航空混合電推進試驗設備發展

■ 姚軒宇 蔣承志 滿運堃 / 中國航發研究院

混合電推進概念在汽車等交通運輸領域已經得到應用，但由于體積質量、環境工況等方面的特殊性，使得航空混合電推進技術的應用遠不如預期的那么順利。為此，美歐相關研究機構紛紛著手打造適用于航空混合電推進技術研究與驗證的試驗平臺，為后續深入開展技術研發與工程應用打基礎。

飛行器正向著智能化、全電化方向發展，使得航空電推進技術受到越來越多的關注。從當前技術發展趨勢來看，混合電推進技術將會是未來發展的一個重點。在航空混合電推進技術由概念研究向工程應用推進的過程中，試驗設備將發揮出越來越重要的作用。

圖1 NASA混合電推進試驗平臺發展概況

圖2 AIRVOLT推進器試驗臺

NASA主導下的混合電推進試驗設施建設

在面向未來的航空推進技術發展路線圖中，美國國家航空航天局（NASA）將混合電推進技術列為重點方向，先后支持了亞聲速超綠色飛行研究（SUGAR）計劃、航天推進系統研究與技術（RTAPS）項目、可擴展集合電推進技術使用研究（SCEPTOR）項目等來支持相關企業和機構開展混合電推進技術探索，逐步形成了大功率混合電推進系統概念研究牽引和小功率混合電推進技術應用研究并進的發展思路。與此同時，NASA也規劃了相應的試驗設備建設發展路線，為混合電推進技術成熟度（TRL）提升提供保障。NASA混合電推進試驗平臺發展概況如圖1所示。

在SCEPTOR項目牽引下，阿姆斯特朗飛行研究中心（AFRC）聯合ESAero公司、NASA蘭利研究中心、NASA格林研究中心等承擔了混合電推進集成測試平臺（HEIST）項目，在AFRC建立了一系列的試驗平臺。

其中，AIRVOLT單推進器試驗臺采用模塊化設計，如圖2所示，主要用于探索子系統間相互影響以及測試不同的電池、電動機、控制器和螺旋槳效率，可支持100kW以下各型推進器的性能測試。該試驗臺配有齊備的傳感器組，可用于采集扭矩、推力、電動機轉速、振動/加速度、電壓電流、溫度等數據，使得研究人員可以測試各種電推進系統并掌握方案效率和改進方向。AIRVOLT初期以Jboy JM-1電動機為研發基礎，通過試驗收集到的數據完成推進器建模，并將模型進行硬件在環測試。后續還將對其進行改造以支持多通道的電動機與螺旋槳測試，用于開展混合動力分布式推進技術研究。

HEIST能力管理與分配（PMAD）測試系統的最大功率為3kW，可用于小型電動機控制性能研究、分布式電推進能量管理系統研制、能量分配管理策略驗證、分布式推力控制方法、推進/飛行控制匹配等技術研究工作。

HEIST前緣異步螺旋槳技術（LEAPTech）測試系統的重點是關注分布式電推進系統與飛行器氣動設計影響。2014年11月在加利福尼亞愛德華空軍基地進行了首次試驗。試驗臺由渦輪式發電機、交/直流轉換器、電池組系統、控制器、直流配電系統以及安裝在長約9.45m機翼前緣的18個電動機驅動螺旋槳推進器組成。整套系統被安裝在一臺改裝過的卡車上，可以通過車輛高速行駛模擬低速飛行工況。利用HEIST試驗平臺，NASA開展了發電機工作控制、電池容量管理以及功率需求管理等試驗，對分布式推進控制算法、低速下分布式推進系統性能以及對機翼氣動性能影響等進行了深入研究。為混合動力分布式推進系統設計與研發提供了大量試驗數據與技術儲備。

在HEIST LEAPTech試驗完成后，研究團隊將機翼部分與飛行仿真系統集成為HEIST鐵鳥（Ironbird）測試系統。重點研究渦輪發電系統與電池系統兩套電源的能量管理技術，并建立適用于混合電推進的能量管理、飛行控制算法研究以及動力轉換等問題的仿真試驗方法。通過這一試驗平臺，研究團隊測試了不同類型的混合動力推進技術，基于小型渦輪發電系統開展分布式電推進控制方法與規律研究以及故障復現，后續還將測試不同的總線配置方案、質量尺寸、電磁干擾以及熱管理等方面研究，為推進系統集成設計與性能評估提供基礎，并為更高級別混合電推進試驗平臺設計積累經驗。

HEIST平臺已經被應用于SCEPTOR計劃中X-57麥克斯韋技術驗證機的研發當中，并將分階段開展混合電推進技術的飛行驗證。

格倫（Glenn）研究中心還在梅溪試驗站改建了 NASA電動飛機試驗平臺（NEAT），如圖3所示，可進行600～4500V的高壓電力總線架構、兆瓦級電動機/發電機、控制通信、電磁干擾、故障保護和熱管理方面的研究，是世界首個具備開展150座單通道客機全尺寸能源系統試驗的混合電推進試驗平臺。NEAT還具備高空環境模擬能力，可以測試超過12000m飛行環境下低溫、低氣壓等對于電推進系統的影響。目前，NASA已經在NEAT上進行了單通道渦輪電動飛機（STARC-ABL）推進系統的兆瓦級試驗研究工作。未來，NASA還將開展單通道飛機全尺寸、實際飛行質量的動力裝置的地面試驗，將TRL提升至6級，為實際飛行做好準備。

圖3 NEAT

賽峰集團完成混合動力分布式推進試驗臺測試

賽峰集團制定了自己的混合動力推進解決方案的發展藍圖，通過與多方合作致力于在2025年前將混合電推進技術投放到市場。為實現這一目標，賽峰直升機發動機公司、賽峰電氣與電源公司及賽峰動力裝置公司與賽峰集團研發和技術中心共同推動開展了混合動力分布式推進試驗臺的建設。

2018年，在法國波城機場附近的賽峰直升機發動機公司的測試場地進行了混合動力分布式系統的首次地面測試。在此次的平臺測試期間，研究團隊測試并驗證了電池組獨立供電、渦輪發電與電池組聯合供電等不同的工作模式，試驗了其電源管理系統性能，系統供電總功率為100kW。

GE航空集團建立電力綜合系統研究發展中心

GE航空集團幾年來與多家公司就混合動力電推進飛機概念開展合作。2013年，GE航空集團與美國代頓大學合作，在俄亥俄州建立了電力綜合系統研究發展中心（EpisCenter），可開展規模從500kW～2.5MW不等的航空電推進電力系統測試，重點研究先進的能源管理技術，包括發電、配電、電力控制以及新型電能存儲等技術的開發，減小電推進系統的體積與質量，提高飛機總體運行效率。

依托該中心，GE航空集團開發并測試了1MW的高功率密度電動機/發電機。之后在俄亥俄州皮布爾斯進行了現場測試，用來驅動一個來自薩伯340渦槳支線飛機的螺旋槳。GE航空集團還與NASA共同出資開發“先進飛行器項目”（AAVP），研發尺寸、功率、效率和飛行高度等方面滿足飛行要求的下一代電推進系統所需的變頻器，該項目前期取得的成果以及后續技術研制同樣可在該中心進行測試與驗證。

圖4 柯林斯宇航電網實驗室

柯林斯宇航將打造行業領先的電源系統實驗室

聯合技術公司（UTC）旗下的柯林斯宇航于4月8日宣布將建立行業領先的電源系統實驗室——電網（The Grid），如圖4所示，柯林斯宇航將利用這個高功率、高電壓的實驗室，設計和測試大功率發電機等系統，用于商用、軍用、公務航空、無人機和城市空中交通平臺等電氣化水平更高的下一代飛行器。相關建設工作現已啟動，預計將于2021年完工并全面投入運行。

電網實驗室支持的首批平臺項目中，就包括聯合技術公司最近公布的混合動力驗證機“804計劃”，它是由聯合技術領先項目（UTAP）發起的混合電推進驗證機計劃，預計能在每小時標準航行中節省30%的燃油，大大降低碳排放水平。

為實現這一目標，柯林斯宇航將與普惠等合作，計劃在較短時間內重新設計渦槳支線飛機的推進系統，改由2MW的混合動力推進系統提供動力。利用電網實驗室，完成1MW的電動機、電動機控制器和電池系統的設計與測試。該1MW電動機將成為迄今為止航空領域功率最大且效率最高的電動機之一。新的電動機和電動機控制器將作為驗證機混合動力推進系統的一部分，輔助燃油發動機提供動力。電網實驗室也將成為世界上為數不多的幾個能夠測試同等級電推進系統的設施之一。

結束語

隨著對混合電推進技術研究的深入，試驗研究與驗證工作的重要性愈加凸顯。為了盡快實現這一技術的工程化，各研究機構與企業紛紛加大投入，設計搭建了各種試驗設備并已取得初步成效。特別是NASA主導下的一系列混合電推進試驗平臺的建設，一方面在明確的目標藍圖牽引下形成了不同功率等級、不同功能實現、不同測試手段相互配合補充的試驗能力布局，打造從部件測試到飛行器/推進系統以及飛行驗證樣機等不同級別試驗測試平臺；另一方面相關試驗設備與NASA主導的各混合電推進技術研究項目緊密結合，形成項目技術牽引與試驗驗證支撐結合的良性互動，推動其混合電推進技術成熟度不斷提升。此外，各機構間“強強聯合”趨勢明顯，不僅有項目合作下的聯合建設，也有并購重組等深度整合。

目前，我國在航空混合電推進領域的研究尚處于起步階段，為支撐混合電推進技術從概念轉向應用，相關試驗設備空白有待填補。同時，在試驗設備發展過程中，需要加強行業聯合，建立起我國自己的混合電推進試驗能力，為未來混合電推進技術的長遠發展與應用打好基礎。