向控制，以及降低垂尾尺寸和阻力，使得飛機(jī)的反應(yīng)能力和控制能力更靈敏，飛機(jī)的電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化，可將飛機(jī)系統(tǒng)的可靠性提高4倍，易損性減少20%，飛機(jī)維護(hù)將由3級(jí)維護(hù)變?yōu)?級(jí)維護(hù)。

（四）飛機(jī)的能耗更低

不管是多電飛機(jī)和是全電飛機(jī)，與傳統(tǒng)飛機(jī)相比還有一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)，就是節(jié)約能源。在電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，飛機(jī)可以根據(jù)飛行的需求更精準(zhǔn)的控制發(fā)電量，減少能源浪費(fèi)。這一優(yōu)勢(shì)，也為未來(lái)發(fā)展機(jī)載高能武器提供了電力保障。

三、多電飛機(jī)和全電飛機(jī)的技術(shù)探索

雖然多電、全電飛機(jī)都很多的優(yōu)勢(shì)，但是與傳統(tǒng)的內(nèi)燃動(dòng)力飛機(jī)相比，也存在很多的技術(shù)難題。無(wú)論是對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的容量、轉(zhuǎn)換效率和可靠性面臨著更高的要求，飛機(jī)機(jī)體、動(dòng)力裝置和任務(wù)與功能系統(tǒng)的傘面融合則更具復(fù)雜性。因此，目前多電飛機(jī)、全電飛機(jī)的應(yīng)用技術(shù)仍不完善，還處于探索研究過(guò)程中。

（一）國(guó)外多電飛機(jī)和全電飛機(jī)的技術(shù)探索

相對(duì)于多電飛機(jī)技術(shù)研究來(lái)說(shuō)，世界各國(guó)航天航空領(lǐng)域?qū)τ谌婏w機(jī)的探索都十分的積極，所取得的成績(jī)也非常顯著。從國(guó)外來(lái)看，在全電飛機(jī)技術(shù)研究方面起步較早。早在二戰(zhàn)時(shí)期，美國(guó)就已經(jīng)提出了“以電力為基礎(chǔ)的飛機(jī)”理念，經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，到20世紀(jì)60年代，電動(dòng)燃油泵和控制器開(kāi)始在飛機(jī)上獲得運(yùn)用。20世紀(jì)90年代，美國(guó)又提出“全電飛機(jī)倡議”計(jì)劃，啟動(dòng)了用電力作動(dòng)系統(tǒng)取代傳統(tǒng)飛機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的研究，研究?jī)?nèi)容包括發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、輔助電源啟動(dòng)、電力作動(dòng)控制器和配電技術(shù)等，并于1998年成功推出第一代全電飛機(jī)。2001年，美國(guó)國(guó)家航空航天局就進(jìn)行了全電飛機(jī)試飛實(shí)驗(yàn)，雖然只是150KG的樣機(jī)，但邁出了全電飛機(jī)實(shí)際運(yùn)用的關(guān)鍵一步。2007年美國(guó)GE公司研究出用傳統(tǒng)燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的超導(dǎo)發(fā)電機(jī)。美國(guó)波音787就是一款全電操控的飛機(jī)。同時(shí)，歐洲各國(guó)也開(kāi)始啟動(dòng)全電飛機(jī)技術(shù)研究，英國(guó)政府于2000年啟動(dòng)“全電發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)翼系統(tǒng)”研究計(jì)劃，歐盟組織46家機(jī)構(gòu)，于2002年啟動(dòng)了功率優(yōu)化飛機(jī)（POA）計(jì)劃，其主要內(nèi)容是發(fā)動(dòng)機(jī)電力系統(tǒng)、飛機(jī)電力系統(tǒng)等。2017年7月，空客公司正式批準(zhǔn)啟動(dòng)其計(jì)劃的支線客機(jī)級(jí)電推進(jìn)驗(yàn)證機(jī)E-Fan X，該項(xiàng)目的主要內(nèi)容是將一架BAe 146/Avro支線客機(jī)改裝后進(jìn)行全電起飛試驗(yàn)，混合電單通道客機(jī)成為可能，預(yù)計(jì)到2020年左右，全電飛機(jī)將進(jìn)入使用階段。

（二）國(guó)內(nèi)多電飛機(jī)和全電飛機(jī)的技術(shù)探索

從國(guó)內(nèi)來(lái)看，近年來(lái)隨著航天航空技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)在全電飛機(jī)領(lǐng)域也進(jìn)行了很多有益的探索和研究。特別是航空電力系統(tǒng)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)航空工業(yè)發(fā)展研究中心，以及各類航空航天機(jī)構(gòu)、高等院校等都把多電、全電飛機(jī)技術(shù)作為重點(diǎn)攻關(guān)對(duì)象，中國(guó)商飛等企業(yè)也在積極推進(jìn)大型民機(jī)多電技術(shù)開(kāi)發(fā)工作。但是相對(duì)而言，這一技術(shù)在國(guó)內(nèi)還相當(dāng)匱乏。通過(guò)對(duì)多電飛機(jī)和全電飛機(jī)的對(duì)比研究，本文認(rèn)為隨著電力技術(shù)的發(fā)展，航電設(shè)備現(xiàn)代化程度迅猛提高，全電、多電飛機(jī)技術(shù)已經(jīng)成為航空科技發(fā)展的一項(xiàng)全新技術(shù)和重點(diǎn)課題，在我國(guó)飛機(jī)技術(shù)研制過(guò)程中，要進(jìn)一步加大對(duì)電力動(dòng)力技術(shù)的重視，在技術(shù)理論研究和實(shí)踐運(yùn)用領(lǐng)域爭(zhēng)取更大的突破。