電動飛機技術(shù)的發(fā)展研究

摘要：電動飛機技術(shù)是一項跨時代的高新技術(shù)。它和電動汽車的發(fā)展軌跡一樣，改變了傳統(tǒng)的飛機設(shè)計思想，從飛機綠色環(huán)保、高效節(jié)能的理念出發(fā)，優(yōu)化整個飛機的設(shè)計，極大地提高了飛機的可靠性、環(huán)保性、舒適性和維修性。電動飛機是未來飛機的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：電動飛機;電力推進技術(shù).集成電力電子技術(shù);電力混合推進技術(shù);高能量密度電池技術(shù);電動飛機整體設(shè)計技術(shù)

中圖分類號：V272 文獻標識碼：A

DOI：10.19452/j.issn 1007-5453.2019.30.001

飛機的能源系統(tǒng)是為飛機的飛行和控制操縱提供能源的保障系統(tǒng)。根據(jù)其作用，飛機能源系統(tǒng)可分為一次能源系統(tǒng)和二次能源系統(tǒng)。飛機的發(fā)動機是飛機的主要能源系統(tǒng)，它把飛機燃油的化學能轉(zhuǎn)變成為飛機的推動力和飛機上需要控制操縱的二次能源的各種能量。因此，發(fā)動機是飛機的一次能源系統(tǒng)，是飛機能源系統(tǒng)核心[1～4]。

飛機的二次能源系統(tǒng)是飛機控制和操縱等功能的能源系統(tǒng)，它的能量主要由飛機發(fā)動機提供，即是一次能源來提供。傳統(tǒng)的二次能源主要有液壓能、氣壓能、電能和機械能，每種二次能源都包含獨立的能源產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換、控制、保護、分配、傳輸和應(yīng)用，各自形成了結(jié)構(gòu)復(fù)雜而完整的系統(tǒng)。多種能源共存的現(xiàn)象會導(dǎo)致飛機的設(shè)計更為復(fù)雜，內(nèi)部結(jié)構(gòu)臃腫，發(fā)動機附件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝空間緊張，檢測維護不便，而且液壓能和氣壓能容易出現(xiàn)泄漏等問題，造成飛機的故障率高和可靠性差，因而大大降低了飛機使用性能和可靠性[5～9]。

電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展使得優(yōu)化和改進飛機的傳統(tǒng)能源系統(tǒng)成為可能，同時產(chǎn)生了多電和全電飛機技術(shù)。該技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于多種民用航空和軍用航空的飛機中，如波音787系列飛機、空客A380和A350系列飛機以及美國F-35戰(zhàn)斗機等。

近幾年，隨著對環(huán)境保護、安全飛行、客戶舒適和節(jié)能等更高的要求，以及電池技術(shù)的快速發(fā)展，人們逐漸對飛機一次能源系統(tǒng)進行革命。一是對現(xiàn)有發(fā)動機提高效率、降低燃油消耗，因而產(chǎn)生了飛機發(fā)動機的電力混合動力技術(shù)，使發(fā)動機燃油消耗大為降低，發(fā)動機效率大為提升;二是對現(xiàn)有發(fā)動機進行徹底革命，用電動力來推動飛機，產(chǎn)生了飛機的電力推進技術(shù)，即電動飛機技術(shù)。這種發(fā)展已經(jīng)在國內(nèi)外成為技術(shù)發(fā)展的熱點，各國都在加大本領(lǐng)域的力量開展研究開發(fā)[10，11]。電動飛機技術(shù)的發(fā)展過程如圖1所示。

從圖1可以看出，多電、全電到電動飛機技術(shù)是一個逐步發(fā)展的全過程，從多電到全電是飛機二次能源電能量逐漸增大的過程，到電力混合和電動飛機將是整個飛機技術(shù)的一次革命，是飛機的一次能源逐步用電能來實現(xiàn)的過程。

而電動飛機技術(shù)發(fā)展的核心是電力推進技術(shù)，電力推進技術(shù)的發(fā)展才能促進電動飛機技術(shù)的發(fā)展，即新能源飛機技術(shù)。

1 電力推進飛機技術(shù)

電力推進技術(shù)的進步非常迅速。飛機燃油的能量密度大約為12700kW·h/kg，而目前電池能量密度最大能夠達到500W·h/kg，兩者相差很大。但傳統(tǒng)燃油發(fā)動機效率較低，電池能量密度提高到一定程度時，未來就有可能取代傳統(tǒng)的發(fā)動機。而目前，要采用電力系統(tǒng)直接驅(qū)動大型飛機還有一定困難。因此，在電池能量密度沒有達到所需要的能量密度前，從傳統(tǒng)的發(fā)動機驅(qū)動到電力驅(qū)動有一個過渡方案，即電力混合動力推進技術(shù)方案[2]。

混合動力推進技術(shù)的發(fā)展如圖2所示。

相關(guān)研究資料顯示，即使是電力混合推進，一架單通道飛機所需的電池容量也是相當可觀的。美國國家航空航天局（NASA）燃氣一電混合推進項目的技術(shù)負責人謝麗爾·褒曼表示：“驅(qū)動一架巡航狀態(tài)的大型飛機需要至少1kW·h/kg的能量密度?！盢ASA和麻省理工學院聯(lián)合進行的電池研究結(jié)果顯示，在未來10～15年內(nèi)會有不同的化學電池的組成可以達到1～1.5kW·h/kg的能量密度水平。

傳統(tǒng)燃氣渦輪航空發(fā)動機的總體效率為35%～50%，但混合動力電推進系統(tǒng)通過結(jié)合兩個或更多功率轉(zhuǎn)換器有可能會進一步提高發(fā)動機的效率，同時電力推進系統(tǒng)可以降低發(fā)動機的噪聲。混合動力技術(shù)通過將燃氣渦輪與電力技術(shù)相結(jié)合，采用了能量密集的液態(tài)燃料的燃氣渦輪，來實現(xiàn)新型飛機發(fā)動機的無噪聲、高效電力推進。

根據(jù)航空工業(yè)未來發(fā)展的推測，在2030年之后可能會出現(xiàn)新型混合動力分布式推進的支線飛機。預(yù)計屆時飛機的電力系統(tǒng)用電量需求將為10～20MW，該用電量要比傳統(tǒng)電力系統(tǒng)高出一個數(shù)量級。而且飛機的高性能高功重比的電機、長壽命高可靠高能量密度銼電池、新型超導(dǎo)材料、網(wǎng)絡(luò)以及安靜的螺旋槳設(shè)計都是這一技術(shù)下的核心關(guān)鍵技術(shù)[4]。未來混合動力系統(tǒng)發(fā)展如圖3所示。

電力電子技術(shù)和電池技術(shù)的進步推動了電力推進技術(shù)的快速發(fā)展，特別是電動汽車技術(shù)的飛速發(fā)展，使得電動汽車的高功重比高性能電動機推進技術(shù)、電力電子集成系統(tǒng)技術(shù)、高能量密度長壽命電池技術(shù)和電動汽車整體系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)已經(jīng)成熟，這為電動飛機技術(shù)的發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。

近來，歐洲和美國在電動飛機技術(shù)上投入了大量研發(fā)力量，爭取在未來能夠取得實質(zhì)性的突破。我國在電動飛機技術(shù)的發(fā)展道路上也在快速前進，特別是一些機制靈活的創(chuàng)新型企業(yè)，都在加大力度開展研發(fā)的投入，準備占領(lǐng)這項新技術(shù)制高點[6]。

相關(guān)的電動飛機研究表明：電力驅(qū)動飛機使得飛機的機動性和實用性更強、飛機電力系統(tǒng)的故障模式更為清晰，它降低了飛機系統(tǒng)的導(dǎo)線重量（質(zhì)量）、提供了系統(tǒng)效率、減少了全生命周期成本和飛機排放和噪聲，使得飛機派遣率更為有效[9]。電力推進的電動飛機技術(shù)是世界航空工業(yè)發(fā)展方向之一，未來更智能、更互聯(lián)的電動飛機電力推進系統(tǒng)關(guān)系如圖4所示，圖4說明了使用新型技術(shù)電力推進電動飛機的整機屬性。

飛機燃料成本和環(huán)境壓力直接推動了飛機電力推進技術(shù)的發(fā)展，電力電子技術(shù)和電池技術(shù)的進步也使電力推進技術(shù)成為可能。電力系統(tǒng)的另一個優(yōu)點是可以通過系統(tǒng)健康管理來簡化飛機維護系統(tǒng)[1]]。

電力推進技術(shù)是一個逐步發(fā)展過程，先從小功率、中功率在到大功率，未來隨著軍用飛機武器技術(shù)的發(fā)展，電力推進技術(shù)會有更大的用途。電力推進系統(tǒng)小、中和大功率的發(fā)展路徑如圖5所示。

從前面的討論可以得出如下結(jié)論，電力推進技術(shù)是電動飛機的核心，它決定了電動飛機技術(shù)的發(fā)展，是電動飛機發(fā)展的關(guān)鍵。

2 電動飛機的關(guān)鍵技術(shù)

電動飛機技術(shù)也和電動汽車技術(shù)發(fā)展一樣，經(jīng)歷了一個漫長的發(fā)展過程，其核心技術(shù)可以總結(jié)為4項：高效高功重比電機推進技術(shù)、高能量密度長壽命的電池技術(shù)、集成電力電子控制技術(shù)和電動飛機整體設(shè)計技術(shù)[2]。為了能夠清晰地描述我國電動飛機技術(shù)的發(fā)展，根據(jù)電動汽車技術(shù)的發(fā)展制定了電動飛機發(fā)展路線圖，如圖6所示。

從圖6可以看出，不同的顏色代表不同的發(fā)展階段，電動飛機技術(shù)要取得突破，還需要在基礎(chǔ)研究方面進行努力，這樣才有可能實現(xiàn)技術(shù)突破。下面就4項關(guān)鍵技術(shù)進行逐一詳細分析。

2.1 高效高功重比電機推進技術(shù)

電力推進技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢，即可以實現(xiàn)未來飛機的零排放目標又可以應(yīng)對不斷上漲的燃油成本。電力推進系統(tǒng)通過電能驅(qū)動電力推進器使飛機獲得推力、飛機運行不再完全依賴燃油，因而減少或消除了常規(guī)推進系統(tǒng)所產(chǎn)生的污染排放（即氮氧化合物、一氧化氮、煤煙以及未燃碳氫化合物）。

電力推進系統(tǒng)推進電機是電動飛機的關(guān)鍵，其功重比直接決定電動飛機的性能，目前應(yīng)用的電機主要有永磁電機和交流異步電機等。根據(jù)推進電機的種類、額定轉(zhuǎn)速和冷卻方式的不同，電機的功重比也有很大的差別。目前在理想的電機轉(zhuǎn)速和冷卻方式的情況下，電機的最大功重比通常小于20kW/kg。在電動飛機中，要想繼續(xù)增加電機的功重比，就需要在推進電機的熱設(shè)計、磁性能設(shè)計、結(jié)構(gòu)冷卻設(shè)計等方面要有技術(shù)創(chuàng)新，這樣才能提升推進電機功重比。通過研究發(fā)現(xiàn)，有許多種拓撲都能提升推進電機的效率和功重比，需要研究確定究竟哪種才是最佳推進電機拓撲。要想推進電機的功重比有數(shù)量級的提升，只有顛覆性的技術(shù)創(chuàng)新才可能實現(xiàn)，于是出現(xiàn)了超導(dǎo)電機技術(shù)。超導(dǎo)電機技術(shù)可以提供推進電機最大的功重比，同時，這項技術(shù)的風險也是巨大的。不過超導(dǎo)電機技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域依然在繼續(xù)探索和研究中，并將在未來應(yīng)用于電動飛機中，以實現(xiàn)人類“電動航空”的夢想[3]。高效高功重比電機推進實物圖如圖7所示。

2.2 長壽命高能量密度的電池技術(shù)

電池技術(shù)的快速發(fā)展促進了電動飛機技術(shù)的發(fā)展，電池的儲存能量的能量密度越來越大，特別是電動汽車技術(shù)的發(fā)展，使電池的儲能密度每年都有一個快速的提升。能量儲存有許多種形式，如燃油儲存著化學能量，其他能量儲存的方式還包括液態(tài)空氣、燃料電池、壓縮H₂和液態(tài)H₂、超級電容器和機械飛輪等。上述能源儲存方式有些雖然和電池的能量密度相當或者超過電池，但要應(yīng)用于飛機上還必須依賴于發(fā)動機的功重比（kW/kg），有些能源儲存方式應(yīng)用于飛機上時，需要強大的隔離系統(tǒng)或熱管路系統(tǒng)，整體對飛機來說不占優(yōu)勢，因此無法應(yīng)用于飛機飛行。

目前在電動航空上面臨的最大挑戰(zhàn)是電池和電動系統(tǒng)的儲存能量密度和動力系統(tǒng)的功重比要達到基于燃油的動力系統(tǒng)的水平，這樣才能使電動飛機真正走入人們的生活。同時，要注意燃油飛行器中燃油燃燒與空氣中大量的氧氣結(jié)合，從而使飛機的重量不斷減少，而在電動飛機中，飛機重量不會減少，因此，需要在飛機設(shè)計中考慮上述因素。

電動飛機中電力推進系統(tǒng)的效率要比燃油發(fā)動機的效率高2-3倍;電力推進系統(tǒng)功重比（kW/kg）要比燃油發(fā)動機的功重比（kW/kg）高出許多，但電池的能量密度比燃油的能量密度低，就整體而言，電動飛機目前還沒有達到燃油飛機的水平[5]。

采用全新構(gòu)型和任務(wù)剖面的電力混合推進動力架構(gòu)的飛機是最有可能率先實現(xiàn)成功應(yīng)用的飛機。預(yù)計采用電力混合推進系統(tǒng)的支線單通道商用飛機上電池的能量密度需要達到800W·h/kg以上，而全采用電力推進的支線單通道商用飛機上電池的能量密度需要達到1800W·h/kg以上。電池技術(shù)要大量應(yīng)用于航空，還必須證明該技術(shù)的安全性能和基礎(chǔ)設(shè)施的要求。但按照目前電池技術(shù)發(fā)展的速度來看，預(yù)計未來電動飛機的前途將十分光明。

有一種儲能器件超級電容器很有特點，某國外超級電容器如圖8所示。圖8可以看出超級電容器的結(jié)構(gòu)。該超級電容器能量密度達到銼電池的100倍，能在幾秒鐘內(nèi)充放電，很適合峰值功率瞬時釋放;100萬次充放電能力、穩(wěn)定范圍寬和無可燃材料的特點很適合于飛機;其能量密度接近鉛酸電池，與銼電池相比還有不足，可以在混合動力系統(tǒng)中應(yīng)用。

銼電池和燃料電池未來將會在電動飛機中大量使用，某型銼電池如圖9所示。銼電池和燃料電池的特點是能量儲存密度大、電池電量高、安全可靠、壽命長、適應(yīng)性強、智能性強、續(xù)航持久和充電便捷。這些特點決定了它們未來廣闊的應(yīng)用前景[7]。

2.3 集成的電力電子控制技術(shù)

電動飛機技術(shù)的發(fā)展主線就是電力電子技術(shù)，正是由于電力電子技術(shù)的進步才使多電、全電和電動飛機發(fā)展成為可能。對一架飛機來說，其本身就是一個獨立電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，要使它高效、安全和穩(wěn)定運行還需要做大量的研究工作。因此，集成電力電子控制技術(shù)非常重要。它同樣是電動飛機的核心技術(shù)。

對電動飛機而言，飛機電力系統(tǒng)功率密度非常重要，系統(tǒng)效率更高就需要功率轉(zhuǎn)換器的功率密度更大。采用常規(guī)空氣冷卻的功率轉(zhuǎn)換器通常其功率密度被限制在20kW/L，但在電動航空領(lǐng)域，為了滿足推進電機驅(qū)動需求，未來理想目標功率密度是50kW/L。為了滿足需求，需要對許多新興技術(shù)進行不斷的研究與開發(fā)，同時還需要不斷研究并開發(fā)新材料、變換器新設(shè)計、變換器新拓撲、新的制造技術(shù)以及功率半導(dǎo)體器件新封裝方法。這些基礎(chǔ)技術(shù)將對電力電子系統(tǒng)的設(shè)計和制造產(chǎn)生顯著的影響。

碳化硅高溫電力電子技術(shù)是未來實現(xiàn)電力系統(tǒng)高功率密度變換器的關(guān)鍵。碳化硅功率半導(dǎo)體器件及其封裝是一個全新技術(shù)，它與新興功率轉(zhuǎn)換器拓撲共同結(jié)合使用，能夠?qū)崿F(xiàn)變換器達到更高的功率密度，而不會降低功率變換器的性能。目前已經(jīng)掌握許多新技術(shù)，如用無線傳感器通過微型計算機進行推進電機的轉(zhuǎn)速控制技術(shù)等，這些技術(shù)的進一步研究還可以更大地提升電力電子系統(tǒng)的功率密度[8]。

飛機上的電力電子非線性負載非常多，會在電網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生許多諧波和噪聲，造成電網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定和效率的降低，因此，電動飛機獨立電網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定運行非常重要，飛機魯棒性電網(wǎng)絡(luò)如圖10所示。

魯棒性電網(wǎng)絡(luò)也是電力電子集成控制的關(guān)鍵，能夠按需要提供飛機可靠功率的能力，可滿足飛機峰值的功率需求并管理再生的負荷，同時為飛機的關(guān)鍵系統(tǒng)提供高可靠的功率。對一架大型飛機來說，飛機電力電子設(shè)備非常多，布線也非常復(fù)雜，電力系統(tǒng)的集成和控制就顯得非常關(guān)鍵[9]。

2.4 電動飛機的整體設(shè)計技術(shù)

電動飛機的整體設(shè)計技術(shù)也是電動飛機的關(guān)鍵，能否把電力系統(tǒng)很好地融入飛機設(shè)計中，關(guān)系到整個飛機的性能和飛機使用壽命，一架好的飛機不但要有好的動力、外形、結(jié)構(gòu)等系統(tǒng)，更重要的是整個飛機所有系統(tǒng)的協(xié)調(diào)設(shè)計，就像我們?nèi)艘粯樱松眢w的各個部分都要健康，才能使我們擁有健康的生活。只有飛機整體協(xié)調(diào)設(shè)計，才能制造出一架性能優(yōu)良客戶滿意的飛機[1]]。

電動飛機各個系統(tǒng)協(xié)調(diào)設(shè)計，不同的公司都對電動飛機發(fā)展做出了貢獻，整體飛機的設(shè)計協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

3 電動飛機技術(shù)未來技術(shù)展望

未來隨著人們對環(huán)境保護意識的提升、對清潔藍天的渴望和新鮮的空氣需求，電動飛機一定會迎來更廣闊的發(fā)展空間[1]。

未來的電動飛機技術(shù)將有先進的電力系統(tǒng)架構(gòu)、更高的使用電壓、耐高溫的電力電子器件、系統(tǒng)具有智能化和魯棒性、更高能量密度的電池和更集成的電力電子控制技[9，10]。電動飛機的仿真技術(shù)的發(fā)展也非常重要，基于模型的系統(tǒng)工程應(yīng)用到電動飛機技術(shù)的各個領(lǐng)域，在計算機上實現(xiàn)電動飛機飛行。電動飛機技術(shù)涉及到多個學科，是一項跨學科間的新型技術(shù)，它可以應(yīng)用于國民經(jīng)濟的許多領(lǐng)域，具有劃時代的重要意義。

4 結(jié)論

電動飛機技術(shù)是未來工業(yè)的發(fā)展方向，是一種新型清潔能源的飛機技術(shù)，實現(xiàn)了高能量密度能量儲存、高功重比高效的功率變換和高度集成的電力電子控制。它以電力電子技術(shù)技術(shù)發(fā)展為主線，在飛機智能化和網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用中起到了推動作用。它降低了飛機的運行成本、飛行噪聲和污染排放，為未來實現(xiàn)航空工業(yè)高效、安靜和無污染排放的綠色航空目標奠定了堅實的基礎(chǔ)。

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