航空混合電推進(jìn)試驗設(shè)備發(fā)展

■ 姚軒宇 蔣承志 滿運堃 / 中國航發(fā)研究院

混合電推進(jìn)概念在汽車等交通運輸領(lǐng)域已經(jīng)得到應(yīng)用，但由于體積質(zhì)量、環(huán)境工況等方面的特殊性，使得航空混合電推進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用遠(yuǎn)不如預(yù)期的那么順利。為此，美歐相關(guān)研究機構(gòu)紛紛著手打造適用于航空混合電推進(jìn)技術(shù)研究與驗證的試驗平臺，為后續(xù)深入開展技術(shù)研發(fā)與工程應(yīng)用打基礎(chǔ)。

飛行器正向著智能化、全電化方向發(fā)展，使得航空電推進(jìn)技術(shù)受到越來越多的關(guān)注。從當(dāng)前技術(shù)發(fā)展趨勢來看，混合電推進(jìn)技術(shù)將會是未來發(fā)展的一個重點。在航空混合電推進(jìn)技術(shù)由概念研究向工程應(yīng)用推進(jìn)的過程中，試驗設(shè)備將發(fā)揮出越來越重要的作用。

圖1 NASA混合電推進(jìn)試驗平臺發(fā)展概況

圖2 AIRVOLT推進(jìn)器試驗臺

NASA主導(dǎo)下的混合電推進(jìn)試驗設(shè)施建設(shè)

在面向未來的航空推進(jìn)技術(shù)發(fā)展路線圖中，美國國家航空航天局（NASA）將混合電推進(jìn)技術(shù)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(jìn)系統(tǒng)研究與技術(shù)（RTAPS）項目、可擴展集合電推進(jìn)技術(shù)使用研究（SCEPTOR）項目等來支持相關(guān)企業(yè)和機構(gòu)開展混合電推進(jìn)技術(shù)探索，逐步形成了大功率混合電推進(jìn)系統(tǒng)概念研究牽引和小功率混合電推進(jìn)技術(shù)應(yīng)用研究并進(jìn)的發(fā)展思路。與此同時，NASA也規(guī)劃了相應(yīng)的試驗設(shè)備建設(shè)發(fā)展路線，為混合電推進(jìn)技術(shù)成熟度（TRL）提升提供保障。NASA混合電推進(jìn)試驗平臺發(fā)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(lián)合ESAero公司、NASA蘭利研究中心、NASA格林研究中心等承擔(dān)了混合電推進(jìn)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(jìn)器試驗臺采用模塊化設(shè)計，如圖2所示，主要用于探索子系統(tǒng)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(jìn)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(zhuǎn)速、振動/加速度、電壓電流、溫度等數(shù)據(jù)，使得研究人員可以測試各種電推進(jìn)系統(tǒng)并掌握方案效率和改進(jìn)方向。AIRVOLT初期以Jboy JM-1電動機為研發(fā)基礎(chǔ)，通過試驗收集到的數(shù)據(jù)完成推進(jìn)器建模，并將模型進(jìn)行硬件在環(huán)測試。后續(xù)還將對其進(jìn)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(jìn)技術(shù)研究。

HEIST能力管理與分配（PMAD）測試系統(tǒng)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(jìn)能量管理系統(tǒng)研制、能量分配管理策略驗證、分布式推力控制方法、推進(jìn)/飛行控制匹配等技術(shù)研究工作。

HEIST前緣異步螺旋槳技術(shù)（LEAPTech）測試系統(tǒng)的重點是關(guān)注分布式電推進(jìn)系統(tǒng)與飛行器氣動設(shè)計影響。2014年11月在加利福尼亞愛德華空軍基地進(jìn)行了首次試驗。試驗臺由渦輪式發(fā)電機、交/直流轉(zhuǎn)換器、電池組系統(tǒng)、控制器、直流配電系統(tǒng)以及安裝在長約9.45m機翼前緣的18個電動機驅(qū)動螺旋槳推進(jìn)器組成。整套系統(tǒng)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(fā)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(jìn)控制算法、低速下分布式推進(jìn)系統(tǒng)性能以及對機翼氣動性能影響等進(jìn)行了深入研究。為混合動力分布式推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計與研發(fā)提供了大量試驗數(shù)據(jù)與技術(shù)儲備。

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

HEIST平臺已經(jīng)被應(yīng)用于SCEPTOR計劃中X-57麥克斯韋技術(shù)驗證機的研發(fā)當(dāng)中，并將分階段開展混合電推進(jìn)技術(shù)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(jìn)行600～4500V的高壓電力總線架構(gòu)、兆瓦級電動機/發(fā)電機、控制通信、電磁干擾、故障保護(hù)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(tǒng)試驗的混合電推進(jìn)試驗平臺。NEAT還具備高空環(huán)境模擬能力，可以測試超過12000m飛行環(huán)境下低溫、低氣壓等對于電推進(jìn)系統(tǒng)的影響。目前，NASA已經(jīng)在NEAT上進(jìn)行了單通道渦輪電動飛機（STARC-ABL）推進(jìn)系統(tǒng)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(zhì)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(zhǔn)備。

圖3 NEAT

賽峰集團(tuán)完成混合動力分布式推進(jìn)試驗臺測試

賽峰集團(tuán)制定了自己的混合動力推進(jìn)解決方案的發(fā)展藍(lán)圖，通過與多方合作致力于在2025年前將混合電推進(jìn)技術(shù)投放到市場。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，賽峰直升機發(fā)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(tuán)研發(fā)和技術(shù)中心共同推動開展了混合動力分布式推進(jìn)試驗臺的建設(shè)。

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

GE航空集團(tuán)建立電力綜合系統(tǒng)研究發(fā)展中心

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

依托該中心，GE航空集團(tuán)開發(fā)并測試了1MW的高功率密度電動機/發(fā)電機。之后在俄亥俄州皮布爾斯進(jìn)行了現(xiàn)場測試，用來驅(qū)動一個來自薩伯340渦槳支線飛機的螺旋槳。GE航空集團(tuán)還與NASA共同出資開發(fā)“先進(jìn)飛行器項目”（AAVP），研發(fā)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(jìn)系統(tǒng)所需的變頻器，該項目前期取得的成果以及后續(xù)技術(shù)研制同樣可在該中心進(jìn)行測試與驗證。

圖4 柯林斯宇航電網(wǎng)實驗室

柯林斯宇航將打造行業(yè)領(lǐng)先的電源系統(tǒng)實驗室

聯(lián)合技術(shù)公司（UTC）旗下的柯林斯宇航于4月8日宣布將建立行業(yè)領(lǐng)先的電源系統(tǒng)實驗室——電網(wǎng)（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(shè)計和測試大功率發(fā)電機等系統(tǒng)，用于商用、軍用、公務(wù)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(guān)建設(shè)工作現(xiàn)已啟動，預(yù)計將于2021年完工并全面投入運行。

電網(wǎng)實驗室支持的首批平臺項目中，就包括聯(lián)合技術(shù)公司最近公布的混合動力驗證機“804計劃”，它是由聯(lián)合技術(shù)領(lǐng)先項目（UTAP）發(fā)起的混合電推進(jìn)驗證機計劃，預(yù)計能在每小時標(biāo)準(zhǔn)航行中節(jié)省30%的燃油，大大降低碳排放水平。

為實現(xiàn)這一目標(biāo)，柯林斯宇航將與普惠等合作，計劃在較短時間內(nèi)重新設(shè)計渦槳支線飛機的推進(jìn)系統(tǒng)，改由2MW的混合動力推進(jìn)系統(tǒng)提供動力。利用電網(wǎng)實驗室，完成1MW的電動機、電動機控制器和電池系統(tǒng)的設(shè)計與測試。該1MW電動機將成為迄今為止航空領(lǐng)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(jìn)系統(tǒng)的一部分，輔助燃油發(fā)動機提供動力。電網(wǎng)實驗室也將成為世界上為數(shù)不多的幾個能夠測試同等級電推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)施之一。

結(jié)束語

隨著對混合電推進(jìn)技術(shù)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(xiàn)這一技術(shù)的工程化，各研究機構(gòu)與企業(yè)紛紛加大投入，設(shè)計搭建了各種試驗設(shè)備并已取得初步成效。特別是NASA主導(dǎo)下的一系列混合電推進(jìn)試驗平臺的建設(shè)，一方面在明確的目標(biāo)藍(lán)圖牽引下形成了不同功率等級、不同功能實現(xiàn)、不同測試手段相互配合補充的試驗?zāi)芰Σ季?，打造從部件測試到飛行器/推進(jìn)系統(tǒng)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(guān)試驗設(shè)備與NASA主導(dǎo)的各混合電推進(jìn)技術(shù)研究項目緊密結(jié)合，形成項目技術(shù)牽引與試驗驗證支撐結(jié)合的良性互動，推動其混合電推進(jìn)技術(shù)成熟度不斷提升。此外，各機構(gòu)間“強強聯(lián)合”趨勢明顯，不僅有項目合作下的聯(lián)合建設(shè)，也有并購重組等深度整合。

目前，我國在航空混合電推進(jìn)領(lǐng)域的研究尚處于起步階段，為支撐混合電推進(jìn)技術(shù)從概念轉(zhuǎn)向應(yīng)用，相關(guān)試驗設(shè)備空白有待填補。同時，在試驗設(shè)備發(fā)展過程中，需要加強行業(yè)聯(lián)合，建立起我國自己的混合電推進(jìn)試驗?zāi)芰?，為未來混合電推進(jìn)技術(shù)的長遠(yuǎn)發(fā)展與應(yīng)用打好基礎(chǔ)。