支線/干線客機混合電推進技術

■ 蘭海青 / 中國航發動力所

在未來先進推進系統的各種可能形式中，混合電推進技術改善了原有飛機氣動結構、大幅提高等效涵道比、降低耗油率和排放及減少噪聲，展現出較為明顯的發展潛力，是應對航空業日益嚴峻的氣候變化挑戰的重要手段。

近年來，針對混合電推動技術開展了大量研究，主要有渦輪電力推進、串聯混合電推進和并聯混合電推進等。目前支線/干線客機采用混合電推進的大多尚處于驗證和概念設計階段，包括美國國家航空航天局（NASA）研制的N3-X飛機、帶后部邊界層推進的單通道渦輪電力飛機（STARC-ABL）、采用協同利用方案的并聯電燃氣結構（PEGASUS），波音公司研制的Sugar Volt方案，實驗系統航宇（ESAero）公司的ECO-150飛機，以及空客公司的E-Fan X驗證機、E-Airbus客機等。近年來，新的研究方案更是層出不窮，包括帶前緣嵌入式分布的單通道渦輪電力飛機（STARC-LEED）和法國航空航天實驗室（ONERA）研制的帶發電機的分布式風扇研究飛機（DRAGON概念飛機）。

ECO-150飛機

項目概況

美國實驗系統航宇公司于2008年開始在N+3計劃下進行ECO-150飛機研究。ECO-150為150座的干線飛機，如圖1所示，最大巡航速度為Ma0.785，計劃于2035年投入使用。

圖1 ECO-150飛機

該飛機的動力裝置為渦輪電力分布式推進（TeDP）系統，左右機翼中間位置各安裝1臺功率為11185kW的渦輪發電機，向嵌在分裂式機翼的上半部分和下半部分之間的16個（左右各8個）風扇供電，如圖2所示。在該推進系統中，渦輪發動機不產生推力，只帶動發動機發電，直接為電動機供電，進而驅動風扇。TeDP系統的關鍵部件為采用液態氫冷卻的超導發電機和超導電動機[1]，能夠顯著減輕質量并提高效率。

圖2 TeDP系統結構

研制歷程及進展

2009年，ESAero公司在NASA授予的小型企業創新研究（SBIR）合同下，開始研制ECO-150-16支線飛機，重點研究低溫冷卻電子部件提高效率的潛力。

2010年，ESAero公司在SBIR后續合同下，以ECO-150-16飛機作為基準，研究分布式風扇概念。在該研究中，推進器安裝在分裂機翼內，以確定該布局對機翼結構、推進器性能和整個機翼氣動性能的影響。研究發現，內側機翼部分的桁架結構具有固定的剛性，與類似平面形狀的傳統機翼相比，分裂機翼方案不需要壓縮支柱支架，可以使機翼質量減輕22%。

2011年，ESAero公司研究發現，對于特定級別的飛機來說，采用低溫冷卻降低油耗和機場噪聲不是必需的，因此重新設計了ECO-150飛機，采用常規而不是低溫冷卻的電子部件，旨在確定不依靠低溫技術的TeDP結構能否實現N+2飛機目標。該飛機保持了ECO-150-16飛機的分裂式機翼設計，采用渦輪發電機和電池、電動機、電功率管理系統、功率分配電纜和總線、電力控制器和涵道風扇等，但取消了液態氫冷卻系統。結果表明，相比ECO-150-16飛機，該飛機燃油節省較少，無法實現N+2飛機的目標。

2016年，ESAero公司研究發現ECO-150飛機（攜帶液態氫冷卻電子部件）的基礎設施近期無法實現，因此開始研究配備常規電子部件的ECO-150R飛機，將帶有沖壓空氣熱交換器的再循環液體熱管理系統集成到設計中，冷卻電子部件，以實現N+2飛機目標。研究結果表明，ECO-150R飛機至少能與目前運營的飛機一樣高效。

2019年，ESAero公司再次對ECO-150飛機進行改進，重新設計熱管理系統，并且增加電池供電，最終研制出ECO-150-300飛機，預計于2030—2040年中期推出。研究發現，ECO-150-300飛機TeDP系統采用協同技術具有顯著優勢，設計指標上總質量降低5.7%，燃油消耗降低11%，NOx排放在著陸/起飛試驗中降低12.9%，巡航時降低14%[2]。

STARC-LEED概念飛機

項目概況

帶前緣嵌入式分布的單通道渦輪電力飛機（STARC-LEED）是NASA于2019年開始研制的，重點研究分布式混合電推進系統飛機的機翼結構設計，以減輕相比常規飛機機翼額外增加的系統質量。

STARC-LEED概念飛機的基準飛機為先進常規單通道結構（N3CC）飛機， 與基準飛機不同的是，STARC-LEED概念飛機機翼采用嵌入式推進系統結構，推進系統采用渦輪電力分布式推進系統。STARCLEED概念飛機有兩種結構，分別為STARC-LEED概念I（混合電動分布式推進系統集成至機翼內）和STARC-LEED概念Ⅱ（電力風扇集成至主機翼和上機翼之間），如圖3所示。STARC-LEED概念I采用16個電力風扇（左右機翼各8個）嵌入機翼內，兩個機翼下安裝的渦輪發動機驅動發電機，為分布式風扇提供電力。STARC-LEED概念Ⅱ的電力風扇集成至主機翼和上機翼之間，跨距較短，風扇之間的多個翼型弦向掛架與上機翼和主機翼連接在一起。

圖3 STARC-LEED概念飛機

研制歷程及進展

2019年，NASA采用有限元分析模型， 對STARC-LEED概念飛機的兩種結構進行研究和分析，以確定相比常規結構，嵌入式方法是否具有結構輕量化優勢。STARCLEED概念I的混合電推進機翼結構與常規機翼相比，具有結構質量減輕的潛力，但是減輕的質量僅能彌補分布式電推進系統的部分額外質量。STARC-LEED概念Ⅱ能夠解決STARC-LEED概念I遇到的一些推進集成的挑戰，但是該機翼結構的質量實際大于基準常規機翼，無結構輕質優勢，因此不能抵消更多的推進系統質量[3]。

E-Fan X驗證機

項目概況

E-Fan X驗證機是由空客公司、西門子公司和羅羅公司于2017年共同研制的。在該項目中，空客公司負責混合電推進系統的控制架構和電池的集成，以及與飛行控制系統的集成；西門子公司負責提供2MW電動機和電子控制裝置，以及逆變器、直流轉換器和能量分配系統；羅羅公司負責渦輪發動機、2MW發電機和電子設備，同時致力于對現有發動機短艙和電動機進行風扇適配等。

E-Fan X是基于1架BAe146/Avro RJ支線客機改裝而成，如圖4所示。該機原來配裝的是4臺霍尼韋爾公司的LF507渦扇發動機。E-Fan X驗證機將BAe146/Avro RJ客機配裝的1臺渦扇發動機替換為電動機以驅動風扇，電動機由3000V交流電系統驅動，采用的是碳化硅單元體和永磁材料，風扇則來自于1臺羅羅公司的AE3007渦扇發動機。

圖4 E-Fan X驗證機

研制歷程及進展

2019年，羅羅公司提供2.5MW發電機和電子設備，改裝在1臺AE2100渦槳發動機上，安嵌入E-Fan X飛機驗證機進行飛行試驗。2019年6月，羅羅公司收購了西門子公司的電氣化部門，E-Fan X驗證機改由羅羅公司和空客公司合作開展。

2020年3月，E-Fan X驗證機進行氣動設計試驗，以明確對基準飛機所作的更改將如何影響整體氣動性能和飛行品質。在試驗期間，E-Fan X 驗證機的1 : 8縮比模型安裝在費爾頓低速風洞上，附在試驗模型上的絲線使工程師能夠分析各個迎角下的空氣流動。該風洞試驗非常成功，標志著E-Fan X驗證機達到又一個關鍵里程碑[4]。因為認識到當時對所有要素進行集成，并進行試驗飛行并不是最關鍵的，2020年4月24日，空客公司和羅羅公司宣布停止E-Fan X驗證機項目。盡管項目已經終止，但是羅羅公司后續仍會繼續開展E-Fan X發電系統的地面試驗，將在挪威特隆赫姆進行試驗的發電機與在德比研制的動力控制系統和在印第安那波利斯研制的動力控制和熱管理系統進行集成，以驗證該技術并獲得研制經驗。

DRAGON概念飛機

項目概況

法國航空航天實驗室（ONERA）在歐洲“清潔天空”2計劃下，于2018年提出帶發電機的分布式風扇研究飛機（DRAGON概念飛機），如圖5所示，以加快分布式電推進技術的成熟。其對標機型為空客A320飛機或波音737飛機，巡航速度為Ma0.78、設計航程約為5093km、有效載荷為13t，預計于2035年投入使用。DRAGON概念飛機機身后部兩側各安裝1臺渦輪發動機以驅動發電機，為沿機翼翼展分布的40個涵道風扇（分為4組，每組10個）提供電力。相比對標的渦扇發動機，GRAGON飛機結構顯示出優勢，燃油消耗降低7%。

圖5 DRAGON概念飛機及推進系統

圖6 DRAGON概念飛機分布式混合電推進系統

DRAGON概念飛機采用分布式混合電推進系統，渦輪發動機有兩個軸，額外引入自由動力渦輪，與壓氣機獨立工作，以完全獲得可用的額外功率。在該推進系統中，兩臺渦輪發動機與嵌入式安裝的4臺發電機連接，每臺發電機與2個推進總線相連提供電力，無電能存儲裝置。該結構采用并聯的方式，1臺發動機可以為所有風扇提供電力，這種布局不僅考慮了故障模式，而且更重要的是，電力系統的冗余選擇能夠優化功率和質量。

研制歷程及進展

2019年，ONERA確定了DRAGON概念飛機的最終結構，并對DRAGON概念飛機進行了多學科研究，評估飛機性能。其中包括采用有限元模型對機身部件進行質量評估，驗證了質量沿翼展分布的優勢，但是相比傳統結構，因為機翼上分布的部件沿翼弦產生了扭矩，機翼整體質量會增加；在研究該結構的氣動彈性性能時發現，在低速和高速狀態下存在顫振行為，將通過增加機翼的彎曲剛度來消除，除此之外沒有發現任何嚴重的氣動彈性問題[5]。

2020年，考慮到分布式推進能夠提高整個推進系統的效率，但是集成至大型客機上還存在挑戰，ONERA為此開展了研究以發現問題，并制訂解決方案。從氣動視角分析，通過仿真計算驗證了機翼的形狀具備良好的整體流動特性，需要改進的區域很小；通過機翼結構分析，發現將涵道風扇和相關電機改為傳統懸掛安裝，通過電動機和逆變器對翼展增加載荷可以使布局更有效；更為重要的是，如果改進機翼結構強度足夠限制翼尖偏轉，結構尺寸則會進一步減小；改進機翼結構的氣動彈性分析顯示DRAGON概念飛機無顫振風險；當翼尖附近沒有涵道風扇時，總體氣動彈性阻尼較高[6]。

結束語

支/干線客機向混合電推進方向發展已經成為未來的發展趨勢，但仍面臨許多已知或未知因素的限制。在目前的研制進展中，各研究機構正面臨著電池密度低、發電機和電動機功率小、電機需要的低溫超導環境、電力系統的質量增加、電機安裝位置的選擇和熱管理等諸多技術難題有待解決。因此，距離混合電推進的商業應用還有較長的路要走，需要在技術、市場和社會環境等領域進行更多的發展和探索。