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波音混合动力商用飞机发展态势

供稿人:朱文韵  供稿时间:2018-11-24   关键字:混合动力  飞机  波音  

从目前来看,由于电动飞机在技术与市场应用上还远未成熟,在燃气涡轮动力依然占据主流的今天,集电推进和燃气涡轮之长的分布式混合电推进系统开始初现锋芒。美国和欧洲政府都将分布式混合电推进系统视为有潜力在2030年左右投入使用的、极具前景的民机动力解决方案,积极组织飞机系统集成商和发动机厂商开展预研。

根据数据统计,全球商用飞机市场的波音-空客双巨头垄断格局在未来十年仍将持续,且市场集中度将会进一步提升(市场占有率由2016年66%上升至2025年76%,按新机交付价值计算全球占比将超过94%)。因此,波音和空客在商用飞机领域的技术变革几乎就代表了整个行业的发展方向。本文将对波音在混合动力推进系统及商用飞机研制历程与未来技术路线规划做一简要介绍。

1.SUGAR项目

波音与捷蓝技术投资公司共同资助Zunum航空,后者正在设计混合电推进公务机及50座支线喷气机,并计划在2020年初首飞。此外,波音正与NASA合作,进行更大座级的SUGAR Volt项目的研发。

尽管美国与欧洲在分布式混合电推进系统的设计思路上有一些不同,但双方充满想象力的设计方案都给混合电推进技术带来了更多的“科技感”。

美国国家航空航天局(NASA)很早以前就开始关注混合电推进技术的发展,在其推出概念研究阶段,波音公司就成为“第一个吃螃蟹的人”。

波音团队首先选择737大小的150座飞机作为基准,融入众多先进理念,形成名为“Refined SUGAR”的方案。波音希望通过技术改进,实现飞机油耗降低50%,噪音降低16dB,氮氧化物排放比国际民航组织航空环境保护委员会(CAEP 6)规定的限制值低42%。

但是,这些改进均没有达到NASA的目标。于是,波音又提出了“SUGAR High”方案。该方案中,飞机采用长翼展,机翼有支架支撑,以实现更高的气动效率,最终实现油耗降低58%、噪音降低22dB、氮氧化物排放降低28%。

这些指标依旧没有达到NASA的要求。最终,波音SUGAR项目团队提出了桁架支撑翼布局(TBW)与油电混合动力的“SUGAR Volt”概念,并获准进入第二阶段研究。

随后,波音与佛吉尼亚理工学院和佐治亚理工学院合作开发了TBW布局的有限元模型,并通过风洞试验测试一个动态相似的TBW模型来完善和验证有限元模型,进而获得对结构重量的精确评估。第二阶段试验在NASA兰利研究中心跨声速风洞中进行(测试风速在Ma0.7左右),采用15%缩比的半翼展模型。通过第二阶段的试验和方案改进,波音团队将SUGAR Volt的节油性能预期提高至88%。

2015~2016年,波音继续开展SUGAR项目的第三阶段试验。试验的目的是进一步了解TBW的高速气动性能和桁架与机翼的干扰影响。试验模型采用4.5%缩比、机翼平均后掠角12.5度、翼展2.35米的模型。波音和NASA于2016年3月成功完成了TBW布局的跨声速风洞试验。目前,NASA和波音正在讨论开展第四阶段的试验。

SUGAR Volt最大的技术亮点是采用并联式油电混合动力技术,在驱动扇叶的轴上加装一个电动马达,在起飞时由燃油发动机和电池共同为飞机提供动力。这样做的目的是当飞机起飞时,由电池增加的额外推力能缩短起飞时间,达到环保的目的。一旦飞机达到巡航高度,它就可以完全切换到电池供电模式,以降低燃油消耗和氮氧化物排放。飞机在执行飞行任务前,可在机场进行充电。短途飞行主要通过电提供动力,而在更长的飞行中喷气燃油将替代电提供动力,这为平衡燃油与电能使用提供了充分的灵活性。

根据波音的研究,基于900海里的飞行距离,SUGAR Volt可减少63%的油耗,如果提高电量使用比例,油耗降低幅度有可能达到90%。氮氧化物排放可减少至CAEP 6水平的21%,二氧化碳排放可减少81%,噪音可减少22分贝。通过优化电动机使用和航线,起飞和降落阶段的噪音降幅可能更大。

目前,波音计划在2030年左右推出这款堪称改变民机制造产业游戏规则的产品。如果项目进展顺利,不仅有助于进一步巩固波音在全球民机市场的地位,还将极大降低航空运输业对环境的影响。

2.NASA混合动力飞机动力推进系统技术路线图

2016年,NASA制定了动力推进系统的功率升级时间表。当前,全电动与混合动力通用航空电力推进功率等级为kW级别,NASA计划在2055年左右实现涡轮发电分布式推进300座级客机dialing推进功率等级10MW以上。研发过程中,动力推进系统功率等级与客机座级同步递增:

自2016年之后10年内,实现混合电动50座级支线客机、涡轮发电分布式推进100座级支线客机电力推进功率等级达到1-2MW级别;

自2016年之后20年之内,实现混合电动100座级支线客机、涡轮发电分布式推进150座级客机、全电动50座支线客机(航距500米)电力推进功率等级达到2-5MW级别;

自2016年之后30年之内,实现混合电动150座级客机、涡轮发电分布式推进150座级客机电力推进功率等级达到5-10MW级别;

自2016年之后40年之内,实现涡轮发电分布式推进300座级客机dialing推进功率等级10MW以上。

NASA目前正在研究兆瓦级电动机和电力变换装置,这些系统将支持近期和中期的可用在单通道客机上部分涡轮电推进和混合电推进系统的研发。目前,这些项目已经完成了硬件试验。

技术升级主要体现在两个方面:一是采用高功率密度电动机取代液压驱动;二是减轻电气部件和输电系统的重量。

为此,NASA还提出了混合动力系统技术路线图:2016年至2030年期间,电气部件功率密度提升10倍、输电系统重量减轻10倍;同时,分布式电力推进系统的性能与控制验证在2020年实现kW级别,2025年实现MW级别,2030年开展缩比飞行测试。

值得关注的是,NASA将采用低温超导电机,并于2035年实现功率密度41.1kW/kg。NASA正在持续开展超导技术研究,以进一步提高电机功率密度和能量效率。由于使超导发电机和电动机高效工作的关键之一使实现超冷环境,NASA目前的研究重点在于低温冷却和液氢冷却两种冷却方案。

3.结束语

虽然相关技术仍未成熟,商业化应用尚未明确,但是在波音和空客的主导下,混合动力商用客机已获得市场的积极响应,工业巨头们和技术初创公司们正积极参与并布局这一技术领域。目前,欧洲已形成以空客为核心,德国西门子、英国罗尔斯·罗伊斯和法国赛峰集团为主要成员的产业创新合作模式;美国则形成以波音为产业核心,NASA为技术研发核心,Zunum Aero、Cuberg等新创公司为技术主力的产业合作模式。随着产业合作模式的逐步深化,市场投资热情的升温,技术的商业化进程将加速推进,2030年之后混合动力商用飞机时代若按时到来,那么上述企业将在新的产业链节点上占据巨大优势。

 

参考文献:

1.Nancy Owano. SUGAR Volt:Boeing puts vision to work in hybrid electric aircraft.

2.NASA. A future with hybrid electric propulsion systems:a NASA Perspective


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