航空超導電驅動力系統發展研究

■ 楊文將 王少鵬 白明亮 宋東彬 / 北京航空航天大學 姚軒宇 蔣承志 / 中國航發研究院

基于超導電驅的航空電推進系統具有高功率密度、高轉換效率和低損耗等優勢，是大功率航空動力系統的重要發展方向。俄羅斯、美國和歐洲的相關研究團隊對于超導電驅動力系統紛紛開展技術探索和方案預研，為超導技術在下一代飛行器的應用提供理論基礎。

面向航空業節能減排、綠色低碳的發展目標，美國和歐盟對于下一代飛行器在噪聲、燃油消耗和污染物排放等方面分別提出了量化指標，而飛機動力系統技術的進步與革新是進一步提升燃油利用率、降低排放的必要保證。電推進技術是航空技術發展的重要方向，已成為下一代飛行器的一種可行的選擇。將電推進系統應用于大型飛行器的主要挑戰為功重比，當前渦輪發動機的功率密度在3～8kW/kg之間，而傳統工業電動機的功率密度通常低于2.5kW/kg，難以滿足大功率電動飛機的動力需求。超導材料在一定低溫環境下可以體現超導特性，能夠以幾乎為零的電阻傳導非常大的電流，能量損耗非常低。超導電機使用超導材料替換傳統電機的繞組材料，可以大幅提高導體電流密度并且減小損耗，從而提高電磁負荷、提升電機效率及功重比，成為傳統發電機和電動機的有利替代者。因此，超導航空電驅動力系統應運而生，成為解決大功率航空電推進系統已有問題的很有前景的方案。

超導電機發展與特點分析

自1976年美國應用超導大會上首次提出機載超導電機以來，超導電機已經發展出低溫超導電機與高溫超導電機等不同超導材料的類型，以及半超導電機和全超導電機等不同結構的類型。目前高溫超導電機的功率密度已超過10kW/kg，大幅超過傳統機載電機，甚至優于渦輪發動機的功率密度，而且高溫超導體的臨界溫度高于液氮沸點，制冷成本較低，逐漸成為超導電機的主流研究方向。

半超導電機是指使用超導材料替代勵磁繞組或電樞繞組的電機，通常可分為定子型和轉子型，但定子半超導型電機因交流損耗較大導致電機轉速受限、效率較低，因此轉子超導型是半超導電機的主要研究對象。轉子半超導電機僅使用超導材料替代常規的轉子線圈，利用超導勵磁繞組中的直流電場產生高強氣隙磁場，沒有交流損耗，電機效率很高。通常需要將轉子超導電機的轉軸設計為中空無鐵芯結構，如圖1（a）所示，以通入冷卻介質、避免鐵芯磁飽和同時減輕質量，而且需要對定轉子進行熱隔離，該型超導電機的主要技術難點在于旋轉密封及冷卻系統。典型樣機如韓國電工技術研究所設計的1MW半超導電機，如圖1（c）所示，用BSCCO超導線材制造的跑道型線圈繞制成雙極轉子，空心轉軸內的液氖熱虹吸冷卻系統維持低溫環境，定子電樞采用常規銅繞組并用非磁性材料固定[1]。

圖1 半超導電機與全超導電機結構及典型樣機

全超導電機是勵磁繞組與電樞繞組同時采用超導材料的電機，理想狀況下全超導電機可以在利用超導勵磁繞組提高磁負荷的同時利用超導電樞繞組提高線負荷，進而達到最高的功率密度，結構如圖1（b）所示。但超導電樞繞組的交流損耗問題難以解決，尤其是在超導強勵磁場作用下尤為明顯，因此現有的全超導樣機多處于較低轉速的驗證階段，尚不能完全開發出全超導電機的潛力。莫斯科航空學院于2017年在多電飛機會議中展示的一臺1MW全超導電機，功率密度約為12kW/kg，如圖1（d）所示，利用跑道型超導線圈分別作為定轉子的電樞繞組和勵磁繞組，改進為無鐵芯結構后，又能夠避免鐵芯磁飽和并有效減輕質量，達到20kW/kg的功率密度[2]。

全超導電機是最具有發展前景的超導電機，理論上其功率密度可達20kW/kg以上，但是由于目前超導線材的交流損耗問題難以解決，轉子半超導電機可能將率先應用于實際的機載項目中。

航空超導電 驅動力總成系統發展態勢

在航空動力總成系統中應用超導技術，理論上可以減輕系統質量、減小損耗并提高系統的效率。目前，航空超導電驅動力系統視為未來飛機電推進的重要突破點，是實現航空脫碳目標至關重要的解決方案。相關科研單位和研究機構已開展超導電推進技術預研和驗證，探索其應用于大功率支線飛機動力系統的可能性。

俄羅斯

俄羅斯中央航空發動機研究院（CIAM）于2017年莫斯科航展上宣布其首個混合電推進系統研究計劃，并展出了500kW混合電推進概念模型。該動力系統由燃氣渦輪發動機驅動發電機發電，同電池一起供電給超導電動機驅動六葉螺旋槳。由于超導材料的使用將其項目命名為高溫超導平臺（HTSP）混合動力總成，參研單位包括負責試驗平臺研制和飛行試驗的西伯利亞航空研究所（SibNIA）、負責飛行器空氣動力學、結構強度和相關流體力學研究的中央空氣流體動力學研究院（TsAGI）、負責混合電推進動力驗證裝置研究的茹科夫斯基國家研究中心、負責航空發電機研制的烏法國立航空技術大學（UGATU）以及負責超導電動機設計和研制的莫斯科航空學院和超級奧克斯（SuperOx）公司。

該項目原型機是采用蘇聯/俄羅斯雅科夫列夫設計局（Yakovlev）研制的三發噴氣支線飛機雅克-40，其主要動力為尾部3臺 AI-25渦扇發動機，如圖2（a）所示。為將雅克-40飛機改裝為超導混合電推進驗證平臺，將原有發動機替換為2臺由霍尼韋爾公司研制的TFE731-5BR發動機和1臺克里莫夫TV2-117渦軸發動機驅動發電機。動力總成系統中發電機由UGATU和CIAM共同研制[3]，功率約為400kW，轉速約為12000r/min，效率約為96%；鋰電池作為輔助動力裝置，主要是為雅克-40起飛和爬升時提供輔助動力，并在巡航飛行期間存儲多余的能量。

圖2 俄羅斯超導電動系統

SuperOx公司目前已經研制了數百個電機繞組原型，以及大約10個不同功率的電機原型。該系統中超導電動機質量約為100kg，轉速為2500r/min，可以產生400～500kW的功率，但超導材料只有在低溫環境下才能保持超導特性，因此需要配備對應的機載低溫冷卻系統。圖2（d）～圖2（e）為500kW超導電動機測試試驗現場，采用溫度為77K的液氮冷卻，液氮流量為6L/h以保持超導材料零電阻特性。SuperOx公司于2020年12月將其研制的500kW超導電動機安裝在了作為試飛平臺的雅克-40飛機上，超導電動機、冷卻系統和螺旋槳安裝在機體頭部，如圖2（b）和圖2（c）所示，并進行了螺旋槳試運行，于2021年2月開始進行地面臺架測試，隨后進行了地面滑行測試。

混合動力驗證機雅克-40LL配備了基于燃氣渦輪發動機和超導電動機的混合動力系統，已于2021年7月24日在莫斯科航展上完成了首次試飛，如圖2（f）所示。SuperOx公司將繼續生產功率1MW的超導電動機，將在伊爾-114飛機上安裝2臺來取代其型號為TV7-117的渦槳發動機。另外在2030年左右SuperOx公司將與CIAM等單位合作研制出不低于2MW的超導發電機，為俄羅斯超導混合電動系統的發展助力。

歐洲

為探索超導材料在航空應用的可能性，空客公司已成立先進超導和低溫動力總成系統演示器（ASCEND）項目[4]，計劃在3年內研制一套500kW通用的超導航空電驅動力總成驗證系統，結合液氫冷卻和超導技術演示純電/混合電推進，探索超導材料和低溫系統對飛機電力推進系統性能的影響。該項目的地面演示器將由空客子公司UpNext來建造，與傳統技術相比，其目標是將動力總成質量和電氣損耗至少降低50%，同時將效率提高5%～6%。

ASCEND項目的動力總成系統如圖3所示，包括低溫冷卻系統、超導電動機、低溫冷卻電動機控制單元、超導配電系統、電纜和保護裝置等。超導直流電纜和連接器將功率傳遞到電動機控制單元，轉換為交流電輸入給超導電動機驅動涵道風扇/螺旋槳正常運轉。低溫冷卻系統為超導組件提供冷卻，根據當前信息可以確定其冷卻工質為液氫。盡管整個超導系統需要保持冷態，但是動力總成的不同組件需要不同的冷卻溫度，例如，電纜可能需要80K，常規半導體需要100～150K，因此該項目也將著眼于調節冷卻溫度或為一些組件開發特定的冷卻系統。

圖3 空客超導電動總成系統架構

ASCEND項目中動力總成系統預計在2023年年底測試和評估適用于純電/混合電推進的解決方案，為空客公司決策未來飛機所需要的推進系統架構類型提供支持。目前項目研究對象為500kW以內的超導電驅通用總成系統，并不是針對某個特定機型，旨在證明超導電驅技術應用的可行性和潛力。當前現有的飛行器類型中，電動垂直起降（eVTOL）飛行器、輕型和支線飛機可能需要幾百千瓦的功率，而大型飛機則需要數兆瓦的功率，因此超導電驅動力系統目前研究和短期應用集中于前者。賽峰集團等公司及研究實驗室已加入到超導電驅的研究中，成為ASCEND項目的合作伙伴，空客公司預計于2023年驗證系統方案，2025年完成飛行演示，2026年確定飛機開發方案，并在2035年投入使用。

美國

美國國家航空航天局（NASA）、波音公司等研究團隊一直在探索未來大功率航空超導電驅動力系統架構方案，SUGAR Freeze是波音公司在亞聲速超綠色飛機研究（SUGAR）項目支持下的一種混合電推進飛機，如圖4所示，其尾端推進風扇由固體氧化物燃料電池循環供電，并由帶有超導電源管理系統的超導電動機驅動[5]。NASA N3-X通過安裝在機頭的2臺燃氣渦輪發動機驅動4臺超導發電機發電，總發電功率約為50MW，每臺發電機為3～4臺功率為2.5MW的超導電動機供電，總推進功率約為35MW。

圖4 NASA大功率超導航空電驅動力系統概念設計

NASA格倫研究中心正建造電動飛機試驗平臺（NEAT），如圖5所示，以實現未來單通道飛機全尺寸、實際飛行質量條件下的電推進系統地面試驗，提高推進系統的技術成熟度，為飛行試驗做準備。NEAT可以測試全套電推進系統，其功率可達到24MW，匯流條電壓可達到4500V。試驗臺周圍還有熱核火箭試驗設施和高超聲速風洞，可提供NEAT所需要的功率、冷卻和低溫基礎設施，確保大功率常規或超導電驅系統試驗的開展。

圖5 美國NEAT

超導航空電驅動力推進技術面臨挑戰

機載低溫冷卻技術尚未成熟

超導航空電驅動力推進系統的亮點在于創造性地使用了超導磁體，但對動力系統來說，超導磁體并不是其電機系統不可或缺的要素，只是一個可能的性能加分項，因為超導技術要求嚴苛的低溫工作條件。要持續維持超導電機處于超導狀態必須依賴一套非常精密復雜的冷卻系統，而現有的超導電機常使用液氮、液氫、液氦或者液氖作為冷卻介質，對應的低溫制冷設備大多是針對特定的地面基礎試驗，且質量和體積較大。機載超導電機冷卻設備須根據飛機尺寸及型號進行特殊的設計，保證在飛機質量和體積裕度內發揮制冷作用，保證超導材料的超導特性和電機的冷卻。因此，超導電機的體積、質量優勢，需要在電機功率和尺寸的需求足夠大的背景下，才能展現出一定的實用價值。

超導材料高度依賴冷卻系統，而低溫冷卻系統可能削弱超導電機固有的高可靠性優勢，而飛機的動力系統對可靠性要求是最高的。美國、歐洲目前所研發的超導電驅動力系統，其主要規劃和驗證性使用都集中在工業級用途，尤其是船舶動力方面，尚未應用于機載動力系統，因此啟用超導動力系統將對飛機安全提出極大的挑戰。另外，從經濟的角度來講，超導材料、超導電機冷卻系統等產品價格奇高，客觀上也阻礙了超導電驅動力系統的大規模市場化應用。

大容量、高效率的功率變換器技術亟待解決

超導航空電推進系統的動力源于超導電機，要實現對超導電機的精準控制需要大容量、高效率的功率變換器，實現交流電和直流電之間的轉換。電推進系統中的功率變換器主要有發電機側的整流器、電動機側的逆變器和為機上其他設備供電的功率變換器。兆瓦級功率變換器所依托的大容量電力電子技術需要在以下方面獲得突破：開關器件、半導體材料、功率電路拓撲、濾波器、封裝和熱管理等[6]。目前亞兆瓦或兆瓦級大容量電力電子裝置局限于傳統硅基晶閘管或絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）換流技術，開關頻率偏低、體積大且功耗高，難以實現電力系統性能的大幅提升。

功率器件的開關損耗也可以通過優化電路拓撲來降低，如軟開關技術。輸入/輸出濾波器有助于降低干擾，提高電能質量，降低對機載電子設備和電機的影響。但濾波電容體積和質量大、不耐高溫、可靠性差，因此對于濾波器的設計需要盡可能做到體積小、質量輕。第三代功率半導體SiC器件具有效率高、導通電阻低、熱導率好、工作溫度高、可靠性好、耐電磁輻射等優勢，是實現功率變換器性能大幅提升的重要基礎。

結束語

超導航空電驅動力系統相比于傳統動力系統可以有效地降低動力系統總成的質量、減少電氣損耗并降低系統電壓、提高動力總成系統的效率，是解決當前推進系統功重比過小問題的頗有前景的方案。俄羅斯、美國和歐洲等針對超導電驅動力推進技術進行項目預研、部件制造與測試、驗證平臺搭建等研究，探索其在航空動力推進的可行性。超導技術應用的同時也帶來一系列挑戰，應用于航空電推進仍需要時間和經驗的積累。