為國產大飛機裝上“金色動力”

文| 蘇鈞天

張何和團隊工作人員在一起

當你在萬米高空中，置身機艙，開著閱讀燈，享受機上餐飲，看著窗外機翼一閃一閃的燈光……有沒有想過，所有這些設備是靠什么動力運轉的呢？

答案就是電。一架飛機的正常運轉，是不可能離開電能的。作為飛機電力系統的“心臟”，發電機被賦予極為重要的責任。如何在不改變重量和大小的前提下，讓發電機運轉得更快，輸出功率更高，是一項世界難題。

令人振奮的是，寧波諾丁漢大學（以下簡稱“寧諾”）智能電氣化研究中心首席研究員張何與其團隊經過艱難探索后，在該領域取得了突破，由他們研發的新型航空起動發電機系統將額度功率提高至250kw，同時速度達3萬轉每分鐘，現已在中國商用飛機有限公司（以下簡稱“中國商飛”）寬體大飛機項目中成功應用。

2014 年，英國諾丁漢大學博士后張何選擇回國工作。在寧波諾丁漢大學，他先后完成多個交通運輸領域的電機驅動項目，還從零開始推動電力電子和電機驅動控制研究組的建設，成為寧諾最年輕的首席研究員。

為國產大飛機核心供電提供技術保障

“飛機機翼下方一般可以看到兩個圓筒型的裝置，大家都知道，那是飛機的發動機。拆開發動機外層防護罩，會看到發動機機身遍布密密麻麻的管線，這里就藏著負責飛機上所有電力供應的發電機。”張何說，他們做的研究就是在保證發電機可靠性的前提下，讓它釋放出最大的能量。

張何介紹，目前全球都在新型航空發電機領域開展科研攻關，作為客機隊伍中的“新兵”，波音787 和空客380 等多電飛機的電力化程度大幅提高。不過，這些飛機采用的多數是歐美國家研發制造的三級式變頻交流發電機，存在功率密度低、結構復雜等缺點。

如何解決這些缺點呢？張何團隊提出了一個大膽的設想——以結構簡單、損耗小的永磁代替電勵磁，進一步提升電機的功率密度。然而，該提議一經提出就受到了質疑。永磁不需要外界能量即可維持磁場，這使得從外部調節、控制磁場極為困難。一旦飛機發電機發生短路等故障，后果不堪設想。

張何帶領團隊花了5 年時間，通過改變電機參數設計和特殊繞組結構等方式破解了諸多尖端科技難題，如高速永磁設計和研制、高效率熱導路徑管理、三電平功率變換器等，使得航空起動發電機系統運行穩定在現有技術的極限邊界。據悉，這架發電機的體型僅有普通水桶大小，重量不超過一般成年男性體重。但它的轉速卻達到每分鐘3 萬轉，最大輸出功率和功率密度較全球最新技術提升了20%以上。

中國商飛系統工程副總工程師、北研中心多電綜合研究部負責人康元麗將這架周身金色的電機稱為“金色動力”。她說：“張何博士帶領的團隊研發的成果是目前世界上商用飛機唯一的大功率直流起發系統，為新一代國產大飛機提供了核心供電系統的技術保障。”

致力于將實驗室開發技術應用于產業

諸多成績的背后，離不開張何堅定的人生選擇。2014 年，已在英國待了整整12 年的張何選擇回國。當時他已是英國諾丁漢大學核心實驗室的主要研究人員，參與了多個研發項目，包括英國水務系統的電氣化改造項目、歐盟的“清潔天空”計劃等。生活方面，他與在實驗室并肩作戰的一位女同事組成了家庭，并在當地定居。

之所以選擇回國，源自2013 年張何被邀請作為核心專家組成員研討國產大飛機發電機的研究方向。這次研討讓張何很受觸動。從學士、碩士、博士、博士后到博導，從研究員、高級研究員到首席研究員，他的研究始終深耕在電機領域。“這讓我有一種使命感，要為中國制造、國之重器貢獻一份自己的力量。”

“雖然留在英國，會有相對完善的條件和平穩的生活。但對我來說，回國意味著無限的可能和沒有邊界的發展空間。我可以建立實驗室做出一些成果，探索一些新的科研方向。事實證明，回國這個選擇是對的。”

這幾年，張何和他的團隊將研究集中在開發先進的電機驅動系統，以滿足未來更環保的運輸需求，包括開發用于電動汽車的高功率密度機器、用于航空航天工業的電機驅動裝置和用于先進制造業的高性能機械臂等。這些技術既服務地方也走向世界。

2017 年，張何和他的團隊與寧波永磁材料企業以及荷蘭的公司一起成功研發了高效、高功率密度的運河船舶電推系統和大型船舶船首側推器的電驅動系統，用于船舶電氣化改造。寧諾負責設計研發，寧波企業負責主要配件和電機驅動產品生產，荷蘭公司負責市場推廣，三方合作下，產品已經成功應用在荷蘭的船舶上，實現了阿姆斯特丹運河的全電動零排放，同時幫助寧波企業實現了對下游產業鏈的整合和產業升級。

說起這些研究成果的產業化，張何不無驕傲，“我非常關心研究成果的產業化運用，我希望我的研究不僅是實驗室里的模型，而是經得起一次次測試，能夠在實際場景中驗證可行性并最終得到應用。”

期待培育出更多高精尖中國工程師

張何的研究理念也影響了他的多位博士生。已經畢業的施博聞目前正在研發航空級別的專業設備“大載重無人機電驅動系統”，并嘗試產業落地。

施博聞記得，在實驗最緊張的時候，他們經常連續工作十幾個小時，吹著螺旋槳的風，一遍遍地調試參數。導師張何幾乎從未缺席，和大家一起忍受著大風和噪音。“所有人都希望把事情做到100%，只要電機最后能夠擁有最佳性能，對我們來說，其他真的不算什么。”

張何說，2014 年當他剛來寧諾時，既沒有學生，也沒有設備，完全是從零開始。近年來他欣喜地看到越來越多的年輕人加入到這項事業中來。“現在，我們這里有人、有設備、有機會，年輕人完全可以做出比肩甚至領先世界一流水平的科研成果。”

2017 年底，諾丁漢（余姚）智能電氣化研究院成立，翌年5 月正式啟動，張何擔任首席研究員。這個平臺迅速聚攏了一個強大的團隊。目前有來自世界各地的30 余名學者、研究人員和博士生在這里開展尖端電力電子與電機驅動研究，并與產業界和工業界進行了密切合作。

張何期待著能夠借助研究院這個平臺培養更多年輕有熱情的電氣工程師。“全球范圍內都在關注如何減少碳排放，提高各類交通工具的運行效率。發展最先進的電機驅動系統以推動綠色交通的發展和實踐是解決這些問題的重要方法之一。我希望，我們既能夠做出高性能的、世界領先的電機驅動器，也能夠將研究成果產業化，通過技術革新真正地為人類和社會作出一點點改變和貢獻。”