NASA電氣化飛機技術研發現狀及應用前景綜述

高 楊

（中國航發湖南動力機械研究所，株洲 410000）

美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的 電 氣 化 飛 機 推 進（Electrified Aircraft Propulsion，EAP）的研究目的是針對從城市空中交通市場到亞聲速運輸機市場的多種尺寸、航程和飛行速度的飛機，利用電機部分或完全驅動飛機推進裝置對推進系統進行研究。它包括3種形式的推進系統能量源，分別為全電（儲電裝置）、混電（基于電氣和燃油的儲能裝置）以及渦輪電力（僅基于燃油儲能裝置）。研究的總體策略為首先建立關鍵支撐技術，其次在飛行試驗器上進行技術驗證，最后將技術應用于未來航空產業。

1 NASA EAP研究

基于應用市場的需求，NASA啟動了EAP研究，考慮的市場對象包括現有國內/國際民用飛機市場（航程大于4 828.032 km、單通道以上的跨聲速飛機）、按需出行潛在新興市場（半自動或全自動短途垂直起降飛機）以及短途支線飛機市場（載客量低、航程較短的渦槳飛機）。

前期研究基于隱含的技術假設對EAP與自動飛行在這3類市場內的潛在優勢進行分析。結果表明：針對國內/國際空運市場，EAP可以實現節能減排；EAP與自動飛行相結合，可適用于區域交通按需出行市場；自動化EAP可以降低飛行員的操作負荷，一定程度重新振興短途低載客量的支線飛機市場。

1.1 先進空中運輸技術項目

先進空中運輸技術項目面向民用運輸市場，是一個研究領域覆蓋極廣的NASA研究項目。在此項目下，2014年啟動了混合燃氣-電氣子項目，旨在尋求運輸級別的EAP飛機概念、識別技術障礙及推進技術成熟度。混合燃氣-電氣項目團隊從3個層面進行了研究。第一層面，研究飛機概念方案，識別潛在氣動效率收益。第二層面，研究傳動構型。第三層面，研發實現飛機動力系統顯著改進的基礎部件。

波音、聯合技術研究中心和羅羅北美公司對混合電推進系統進行了詳細設計，將電池儲能設備納入推進系統，對窄體飛機的外形只做了少量變化。研究表明，先進的電池管理系統（750～1 000 Wh·kg-1）加上對渦輪發動機的進一步優化，可以改善窄體飛機的整體能量利用情況。羅羅北美公司評估采用1.5 MW電機和400 Wh·kg-1電池的90座級的客機，結果表明925 km航程任務下混電系統的能量利用率提高2%，短途飛行任務中燃油效率提升近14%[1]。

其他早期的EAP構型如N3-X和ECO-150，采用的是完全渦輪電力推進，將所有的渦輪軸功率轉換成電能，然后分配給多個電機驅動的風扇。全分布式構型可以充分利用分布式風扇和先進邊界層吸收技術提高推進效率，但需要極度高效的電機和功率分配系統來承受巨大的電能載荷。有研究對“帶后邊界層吸收裝置的單通道飛機”的尾椎推進器進行了評估，并將其作為部分分布式渦輪電力推進的極簡解決方案。該方案基于現有或短期內可實現的技術，為飛發一體化打開了一扇新的大門，預期在1 667 km的典型任務范圍下可節油2.7%，在6 482 km的設計任務范圍下可節油3.4%。此外，研究以參數化方式評估了動力系統部件優化對具體飛機概念方案性能的影響[2]。帶后邊界層吸收裝置的單通道飛機構型的渦輪電力推進系統，在不同電氣化程度下，電動系統比功率和效率的關系表明，當推進功率需求較小時，無須采用超前的技術就可以實現正向收益。

上述研究證明了EAP在節油節能上的潛力，而實現設計的關鍵在于對子系統、部件和材料的技術研發與突破。NASA投資了多個相關研究項目，包括針對EAP布局的專用試驗臺建設[3]，比功率為13.2 kW·kg-1、效率達到96%的電機（電動機/發電機）研發，比功率為19 kW·kg-1效率大于99%的功率逆變器（機械控制器）驗證，以及可在0～100 kHz頻率范圍、400 ℃以內運行溫度下低電力損耗的新型軟磁材料驗證等。此外，NASA采用獨特的建模方式，利用復合材料設計電機絕緣槽，定制電機線路絕緣以實現最佳熱性能。

1.2 X-57 Maxwell

X-57 Maxwell是NASA飛行驗證和能力項目下的技術驗證機，為首個電氣化X系列飛機。它采用分布式全電推進系統，現已完成以300 km·h-1速度飛行平臺為基礎、人均能耗減少80%為目標的原理驗證。

X-57飛機試驗項目分為4個螺旋上升的研發階段。Mod Ⅰ階段基于P2006T飛機和2臺四缸四沖程Rotax 912S3活塞發動機建立飛行性能基線。Mod Ⅱ階段進行電氣化改型，將原來活塞發動機替換成巡航電動機，同時發動機位置、機翼構型和材料都未改變，測試電動機、電池和其他相關設備的性能，逐步提升電力系統成熟度。Mod Ⅲ階段對原P2006T飛機的機翼進行大幅修改，替換成大展弦比復合材料機翼，尺寸僅為原機翼的42%，并將電動機移動到翼尖測試減阻效果，但此時無法實現低速段性能。Mod Ⅳ階段在Mod Ⅲ階段的基礎上新增12個增升電動機和分布式可折疊螺旋槳，解決低速段飛行問題，并對分布式電推進系統和增升效果進行測試。目前，該項目已進行至Mod Ⅳ階段，2022年4月完成了地面試驗的最終驗證，隨后將準備安裝電池，計劃全電動X-57將于2022年內完成首飛。

X-57飛機的關鍵驗證工作集中在機翼、螺旋槳和任務飛行路線之間有效匹配的集成設計方面。它的設計方案是否能夠成功，取決于高性能電機、逆變器和電池技術的創新發展。此外，需要多學科創新性同步研發，使高升力系統設計、大展弦比機翼設計以及任務飛行路線規劃算法相匹配。基于300 km·h-1巡航飛行工況對高性能機翼進行優化，獲得了最佳氣動效率。采用輕質高效電機驅動布置在翼尖位置的螺旋槳，創新性地利用渦流實現減阻。12個螺旋槳分布式布局于機翼的前緣，由小型電機和逆變器系統驅動，僅在起飛和降落這種低速飛行狀態下運行，保證了機翼的低速氣動性能。通過先進螺旋槳設計和優化流程，確保12個螺旋槳升速過程均衡一致，且在高速飛行時螺旋槳葉片可折疊減小阻力。基于X-57飛行研究項目中試驗件在關鍵系統上表現出的限制，優化航電供電和指令系統。整個系統設置冗余度、進行部件試驗和開展失效分析來控制失效范圍、可能性和持續性。各個部件的研發經歷了單獨的部件設計評審、耐久性試驗和系統集成后功能驗證，可確保可靠性。X-57飛機集成化的系統能夠評估失效模式，結合飛行模擬器用于飛行員培訓，提高了緊急失效情況下的響應速度。

X-57飛機試驗項目的目的是解決電推進系統方面的多個技術挑戰。電動飛機需要特別考慮重量、安全和運行環境的要求，致使系統適配更加復雜。雖然相比燃料發動機，電動推進器（電機和逆變器）更高效，但在運行過程中仍舊會產生熱，需要在飛機層面進行一體化的熱管理設計。通常的做法是采用液冷散熱或布置專門的散熱裝置，如大型金屬散熱器。這必定會導致飛機重量的大幅上升，導致電轉換優勢大打折扣。針對這個問題，X-57飛機上應用了材料科學、高效電機和供電電子、增材制造和先進控制等領域的最新研究成果。

1.3 革命性垂直起降技術項目

革命性垂直起降技術項目的首要目標是研發和驗證垂直起降飛機相關概念構型和關鍵技術，包括適用于常規構型、非常規構型以及城市空中交通（Urban Air Mobility，UAM）市場需求的各類解決噪聲、飛行速度、機動性、負載、效率、環境和安全問題的技術。

為識別關鍵技術、定義技術規范、探索不同的推進系統方案，該項目共設計了4款UAM概念機，包含不同的有效載荷、航程、類型和推進系統[4]，并在此基礎上開展系統安全性評估，識別出在安全性、耐久性、符合性方面的認知差距，分析關鍵部件的技術需求。

此外，NASA在數字推進系統仿真（Numerical Propulsion System Simulation，NPSS）工具的推進系統概念設計軟件中添加電氣模塊，使eVTOL電動系統的設計和分析可以在NPSS框架下完成。

革命性垂直起降技術項目也是將磁性傳動應用于eVTOL推進構架的先行者。磁性傳動技術利用磁體通過磁力傳遞扭矩而無須輪齒間有任何實體接觸，研究得出了可應用于航空平臺的輕質可靠傳動鏈設計，同時完成了相關試驗臺的建設。

2 EAP技術應用的優勢與前景

在民用航空領域，歐美多個技術發展框架和展望文件都在減少耗油、排放和噪聲上提出了目標，而EAP是研究實踐證明實現該目標最具前景的技術。

對于軍用平臺，EAP的發揮空間更大，甚至可使之前無法實現的非常規任務成為可能。例如：減少噪聲和排放可以更好地掩藏飛機特征；結合自動化操作系統可以最小化飛行員的工作量；儲能設備的布置可以提供爆發性性能/沖擊能量，使能量武器的打擊效果更加可觀。這些都與未來軍用平臺應用需求相匹配。

其他可應用的場景包括沙塵環境下運行、提供遠程供電、擴展監控區域、補充可調度功率以及自主救援等。在識別不同應用場景的任務需求和技術差距后，可建立相關系統的技術路線圖。現階段，在350 nm航程范圍內，混電推進系統支線飛機中電池發揮的作用足以媲美傳統推進系統。多數在研發的短途小型無人機系統混電飛機則在航程上均小于1 000 nm。

此外，混電飛機架構為創新部件集成方式提供了空間，并且擴展了任務完成能力，集成非典型能量源，在飛機的多個位置布置推進裝置，使飛機的設計更加自由[5]。加之綜合應用飛機子系統，既可實現安靜、耐久的飛行，又可為沖擊性和定向能武器提供脈沖功率。但是，目前的技術尚不夠成熟，還有很長的路要走。可以先從軍用平臺入手，逐步推動后續研究。

未來最首要的研究任務是識別關鍵性能基點，提升EAP在戰場戰略、后勤和操作性方面的表現，同時利用好現有民用技術研發成果。目前，已有多項關鍵技術完成了地面運行驗證，后續將集中力量實現高空運行符合性方面的突破。可以預見，到2030年，將會有多型符合高空飛行要求和未來戰場能力需求的EAP飛機面世。

3 結語

NASA以潛在市場影響和技術關鍵性能參數為牽引推動EAP研究。基于關鍵領域技術革新，EAP從設想逐漸成為現實。EAP飛發一體化方案目前已行進至飛行驗證階段，研究獲得的數據可為填補相關標準和認證流程空缺提供支撐。目前，EAP研究的進展顯著，未來的工作著重于將EAP技術在民用產品上轉換應用和進一步完善EAP技術，使其能夠應用于大型跨音速飛機。