飛機(jī)也混動(dòng) ？

江成

眾所周知，飛機(jī)起飛時(shí)的耗油量最大，產(chǎn)生的綜合污染也最為嚴(yán)重，例如波音747大型客機(jī)起飛一次耗油約需要5噸，尺寸較小的空客A320也需要4噸左右，而這些燃油都是在短短的幾分鐘之內(nèi)燒掉的，這也為未來低污染飛機(jī)的發(fā)展指明了改進(jìn)的方向。頗具諷刺意味的是，與低污染地面車輛的發(fā)展相似，在此之前，由于在運(yùn)行中幾乎不產(chǎn)生污染，純電推進(jìn)的飛機(jī)一度被歐洲人作為未來研發(fā)的重要方向。但是，由于目前最好的鋰離子蓄電池的功率密度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的燃油推進(jìn)系統(tǒng)，這使得電動(dòng)飛機(jī)遇到了比電動(dòng)汽車更為嚴(yán)重的載重量瓶頸。

由于必須依賴自身能量來起飛和巡航，目前的電動(dòng)飛機(jī)都是超輕型飛機(jī)，多數(shù)為單座、雙座設(shè)計(jì)，最大航速和續(xù)航時(shí)間也不盡人意，并不能達(dá)到取代傳統(tǒng)飛機(jī)的作用。而采用電動(dòng)力和燃油動(dòng)力相結(jié)合的混動(dòng)汽車，卻在實(shí)際應(yīng)用中展示了遠(yuǎn)比純電動(dòng)汽車優(yōu)秀的性能，在正常運(yùn)行參數(shù)與傳統(tǒng)汽車相差無幾的前提下，使得燃油消耗顯著下降，產(chǎn)生的污染也得到了良好控制。

由此可見，如果新一代的飛機(jī)也采用與混動(dòng)汽車相似的動(dòng)力系統(tǒng)，利用電動(dòng)力和燃油動(dòng)力在不同運(yùn)行條件下的優(yōu)勢互補(bǔ)，也可以做到在不明顯降低飛機(jī)使用性能的情況下，大幅度減少起飛過程的燃油消耗，并進(jìn)一步降低巡航狀態(tài)的燃油消耗，從而使得燃油燃燒帶來的污染可以明顯降低。

但是，與混動(dòng)汽車不同的是，由于運(yùn)行環(huán)境不同，混合動(dòng)力電推進(jìn)的飛機(jī)所采用的技術(shù)要復(fù)雜得多，而并非簡單的將電動(dòng)力和燃油動(dòng)力聯(lián)合起來，這也是近年來歐美航空業(yè)界尋求技術(shù)突破的主要方向。從目前來看，混合動(dòng)力電推進(jìn)飛機(jī)的主要優(yōu)勢，與混動(dòng)汽車相似，可以通過蓄電池系統(tǒng)事先儲(chǔ)存一部分能量，在起飛階段釋放，從而明顯降低起飛油耗。由于蓄電池系統(tǒng)提供的是電能，那么飛機(jī)的推進(jìn)器與其他控制設(shè)備也必須采用電動(dòng)方式。

而將傳統(tǒng)的液壓和機(jī)械控制設(shè)備轉(zhuǎn)為電動(dòng)方式，也會(huì)帶來顯著的效益。由于電動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)際上將傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)與電力系統(tǒng)、環(huán)境控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)等進(jìn)行了整合，以實(shí)現(xiàn)能量的綜合管理和合理分配，效率較高。根據(jù)空中客車公司的研究，可以比傳統(tǒng)的液壓和機(jī)械控制降低約35%的傳遞損失，這部分效率的提高可以表現(xiàn)為油耗的下降。同時(shí)，由于電動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，布置方便，控制性能好，壽命較長，可以顯著降低維護(hù)工作量和維修費(fèi)用。目前，電動(dòng)控制系統(tǒng)在部分新型飛機(jī)上已經(jīng)獲得應(yīng)用，例如空客A380客機(jī)、波音787客機(jī)和F-35戰(zhàn)斗機(jī)等，這也為混合動(dòng)力電推進(jìn)飛機(jī)的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

荷蘭航空航天研究中心的研究成果表明，如果不采用傳統(tǒng)推進(jìn)方式，而是采用渦輪發(fā)電機(jī)組、再用電力驅(qū)動(dòng)螺旋槳提供動(dòng)力的方式，可以將飛機(jī)油耗降低大約10%。然而，目前混動(dòng)飛機(jī)面臨的最主要突破，是需要發(fā)展新一代的高功率密度發(fā)電機(jī)，以滿足大功率電推進(jìn)的需要。在波音787客機(jī)上，共有6臺(tái)發(fā)電機(jī)，總功率1 400千瓦，而F-35戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)電機(jī)是目前單臺(tái)功率最大的，為400千瓦。但是，如果需要實(shí)現(xiàn)大型客機(jī)的電力推進(jìn)，需要10兆瓦（1兆瓦=1 000千瓦）級別的發(fā)電功率，根據(jù)空中客車公司的推算，如果要為空客A320級別的客機(jī)實(shí)現(xiàn)電推進(jìn)，需要實(shí)現(xiàn)最大功率40兆瓦的輸出，巡航輸出也需要達(dá)到20兆瓦，而為了降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，同時(shí)又保障足夠的冗余度，通常并聯(lián)輸出的發(fā)電機(jī)組以2～3臺(tái)為宜，這就要求單臺(tái)發(fā)電機(jī)的功率達(dá)到10兆瓦以上，這已經(jīng)大幅度超出了目前航空工業(yè)的實(shí)際應(yīng)用水平。

歐洲和美國的混動(dòng)飛機(jī)

2017年6月，空中客車集團(tuán)向外界公布了其規(guī)劃中的支線飛機(jī)級電推進(jìn)飛行驗(yàn)證機(jī)——E-Fan X的更多細(xì)節(jié)，作為開發(fā)混合動(dòng)力電推進(jìn)單通道客機(jī)的前期探索，該機(jī)可能在3年內(nèi)實(shí)現(xiàn)試飛。空客集團(tuán)在E-Fan X驗(yàn)證機(jī)上采用了較為保守的方案，計(jì)劃改裝一架BAe 146/Avro RJ支線客機(jī)，使用一臺(tái)2兆瓦級的渦輪發(fā)電機(jī)和電池為電推進(jìn)器提供動(dòng)力，以替代原飛機(jī)上4臺(tái)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中的1臺(tái)或者2臺(tái)。空客首席技術(shù)官保羅·艾瑞蒙科解釋說，之所以采用2兆瓦級的發(fā)電機(jī)，是因?yàn)檫@是目前常規(guī)配電方案可達(dá)到的上限，而無需采用復(fù)雜的超導(dǎo)技術(shù)，這也適合E-Fan X驗(yàn)證機(jī)的定位，即只是為混合動(dòng)力電推進(jìn)方案進(jìn)行飛行驗(yàn)證，而不是為了開發(fā)下一代支線客機(jī)的混動(dòng)電推進(jìn)系統(tǒng)。

在大西洋對面的美國，著名的霍尼韋爾公司也為極光飛行科學(xué)公司的XV-24A “雷擊”（LightningStrike）混動(dòng)電推進(jìn)無人機(jī)提供了先進(jìn)的發(fā)電機(jī)，該機(jī)計(jì)劃于2018年首飛，使用了3臺(tái)1兆瓦發(fā)電機(jī)，由1臺(tái)羅·羅公司的AE1107渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。在波音787客機(jī)上。4臺(tái)250千瓦的主發(fā)電機(jī)各重95千克，而霍尼韋爾研制的1兆瓦發(fā)電機(jī)功率是其4倍，重量僅增加了約40%，每臺(tái)只有127千克。除了功重比出色之外，霍尼韋爾公司還宣稱這一型發(fā)電機(jī)的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于之前的航空發(fā)電機(jī)，從90%增加到了98%。對于飛機(jī)來講，新型發(fā)電機(jī)效率的提高，意味著需要冷卻、排放的廢熱大幅度減少了，可以顯著降低飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)的負(fù)荷，也避免了因?yàn)閺U熱積蓄導(dǎo)致高溫、甚至造成發(fā)電機(jī)和機(jī)體損壞的可能，這對于未來的大功率航空發(fā)電機(jī)推廣應(yīng)用是極其重要的。

通過在飛機(jī)上采用混合動(dòng)力電推進(jìn)技術(shù)，除了引人注目的環(huán)保優(yōu)勢之外，一些新技術(shù)也得以實(shí)現(xiàn)，從而進(jìn)一步提高飛機(jī)的性能和效率，其中比較重要的是分布式電推進(jìn)技術(shù)和柔性機(jī)翼技術(shù)。

在傳統(tǒng)的螺旋槳推進(jìn)中，機(jī)翼前方的螺旋槳產(chǎn)生的高速滑流吹過機(jī)翼，具有良好的減阻增升作用，但由于發(fā)動(dòng)機(jī)能驅(qū)動(dòng)的螺旋槳數(shù)目有限，大部分的機(jī)翼都處于螺旋槳滑流之外，使得升阻比提高的效益受到限制。而在電推進(jìn)中，由于機(jī)翼上可以安排數(shù)量較多的電動(dòng)推進(jìn)器，可以使得大部分機(jī)翼都處在滑流之中，機(jī)翼的升阻比可以顯著提高。另外，由于電推進(jìn)器具有優(yōu)異的啟停、調(diào)速能力，通過控制不同位置的電推進(jìn)器的工作狀態(tài)，還可以對飛機(jī)的姿態(tài)控制施加有利作用，特別是在低速起降階段，可以提高飛機(jī)的控制能力和安全性。由于分布式電推進(jìn)的優(yōu)勢巨大，目前相關(guān)驗(yàn)證機(jī)的推進(jìn)器數(shù)目有越來越多的趨勢。例如NASA的X-57驗(yàn)證機(jī)采用了12個(gè)電推進(jìn)器；XV-24A “雷擊”有24個(gè)電驅(qū)動(dòng)涵道風(fēng)扇，其中每個(gè)機(jī)翼上有9個(gè)，每個(gè)鴨翼上有3個(gè)，每個(gè)風(fēng)扇都采用了變距槳葉，這使得飛行員可以靈活地在六個(gè)自由度上對飛機(jī)實(shí)施控制；而法國最新研制的“安培”驗(yàn)證機(jī)上，沿翼展布置了多達(dá)32個(gè)電驅(qū)動(dòng)涵道風(fēng)扇，可以在更大的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制。

柔性機(jī)翼技術(shù)也是航空界早已進(jìn)行研究、但遲遲不能獲得有效進(jìn)展的技術(shù)。這是因?yàn)槿嵝詸C(jī)翼需要在較大的運(yùn)行范圍內(nèi)，根據(jù)不同飛行條件，通過機(jī)翼的自適應(yīng)變形保持最佳氣動(dòng)效率，并與柔性蒙皮技術(shù)結(jié)合，使得機(jī)翼表面可以維持連續(xù)不斷的線型。而傳統(tǒng)的液壓和機(jī)械控制技術(shù)占用空間和重量都比較大，只適合對大片襟翼、副翼實(shí)施控制，其翼面線型和氣動(dòng)效率的優(yōu)化，也只能針對某些狹窄的設(shè)計(jì)區(qū)間來進(jìn)行。當(dāng)采用電控制系統(tǒng)之后，矛盾便迎刃而解了，現(xiàn)代的小型電制動(dòng)器不僅具有較小的體積和重量，更具有優(yōu)秀的變化調(diào)節(jié)能力，可以在飛行計(jì)算機(jī)的控制下進(jìn)行迅速的翼面狀態(tài)變化，以適應(yīng)飛行狀態(tài)的需求。在NASA進(jìn)行的可扭轉(zhuǎn)柔性機(jī)翼襟翼試驗(yàn)中，已經(jīng)驗(yàn)證了在電控制器的作用下，襟翼不同部分保持不同偏轉(zhuǎn)角的測試，這種扭轉(zhuǎn)變形可以改變機(jī)翼升力中心，進(jìn)而降低陣風(fēng)載荷對飛行狀態(tài)的影響。目前，NASA仍在進(jìn)一步擴(kuò)大可扭轉(zhuǎn)柔性機(jī)翼襟翼的試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，可望使未來電推進(jìn)飛機(jī)的運(yùn)行效率得到進(jìn)一步提升。

未來的進(jìn)展

目前，混動(dòng)飛機(jī)已經(jīng)成為了先進(jìn)國家的研究重點(diǎn)。2017年初，通用航空制造商協(xié)會(huì)（GAMA）電推進(jìn)創(chuàng)新委員會(huì)（EPIC）發(fā)布了全球首份度量通用航空混合推進(jìn)和電推進(jìn)性能的標(biāo)準(zhǔn)。GAMA全球創(chuàng)新與政策副總裁格雷格·鮑列斯（Greg Bowles）就此聲稱，由于在混合動(dòng)力和電推進(jìn)領(lǐng)域的許多活動(dòng)，表明這個(gè)行業(yè)確實(shí)開始大發(fā)展，在把握情況之后，我們決定發(fā)布相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。歐盟也資助了近900萬歐元，啟動(dòng)了一個(gè)名為“混合電推進(jìn)模塊化架構(gòu)”的新項(xiàng)目（Mahepa），主要開發(fā)混合電推進(jìn)系統(tǒng)的模塊和部件，計(jì)劃用于2020年服役的2～4座混動(dòng)電推進(jìn)飛機(jī)。

未來混動(dòng)飛機(jī)的大發(fā)展，很可能還需要超導(dǎo)電機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，可以使得電機(jī)的效率進(jìn)一步提高，最大運(yùn)行功率和功率密度也會(huì)出現(xiàn)飛躍。但超導(dǎo)技術(shù)的難點(diǎn)在于必須保持較低的溫度，目前看來，如果未來氫燃料技術(shù)在飛機(jī)應(yīng)用上可以獲得突破，可以利用液氫汽化產(chǎn)生的低溫來維持電機(jī)的超導(dǎo)狀態(tài)，這樣一來，混動(dòng)電推進(jìn)飛機(jī)技術(shù)有可能在亞聲速飛機(jī)上獲得全面普及。

據(jù)目前估計(jì)，在未來混動(dòng)飛機(jī)技術(shù)實(shí)用化之后，在載客量低于100人的支線客機(jī)范疇內(nèi)，比起純電動(dòng)飛機(jī)和傳統(tǒng)飛機(jī)，采用混合動(dòng)力電推進(jìn)的飛機(jī)具有明顯優(yōu)越的比較優(yōu)勢。艾瑞蒙科表示，空客集團(tuán)與羅·羅公司合作的E-Thrust混合電推進(jìn)單通道概念飛機(jī)有可能在10年內(nèi)成為現(xiàn)實(shí)。而在NASA發(fā)布的未來20年混合電推進(jìn)路線圖中，2035年之后，將實(shí)現(xiàn)300座級別的混合動(dòng)力電推進(jìn)飛機(jī)。

目前，以德法為首的許多歐洲國家已經(jīng)制訂了淘汰傳統(tǒng)燃油汽車的時(shí)間表，而傳統(tǒng)燃油飛機(jī)被混動(dòng)飛機(jī)淘汰的時(shí)間表，也已經(jīng)遙遙在望了。

責(zé)任編輯：王鑫邦