电力将改变航空业2017-01-05 |组装杂志

如今，只要有人提到混合动力汽车，大多数人就会自然而然地想到汽车、公共汽车和卡车。但是，在天空中，这项技术也得到了航空航天工程师的广泛关注。这是因为电力系统比传统的替代品更环保、更轻、更安静、更节能。

电力推进技术是当今航空航天工业的最大趋势之一。他们的目标是开发出相当于普锐斯(Prius)或特斯拉(Tesla)的飞行汽车。然而，说起来容易做起来难。

电动飞机给工程师带来了许多挑战，如性能、可靠性、安全性和重量。它还需要一种新的组件，如电池、控制装置、电子设备、发电机、电动机、超级电容器和线束，以及对飞机设计和组装的不同思考方式。

一些全电动、有人驾驶的飞机已经成功地完成了试飞。许多其他飞机目前正处于不同的发展阶段。

包括空客、波音、通用电气、霍尼韦尔、罗尔斯•罗伊斯和联合技术在内的所有商业航空航天领域的领军企业都投入了数百万美元的研发资金。它还吸引了谷歌、特斯拉和优步等硅谷公司的兴趣。

“混合电机代表了我们时代最大的产业挑战之一，”空客集团公司首席运营官Andy Anderson声称Andy Anderson。“我们的目标是创造产生零排放的飞机设计。我们希望减少，并且可能会消除，在接下来的30到40年内在航空中使用化石燃料。“

虽然一些公司守口如瓶，但空客正在公开宣传其电力推进系统的研究。2015年，该公司创造了航空史，其E-Fan飞机首次以电力驱动飞越了英吉利海峡。

这架实验飞机的特点是安装在机身中间的两个电风扇。它依靠位于机翼上的1100多个锂离子电池提供动力。

美国国家航空航天局的工程师们也在忙于几个探索电气结构利弊的项目。例如，明年某个时候，该公司计划试飞一种名为X-57的小型电池动力飞机。它将使用14个电动马达将螺旋桨整合到一个超薄机翼上。其目标是大幅降低双座飞机以175英里每小时巡航所需的能量。

此外，NASA的工程师们正在研究用于电气系统的材料类型。例如，他们正在研究内部的导体，以及电缆和电线的绝缘。而且，在研究电机设计和电力电子架构的同时，工程师们正在改进磁性材料和半导体，使电机和电子更轻、更高效。

根据大多数专家，当这种先进技术适用于商用飞机时，真正的突破将会来。事实上，到未来十年结束时，电动推进可用于含有高达100个座位的喷射机。

美国国家航空航天局格伦研究中心混合燃气电力推进技术负责人罗杰·戴森博士预测说:“随着大型航空公司竞相减少排放、燃料燃烧、噪音和维护成本，更多的飞机系统将转向使用电力。”

戴森和他的同事们正在试验一种混合动力系统，在这种系统中，传统的发动机会在飞机升空后关闭。一旦达到巡航高度和速度，飞机就会改用电池动力和更小、节能的发动机。

他们还设想了可用于机场地面操作的电力驱动系统，比如往返跑道的滑行。美国国家航空航天局(NASA)的电动飞机试验台(NEAT)最近开始试验各种类型的电动马达，这些马达可以实际为一架小型、一人或两人飞机提供动力。

“一旦建成，NEAT将成为一个世界级的、可重新配置的试验台，用于组装和测试功率超过20兆瓦的大型客机的动力系统，”Dyson说。“我们将升级这些发动机的尺寸，以学习如何使它们更高效、更轻。”

天空高潜力

电力推进为航空航天工程师提供了许多好处。它有助于减少空气污染，减轻重量，降低噪音水平和提高整体效率。

“今天的努力水平类似于20年前分配给混合动力汽车的丰田，”德技史史议员博士·哈普河博德·埃托普（Peter Harrop）说，Idtech ex Ltd.董事长，该专题开展了几项研究。“然而，电气飞机面临的需要更加艰难，监管要求比陆地车辆更严重。”

尽管如此，哈普夫认为该技术已经达到了倾斜点，并且载人的电气飞机市场将以2031年开花成240亿美元的业务。“电力火车的好处超越了使用点消除或减少排放量和更顺畅骑，“他解释道。“在航空中，您可以在机身周围分发电力和推动的事实，并真正集成空气动力学和推进，是关键。”

Aurora飞行科学公司的工程师Carl Schaefer补充说:“电动飞机的发展趋势主要是出于环保考虑，包括降低排放。”该公司正在研究各种各样的电动飞机项目，所有项目都采用不同的发电和配电架构。

Schaefer正在为美国国防高级研究计划局(DARPA)开发一种垂直起降(VTOL)飞机。

预定在明年的某个时候预定将其少女飞行的闪电通过将平面速度和直升机的敏捷性与一架飞机组合成一架飞机来推动技术的极限。具有集成推进的模块化的蜂窝空气动力机翼设计将使车辆能够在前向飞行中有效地执行，而在悬停中。

激进的设计依靠同步电动驱动系统和垂直起飞和垂直起飞和着陆的倾斜翼和倾斜的推进。ROLLS-ROYCE AE 1107C涡轮轴发动机将动力三个霍尼韦尔发生器和24个在翅膀和刮刀上分布的管道风扇。

Schaefer解释说:“电动固定翼和垂直起降飞机使工程师能够考虑独特的飞机设计，在这种设计中，飞机的配置不再受限于将飞机包裹在推进系统周围的要求。”“以一架商用客机为例。

“一般来说，涡扇发动机要么位于机翼下方，要么位于机身尾部，”Schaefer补充说。“这种配置工作得非常好，但设计师几乎没有灵活性来考虑更有效的推进系统。实际的限制，如机械轴系，排除了创新系统，如分布式推进。

“要搬到像分布式推进的东西，我们需要采取传输 - 不可知论的方法，”Schaefer指出。“分布式电动推进（DEP）系统消除了对机械轴系和轴承的需要，这些导体提供了柔韧性，以便将推进系统放置在飞机上的任何地方。”

雷击的DEP系统由高度集成的分布式管道风扇组成，与同步电力驱动系统相结合，将使飞机能够高效悬停并以高速向前飞行。

Schaefer声称:“通过将推进与空气动力学紧密耦合，雷击飞机上的导管风扇、鸭翼结构等配置使我们能够塑造机翼上的升力分布，从而在整个飞行过程中获得更好的性能。”

纯电气飞机仅依赖于电池提供推进的纯电气飞机严重限制在范围内和耐久性。电流电池技术的能量和功率密度不是它需要实现这一高效实用的解决方案。

例如，一架波音787喷气客机的燃料容量约为223,000磅。一个具有同等电量的电池组的重量估计将超过400万磅。

“使用电池驱动飞机的最大限制是重量，”帕特·安德森博士说，他是航空航天工程教授，也是安柏瑞德航空大学鹰飞行研究中心的主任。“除非(电池技术)发生巨大变化，否则它不会适用于更大、更快的飞机。电池的重量要比液体燃料轻还需要很长时间。”

这就是为什么许多航空航天工程师渴望探索混合动力技术的应用。

Schaefer解释说:“这种推进结构使我们能够使用涡轴驱动发电机为一个或多个电动机提供电力。”“如果使用交流和直流作为配电系统的基础，就有可能大幅节省重量，因为我们消除了对电源开关电子设备的需求，包括逆变器和电机控制器。可靠性也得到了提高，特别是对于高度冗余的DEP架构，在这种架构下，即使失去一个或多个电机，仍然可以安全返回基地。”

技术挑战

利用电力推动推动机为航空航天工程师创造了许多头痛。除了处理重量问题之外，它们还必须改善许多因素，例如发电效率，功率密度和尺寸。

Schaefer警告说:“使纯电动、电池驱动飞机成为可能的技术现在已经出现了，但这些系统的航程和续航能力有限，在未来一段时间内，它们将局限于小众通用航空飞机。”“这些系统的重量和相对低效将使这种架构在相当长的一段时间内无法被大型飞机认真考虑。”

“燃气涡轮发动机在将燃料转化为能量以驱动螺旋桨轴或喷气发动机风扇方面效率不高，”乔治亚理工学院航空航天系统设计实验室的研究工程师克里斯·佩鲁洛说。“它们的效率低于50%，而电力推进系统的效率超过90%。

Perullo指出:“此外，电力系统更加可靠，尽管它们需要更多的驱动部件。”“从性能的角度来看，电动发动机技术对短途通勤航班最有意义。”

电池是另一个需要解决的巨大障碍。不幸的是，锂离子和其他现有选择的存储容量有限，给飞机增加了额外的重量。佩鲁洛说，航空工程师必须找到新的方法，将电池的能量密度提高到现在的三到四倍。

“随着飞机上电气化的增加，管理系统的复杂性将成为一个挑战，”Air Direct Solutions LLC的系统工程师、IEEE航空和电子系统协会前主席Paul Kostek补充道。“确保有足够的电力用于最低限度的运行将是(未来)设计的要求。电源管理将是成功的关键，互连将成为实施的必要部分。

Kostek声称:“改进后的电池将成为驱动因素。”“减小尺寸和延长寿命都是完全电气化的必要条件。至少对于飞机来说，我们知道的一件事就是锂离子
电池是禁止的。对于能够成功的电气飞机，必须引入新一代电池。它可以是锂 - 空气，钾或燃料电池。“

航空航天工程师还必须开发新型的接线系统，可以在高海拔地区处理高电压。

“今天的飞机限制在约270伏特，”美国宇航局的戴森说。“当您获得高度时，可能会发生电弧。例如，在35,000英尺处，空气更薄，电力喜欢从一个导体跳到另一个导体。

戴森解释说:“看起来商业航天应用的最佳电压将是2400伏。”“但是，我们需要一种替代传统的铜电缆和绝缘材料，因为它们太重了。散热是个大问题。我们正在考虑的一种选择是超导技术，但这需要一个冷却系统。”

空中客车电化学系统团队负责人克里斯蒂安•沃尔夫补充道:“在电缆、发动机和发电机中使用超导体是电动飞行中一项高效且轻量化的突破。”“与目前的技术相比，这些材料可以显著降低配电系统的尺寸和重量。

“在超导方面，另一个很有前途的选择是使用高温超导体，它表现出同样的零电阻特性，但在更高的温度下，”沃尔夫指出。“这将减少冷却所需的能源，有助于满足航空业的轻量化和性能要求。”

“交流耦合系统允许设计师采用一种独特的方法来设计指挥，这是dc动力飞机的设计师所没有的，”Schaefer说。“对于配电线路和导线来说，最紧迫的问题是消除重量。

“铜太重，所以对于依赖于多个电动机的飞机配置进行推进，”Schaefer索赔。“对于非乳房电源线束，我们看到一些朝向柔性印刷电路线束的承诺。实际上，[我们已经]在几个无人驾驶飞行器（无人机）中使用这些线束。“

新的应用程序

空中出租车和按需航空服务的日益普及，可能为小型电动飞机创造一个巨大的市场，这些飞机可以在城市地区安静地运行。事实上，一些雄心勃勃的计划要求拥有能够处理货物或乘客的灵活的垂直起降机队。

最近，优步科技(Uber Technologies)公布了改变人们在大城市通勤方式的计划。虽然这家拼车公司的想法直接来自《杰森一家》(Jetsons)的电视卡通，但它不是科幻小说。

优步声称，目前存在的这种技术将使其Uber Elevate按需电动飞机网络成为现实。这一概念是基于开发一种新型的小型垂直起降飞机，这种飞机采用电池供电的电动机。

这种独特的汽车最多能搭载四名乘客，时速可达150英里
100英里。最初的计划需要飞行员，但长期愿景是让飞机自动操作。

Uber Elevate产品经理、该主题白皮书的合著者尼克希尔•戈埃尔(Nikhil Goel)预测:“对大众来说，vtol将是一种负担得起的日常交通方式，甚至比买车还便宜。”“最终，如果vols能够很好地满足城市交通需求，就有了一条高产量制造的道路。制造垂直起降飞机的经济效益将变得更像汽车，而不是飞机。”

优步并不计划建立任何飞机本身，但几个第三方项目几乎准备就绪。该设计利用小型电动转子，为垂直起飞产生足够的电力并保持低噪声水平。

最有力的竞争者之一是空客的Vahana。它的特点是前后倾斜机翼，包含电动螺旋桨。这架飞机的设计载荷为1,760磅。

一架全尺寸原型机预计将在今年年底前试飞。这架飞机是用各种现成的部件制造的。空客在硅谷设立了一家子公司，名为a^3.来发展瓦哈那。

“我们正在建造的飞机不需要跑道，它是自动驾驶的，可以自动检测和避开障碍物和其他飞机，”a^3.．“我们相信，全自动化将使我们通过最小化人为错误实现更高的安全性。全自动化也使我们的飞机尽可能小和轻，并将显著降低制造成本。

Lyasoff补充说:“瓦哈纳处在城市人口趋势和电池、先进传感器和量产轻型复合材料结构快速改进的交汇点。”“如今，许多技术和监管方面的挑战都有利于可扩展、可负担的飞行。

Lyasoff指出:“现在的电池安全性和能量密度足以用于机载应用。“利用数十年来无人机的发展，低成本、可靠的航空电子设备正在变得广泛可用。

Lyasoff指出:“自动化复合材料制造和组装方面的最新进展表明，与传统航空方法相比，小型、轻型汽车可以大规模生产，成本也大大降低。”“这些趋势，以及大都市地区日益严峻的交通挑战，为新一代个人空中交通工具的出现提供了理由。”

工程师们也在开发新的方法，让商用飞机更容易地采用电力推进系统。NASA希望帮助航空工业从仅仅依靠燃气轮机转向使用混合动力和涡轮动力推进，以减少能源消耗、排放和噪音。

“飞机是高度复杂的机器，”美国宇航局高级航空公司经理吉姆·海德曼说
交通科技项目。“转向替代系统需要创造新的飞机设计，以及集成电池技术和电磁机器(如电动机和发电机)的推进系统，以及更高效的发动机。”

格伦研究中心(Glenn Research Center)正在研究一种发电系统，这种发电系统可以替代或补充涡轮发动机的推力，然后利用飞机上其他地方的风扇将电能转化为推力。

Heidmann说:“这些系统使用电动机和发电机，与涡轮发动机一起工作，在整个飞机上分配电力，以减少一定数量燃料燃烧时的阻力。”“我们的部分研究是开发轻型机械和电气系统，这将需要使这些系统成为可能。”

美国国家航空航天局的工程师们正在研究如何让商用航空中最受欢迎的波音737飞机更高效。他们的答案是Starc-ABL(单通道涡轮电动飞机与后边界层摄入)。