李 龍，王 鵬

(中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，成都 610500)

1 引言

隨著燃油成本的不斷攀升以及越來(lái)越嚴(yán)苛的環(huán)保要求，航空動(dòng)力技術(shù)已經(jīng)從不斷提升渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)效率逐漸向提升航空動(dòng)力循環(huán)效率發(fā)展，且日益呈現(xiàn)出改變發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)型、甚至是顛覆傳統(tǒng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)型的趨勢(shì)。2019年巴黎航展上，來(lái)自空客、波音等7家航空企業(yè)的首席技術(shù)官聯(lián)合聲明，稱(chēng)航空業(yè)正迎來(lái)以數(shù)字化和電氣化為典型特征的“第三時(shí)代”[1]，飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的電氣化是一種必然趨勢(shì)[2]。與傳統(tǒng)燃油飛機(jī)相比，電推進(jìn)和混合電推進(jìn)飛機(jī)具有低噪聲和低排放的優(yōu)點(diǎn)。此外，混合電推進(jìn)系統(tǒng)可在傳統(tǒng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)效率較低的起飛、爬升、著陸、滑行階段，讓發(fā)動(dòng)機(jī)始終運(yùn)行在最佳效率狀態(tài)。這無(wú)疑能顯著節(jié)省燃油、降低噪聲。為此，盡管因電機(jī)功率密度和電池能量密度不足，短期內(nèi)飛機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)全電推進(jìn)，但融合了電推進(jìn)和燃油動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)的混合電推進(jìn)系統(tǒng)，將成為支線(xiàn)飛機(jī)，乃至干線(xiàn)飛機(jī)的重要?jiǎng)恿x項(xiàng)。

截止目前，美國(guó)、歐盟、俄羅斯等均組織開(kāi)展了混合電推進(jìn)系統(tǒng)的探索和研究，取得了豐碩的成果。美國(guó)NASA 推出了帶后置邊界層推進(jìn)器(風(fēng)扇)的單通道渦輪電推進(jìn)飛機(jī)；英國(guó)羅-羅開(kāi)展了M250混合電項(xiàng)目，并于2019 年宣布完成M250 混合電版本的地面試驗(yàn)；俄羅斯在2017年展出了采用超導(dǎo)技術(shù)的500 kW 混合電概念驗(yàn)證機(jī)，目標(biāo)是開(kāi)展2.0 MW級(jí)動(dòng)力系統(tǒng)的飛行平臺(tái)試驗(yàn)驗(yàn)證。但目前的技術(shù)尚不能達(dá)到商業(yè)應(yīng)用水平，仍有諸多關(guān)鍵技術(shù)亟待突破，尤其是電池能量密度和電機(jī)功率密度問(wèn)題。

本文針對(duì)目前混合電推進(jìn)系統(tǒng)的研究進(jìn)展以及需突破的關(guān)鍵技術(shù)，分析了國(guó)外混合電推進(jìn)系統(tǒng)研究概況，主要部件技術(shù)需求，以及電動(dòng)部件的發(fā)展現(xiàn)狀與未來(lái)應(yīng)用需求之間的差距；重點(diǎn)闡述了歐盟和美國(guó)在混合電推進(jìn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)——超導(dǎo)性保持技術(shù)方面的研究進(jìn)展，以期為我國(guó)混合電推進(jìn)系統(tǒng)研究提供參考。

2 電推進(jìn)系統(tǒng)分類(lèi)及對(duì)比分析

電推進(jìn)系統(tǒng)按照結(jié)構(gòu)和工作原理分為全電、渦輪電和混合電三類(lèi)[3]。全電推進(jìn)系統(tǒng)采用電池作為飛機(jī)唯一的推進(jìn)動(dòng)力來(lái)源，適合于輕型飛機(jī)。混合電推進(jìn)系統(tǒng)采用燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)作為推進(jìn)系統(tǒng)和電池充電裝置，在一個(gè)/多個(gè)飛行階段，電池也提供部分推進(jìn)動(dòng)力。混合電推進(jìn)系統(tǒng)按照結(jié)構(gòu)，可分為串聯(lián)混合電、并聯(lián)混合電和串-并聯(lián)混合電，其各自的優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 三種混合電結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)比較Table 1 Merits and demerits of hybrid structures

3 國(guó)外混合電推進(jìn)系統(tǒng)項(xiàng)目研究概況

針對(duì)未來(lái)寬體客機(jī)，NASA 于2011 年推出了渦輪電分布式推進(jìn)系統(tǒng)。該推進(jìn)系統(tǒng)由兩臺(tái)安裝在翼尖的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)超導(dǎo)發(fā)電機(jī)發(fā)電，再由發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)15 臺(tái)嵌入機(jī)身的超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)風(fēng)扇產(chǎn)生推力。后來(lái)由于該方案技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)過(guò)大，NASA 聚焦到常規(guī)布局混合電推進(jìn)技術(shù)飛機(jī)方案——帶后置邊界層推進(jìn)器(風(fēng)扇)的單通道渦輪電推進(jìn)飛機(jī)。該飛機(jī)機(jī)翼下方2 臺(tái)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)為電動(dòng)機(jī)供電，風(fēng)扇由2.6 MW電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。

歐盟在“航跡”2050 計(jì)劃下探索了分布式混合電推進(jìn)系統(tǒng)。其中，E-FanX[4]項(xiàng)目對(duì)英國(guó)BAE 系統(tǒng)公司的AVRO RJ100 支線(xiàn)飛機(jī)進(jìn)行混合電推進(jìn)改裝。具體設(shè)計(jì)是將羅-羅公司的AE2100渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的核心機(jī)與西門(mén)子公司研制的2.5 MW 的發(fā)電機(jī)連接，為2 MW電動(dòng)機(jī)和電能儲(chǔ)存裝置充電，系統(tǒng)電壓高達(dá)3 kV，是目前研制的功率最大、電壓最高的航空電推進(jìn)系統(tǒng)。此外，羅-羅還開(kāi)展了M250混合電項(xiàng)目，并于2019 年11 月宣布完成M250 混合電版本的地面試驗(yàn)，試驗(yàn)測(cè)試了M250的串聯(lián)混合電、并聯(lián)混合電和渦輪電工作模式。該動(dòng)力系統(tǒng)功率范圍為0.5～1.0 MW，由M250 發(fā)動(dòng)機(jī)、高能量密度電池系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、功率轉(zhuǎn)換電子裝置和先進(jìn)功率管理和控制系統(tǒng)組成，可以分布式電推進(jìn)系統(tǒng)的形式裝備混合電垂直起降飛行器、通航飛機(jī)和混合電直升機(jī)。后續(xù)，羅-羅將用APUS i-5[5]飛機(jī)驗(yàn)證混合電技術(shù)在傳統(tǒng)起降飛行器上的實(shí)際應(yīng)用。

法國(guó)賽峰公司于2018年9月在直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試中心進(jìn)行了首次混合電推進(jìn)系統(tǒng)地面試驗(yàn)[6]。其兩臺(tái)功率達(dá)45 kW的ENGINeUS電動(dòng)機(jī)在法國(guó)支線(xiàn)飛機(jī)初創(chuàng)公司VoltAero 公司的卡西歐1 號(hào)混合電驗(yàn)證機(jī)上進(jìn)行了飛行試驗(yàn)。目前，賽峰公司正在開(kāi)發(fā)一套名為BPMS[7]的簡(jiǎn)易智能電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含航空電動(dòng)機(jī)和推進(jìn)系統(tǒng)，理論輸出功率達(dá)1.0 MW。

俄羅斯中央航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院(CIAM)在2017年年莫斯科航展上披露了其第一臺(tái)渦輪電推進(jìn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的研制計(jì)劃，并展出了500 kW級(jí)概念發(fā)動(dòng)機(jī)模型。該發(fā)動(dòng)機(jī)將采用SuperOx 公司的超導(dǎo)材料，計(jì)劃在3年內(nèi)完成500 kW驗(yàn)證機(jī)的飛行平臺(tái)試驗(yàn)；隨后開(kāi)展用于19座飛機(jī)的2.0 MW級(jí)動(dòng)力系統(tǒng)的飛行平臺(tái)試驗(yàn)驗(yàn)證，其動(dòng)力可能由4臺(tái)0.5 MW發(fā)動(dòng)機(jī)或1臺(tái)2.0 MW發(fā)動(dòng)機(jī)提供。

4 混合電推進(jìn)系統(tǒng)部件技術(shù)需求及發(fā)展現(xiàn)狀

混合電推進(jìn)系統(tǒng)部件主要包括生成電能的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換、調(diào)節(jié)和分配的電子裝置，電路保護(hù)裝置，電動(dòng)機(jī)和儲(chǔ)能裝置。美國(guó)國(guó)家科學(xué)院預(yù)測(cè)，未來(lái)20年內(nèi)，為適應(yīng)電氣化推進(jìn)系統(tǒng)需求，電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的比功率應(yīng)增加至約9 kW/kg，對(duì)應(yīng)功率增加1.0～3.0 MW[8]。表2給出了不同飛機(jī)類(lèi)型對(duì)電推進(jìn)系統(tǒng)部件的性能要求。表3示出了混合電推進(jìn)系統(tǒng)部件技術(shù)指標(biāo)現(xiàn)狀和未來(lái)需求。

表3 混合電推進(jìn)系統(tǒng)部件技術(shù)指標(biāo)現(xiàn)狀和需求Table 3 Technical index status and demands of hybrid electric propulsion system components

5 混合電推進(jìn)系統(tǒng)超導(dǎo)電機(jī)研制進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)

由表2 可知，混合電推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的功率需求都在兆瓦級(jí)以上。傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)，無(wú)法在滿(mǎn)足飛機(jī)動(dòng)力體積和質(zhì)量要求下實(shí)現(xiàn)兆瓦級(jí)功率，為此必須降低導(dǎo)體的電阻。如果在電機(jī)中使用超導(dǎo)線(xiàn)材或帶材代替?zhèn)鹘y(tǒng)的銅導(dǎo)線(xiàn)，可降低損耗，提高電機(jī)的效率[9]，且超導(dǎo)帶材的載流密度很高，還可降低電機(jī)設(shè)備的質(zhì)量和體積。由此可見(jiàn)，超導(dǎo)電機(jī)是實(shí)現(xiàn)混合電推進(jìn)的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。目前，美國(guó)和歐盟都針對(duì)混合電推進(jìn)系統(tǒng)超導(dǎo)電機(jī)展開(kāi)了研究，取得了一定的進(jìn)展。

表2 不同飛機(jī)對(duì)電推進(jìn)系統(tǒng)部件的性能要求Table 2 Performance requirements of electric propulsion system components for different aircrafts

5.1 超導(dǎo)電機(jī)研制進(jìn)展

5.1.1 NASA高效兆瓦電機(jī)項(xiàng)目

NASA 格林研究中心研制了一臺(tái)1.4 MW 的高效兆瓦電機(jī)(HEMM)。該電機(jī)為電勵(lì)同步電機(jī)，采用自冷卻超導(dǎo)轉(zhuǎn)子[10]，轉(zhuǎn)子有12 極，其性能和幾何參數(shù)見(jiàn)表4。為最大化電磁容量，超導(dǎo)線(xiàn)圈采用了獨(dú)特的超導(dǎo)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)包容性設(shè)計(jì)。盡量減小轉(zhuǎn)子和定子之間的空隙，同時(shí)盡可能把線(xiàn)圈朝轉(zhuǎn)子表面向外移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)最佳轉(zhuǎn)子性能。圖1 示出了高效兆瓦電機(jī)超導(dǎo)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 高效兆瓦電機(jī)超導(dǎo)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)Fig.1 Structural design of superconducting rotor for high efficiency MW motor

表4 高效兆瓦電機(jī)超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的性能和幾何參數(shù)Table 4 Key characteristics and geometry of superconducting rotor for high efficiency MW motor

HEMM 采用了第2 代高溫超導(dǎo)體(HTS)REBCO(鋇銅氧化物)材料，在溫度低于77 K 環(huán)境下性能優(yōu)良。導(dǎo)體橫截面為矩形，給定體積下其堆積因數(shù)大。HEMM 轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈為跑道形(圖2)，包含四層，由獨(dú)立扁平形/跑道線(xiàn)圈組成。每個(gè)線(xiàn)圈包含230 匝，采用相同HTS 帶材串聯(lián)連接。層與層之間用低溫環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)。每層之間和線(xiàn)圈頂端各有一塊幾何參數(shù)相同的不銹鋼薄板，起機(jī)械支撐和軸向?qū)?zhǔn)每層每匝的作用。

圖2 高效兆瓦電機(jī)轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈的橫截面幾何形狀Fig.2 Scheme of the cross-sectional geometry of HEMM’s rotor coils

HEMM 采用超導(dǎo)線(xiàn)圈(圖1)可使定子內(nèi)部和周?chē)拇磐芏茸畲蠡泊嬖跀嗦凤L(fēng)險(xiǎn)——超導(dǎo)體溫度過(guò)高、磁通量或傳導(dǎo)電流過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致超導(dǎo)體的超導(dǎo)性消失。采用限制電流的措施可以緩解斷路風(fēng)險(xiǎn)，但諸如分析誤差、不可預(yù)測(cè)熱源或瞬態(tài)工作等因素還是會(huì)造成斷路。為此，需采用控制器監(jiān)控線(xiàn)圈的狀態(tài)，一旦檢測(cè)到斷開(kāi)前兆，立即減小電流。另外，還可以采用移除線(xiàn)圈匝間絕緣的方法避免斷路。

5.1.2 歐盟先進(jìn)超導(dǎo)電機(jī)驗(yàn)證機(jī)項(xiàng)目

歐盟先進(jìn)超導(dǎo)電機(jī)驗(yàn)證機(jī)(ASuMED)項(xiàng)目[11]始于2017 年，由德國(guó)電動(dòng)機(jī)制造商O(píng)swald Elektromo?toren 公司牽頭，參與方包括劍橋大學(xué)、Demaco 低溫公司、Slovakian 電氣工程研究院等多家機(jī)構(gòu)。該項(xiàng)目旨在研制功重比為20 kW/kg、效率大于99%、轉(zhuǎn)速6 000 r/min、功率為1.0 MW的全超導(dǎo)電機(jī)。1.0 MW電動(dòng)機(jī)只是驗(yàn)證超導(dǎo)技術(shù)的原理樣機(jī)，后期可對(duì)該樣機(jī)進(jìn)行縮放設(shè)計(jì)，讓功率達(dá)到10.0 MW以上。

ASuMED 項(xiàng)目研制的電機(jī)為全超導(dǎo)同步電機(jī)，其轉(zhuǎn)子和定子分別采用疊層式超導(dǎo)帶材和超導(dǎo)線(xiàn)圈，以產(chǎn)生極高的磁通密度，實(shí)現(xiàn)大功重比。系統(tǒng)冷卻采用了低溫恒溫器冷卻系統(tǒng)。定子的低溫恒溫器為毛細(xì)管系統(tǒng)，以液氫作為制冷劑。轉(zhuǎn)子的低溫恒溫器因冷卻工作溫度、冷卻要求和包含密封件在內(nèi)的旋轉(zhuǎn)部件相關(guān)要求，其技術(shù)難度較大。在考慮了一系列可能的傳熱方案后，選擇采用溫度為25 K的氦氣強(qiáng)制對(duì)流循環(huán)帶走熱量的形式實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子冷卻。轉(zhuǎn)子超導(dǎo)疊層的工作溫度為27～35 K，超導(dǎo)疊層與冷卻劑之間的溫差保持在2～10 K范圍。電機(jī)采用了定制的功率控制電子軟硬件，控制器中含有以滿(mǎn)足適航要求為目標(biāo)的反相器。ASuMED項(xiàng)目已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一臺(tái)1.0 MW超導(dǎo)電機(jī)，目前正在進(jìn)行試驗(yàn)。

5.2 超導(dǎo)電機(jī)超導(dǎo)性保持技術(shù)

超導(dǎo)性是超導(dǎo)電機(jī)正常工作的關(guān)鍵，包含零電阻現(xiàn)象和完全抗磁性/邁斯納效應(yīng)兩方面內(nèi)容，涉及臨界溫度、臨界電流密度和臨界磁場(chǎng)三大參數(shù)。NASA 在研制1.5 MW 超導(dǎo)電機(jī)時(shí)，采用限制電流、實(shí)施線(xiàn)圈狀態(tài)監(jiān)控和移除線(xiàn)圈匝間絕緣的方式，保證超導(dǎo)體相關(guān)參數(shù)不超出規(guī)定范圍。歐盟ASuMED項(xiàng)目則重點(diǎn)研究了低溫冷卻技術(shù)。ASuMED采用高效的低溫恒溫器冷卻。其電機(jī)的超導(dǎo)材料為YB?CO(釔鋇銅氧化物)帶材，工作溫度必須低于93 K，可以選用氮、氖、氫、氦等制冷劑，采用冷卻頭主動(dòng)冷卻，且依據(jù)具體冷卻溫度不同，氫和氦可以是液態(tài)或氣態(tài)。另外，為盡可能減少低溫恒溫器效率損失，選用多層反射膜反射熱輻射，同時(shí)低溫恒溫器內(nèi)的真空環(huán)境也可防止對(duì)流傳熱。圖3示出了全超導(dǎo)電機(jī)低溫恒溫器的結(jié)構(gòu)。

圖3 超導(dǎo)電機(jī)低溫恒溫器Fig.3 Cryostat of superconducting rotor

轉(zhuǎn)子和定子的低溫恒溫器冷卻技術(shù)有所不同。定子采用超導(dǎo)體，在交流電下的熱損失高達(dá)系統(tǒng)功率的1%，冷卻要求更高，需采用液態(tài)制冷劑浴和冷卻回路。其中液態(tài)制冷方案存在鐵耗，會(huì)產(chǎn)生額外損失，且需在氣隙內(nèi)增加低溫恒溫器，導(dǎo)致系統(tǒng)功率下降。而冷卻回路方案設(shè)計(jì)靈活，不存在額外鐵耗，也不需要在氣隙中設(shè)置低溫恒溫器。冷卻回路包括閉環(huán)和開(kāi)式冷卻兩種：在閉環(huán)冷卻回路中，應(yīng)選用氦等導(dǎo)熱率好的氣體作為制冷劑，且要有通風(fēng)口。在開(kāi)式冷卻回路中，建議采用液態(tài)制冷劑。超導(dǎo)轉(zhuǎn)子在直流電下工作，冷卻需求不高。其低溫恒溫器的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)在于部件，包括旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)和關(guān)鍵機(jī)械連接件。因軸承和旋轉(zhuǎn)密封件只在室溫下工作，需與制冷劑保持良好的隔熱狀態(tài)，必要時(shí)額外加熱。超導(dǎo)轉(zhuǎn)子低溫恒溫器可用設(shè)計(jì)方案包含熱虹吸管環(huán)流（閉環(huán)冷卻）、直接主動(dòng)冷卻、開(kāi)環(huán)冷卻。

6 結(jié)束語(yǔ)

混合電推進(jìn)系統(tǒng)是未來(lái)航空動(dòng)力的一個(gè)發(fā)展方向。綜合分析國(guó)外混合電推進(jìn)系統(tǒng)的研發(fā)思路和途徑，建議國(guó)內(nèi)從以下兩個(gè)方面入手開(kāi)展混合電推進(jìn)系統(tǒng)的研發(fā)：

(1) 混合電推進(jìn)系統(tǒng)研發(fā)所涉及的內(nèi)燃機(jī)和電池、電機(jī)，航空動(dòng)力研制單位應(yīng)基于自身在航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制方面的豐富經(jīng)驗(yàn)，聯(lián)合在電池、電機(jī)等產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方面較出色的民間公司和高校多溝通，結(jié)合各自的優(yōu)勢(shì)，協(xié)同研制，反復(fù)磨合，共同進(jìn)行混合電推進(jìn)系統(tǒng)研發(fā)。

(2) 國(guó)內(nèi)混合電推進(jìn)系統(tǒng)研發(fā)機(jī)構(gòu)及研究人員應(yīng)實(shí)時(shí)跟蹤、關(guān)注國(guó)外超導(dǎo)電機(jī)的研制進(jìn)展，積極協(xié)同飛機(jī)方進(jìn)行需求對(duì)接，開(kāi)發(fā)出功率、體積、穩(wěn)定性、耐久性等均能滿(mǎn)足飛機(jī)系統(tǒng)需求的超導(dǎo)電機(jī)。