混合電推進(jìn)支線客機的可行性分析

■ 李開省 / 中國航空工業(yè)機載系統(tǒng)有限公司

電推進(jìn)技術(shù)是航空領(lǐng)域當(dāng)前和未來發(fā)展的重要方向之一，但在電池能量密度沒有得到大幅提高之前，混合電推進(jìn)技術(shù)是航空運輸業(yè)在目前及可預(yù)見的未來減少排放的最重要的手段之一。

隨著人類社會的進(jìn)步和航空業(yè)的快速發(fā)展，航空運輸?shù)男枨罅吭谖磥?0年將增加兩倍以上，乘坐飛行器將成為人們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠?。航空運輸在提供快速、便捷的出行方式的同時，也帶來了嚴(yán)重的污染問題。針對這一挑戰(zhàn)，業(yè)界開展了大量的技術(shù)創(chuàng)新研究，提出了多種減排方案。這些方案大致可分為兩類：一是持續(xù)改進(jìn)傳統(tǒng)技術(shù)；二是采用下一代創(chuàng)新的技術(shù)。而據(jù)2016年國際民航組織（ICAO）環(huán)境報告估計（如圖1所示），傳統(tǒng)技術(shù)改進(jìn)能夠減少約35%的CO2排放，而采用替代燃料和電氣化等下一代新技術(shù)可以減少60%的CO2排放，是航空運輸業(yè)減少污染物排放和航空對環(huán)境的其他負(fù)面影響的最好的解決方案之一。

圖1 不同減排方案對CO2減排目標(biāo)貢獻(xiàn)預(yù)估

電推進(jìn)技術(shù)方案對比

目前電氣化技術(shù)的發(fā)展主要有三種方法：純電動技術(shù)、串聯(lián)混合電推進(jìn)技術(shù)和并聯(lián)混合電推進(jìn)技術(shù)等。幾種技術(shù)各有其優(yōu)缺點，可以根據(jù)飛機的不同需求和不同布局，來選擇不同的技術(shù)方案（如圖2所示）。

圖2 各種方案的優(yōu)缺點比較圖

從效果來看，純電動無疑是飛機實現(xiàn)減排的最好的方案，但現(xiàn)階段鋰離子電池能量密度最大能夠達(dá)到0.4（kW·h）/kg，遠(yuǎn)不及飛機燃油約為12.7（kW·h）/kg的能量密度。盡管如此，電動推進(jìn)系統(tǒng)的能量利用效率卻是傳統(tǒng)燃油發(fā)動機的2～3倍，所以在當(dāng)前電池技術(shù)水平下，綜合了燃油高能量密度和電推進(jìn)系統(tǒng)高效率優(yōu)勢的混合電推進(jìn)技術(shù)是解決航空運輸業(yè)排放和噪聲問題的最優(yōu)方案。

據(jù)統(tǒng)計，典型的支線飛機基本以350～500km/h的速度飛行1h左右，包括爬升、巡航和下降，平均完成任務(wù)所需的能量為2000kW·h，加上所需能量儲備，每次典型飛行任務(wù)需要約3500kW·h的能量?？紤]當(dāng)前的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機能量轉(zhuǎn)換效率大約為30%，因此，支線客機攜帶的燃料能量最少為12000kW·h。如果僅用電池的儲能為支線客機提供能源，假設(shè)電推進(jìn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率為85%，考慮電池系統(tǒng)自身需要散熱、各種保護(hù)、熱均勻布局、充放電和其他電池管理功能，以及實現(xiàn)電池電芯的質(zhì)量約為電池系統(tǒng)的質(zhì)量的35%。按目前鋰離子電池電芯能量密度0.3（kW·h）/kg計算，電池系統(tǒng)總質(zhì)量為16471kg。則支線客機需求電池系統(tǒng)的質(zhì)量就將超過飛機的最大起飛質(zhì)量。因此，用純電動推進(jìn)方案在目前的情況下是不能滿足需求的。

相關(guān)資料顯示，支線飛機采用全電力推進(jìn)的電池能量密度預(yù)計至少須達(dá)到1.8（kW·h）/kg，而采用混合電推進(jìn)系統(tǒng)的電池能量密度則須達(dá)到0.8（kW·h）/kg以上。另外，根據(jù)美國國家航空航天局（NASA）和麻省理工學(xué)院（MIT）聯(lián)合進(jìn)行的電池研究結(jié)果顯示，在未來10～15年內(nèi)會有不同材料的化學(xué)電池可能達(dá)到1～1.5（kW·h）/kg的能量密度水平。隨著高性能高功重比電動機、高能量密度電池、新型超導(dǎo)材料、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、能量管理和安靜的螺旋槳設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)的不斷發(fā)展，采用全新構(gòu)型和任務(wù)剖面的混合電推進(jìn)的支線飛機最有可能實現(xiàn)成功應(yīng)用。

并聯(lián)混合電推進(jìn)技術(shù)分析

混合電推進(jìn)系統(tǒng)主要有串聯(lián)和并聯(lián)混合動力兩種方案，本文主要針對應(yīng)用前景較廣的并聯(lián)混合電推進(jìn)技術(shù)進(jìn)行簡要分析。

并聯(lián)混合電推進(jìn)原理

在巡航和下降階段，飛機需要的推力較小，發(fā)動機效率較高；在起飛和爬升時，飛機需要較大推力，發(fā)動機效率較低，其間存在推力、效率與需求不匹配的問題。并聯(lián)混合電推進(jìn)系統(tǒng)可以很好地解決這個矛盾：巡航和下降階段，由燃?xì)鉁u輪單獨提供推力，并保持高效率狀態(tài)，將多余的功以電能的形式存儲在電池中；在起飛和爬升階段，由燃?xì)鉁u輪和電動機共同提供推力。并聯(lián)混合電推進(jìn)系統(tǒng)工作原理如圖3所示。

并聯(lián)混合電推進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)

實現(xiàn)并聯(lián)混合電推進(jìn)系統(tǒng)的實際應(yīng)用，應(yīng)重點關(guān)注以下關(guān)鍵技術(shù)。

一是并聯(lián)混合電推進(jìn)的控制。實際上，并聯(lián)混合電推進(jìn)并不只是簡單地將電動機直接連接到渦輪發(fā)動機的低壓軸上。當(dāng)加入電動機功率之后，燃?xì)鉁u輪核心機的輸出功率降低，發(fā)動機的工作點也會隨之改變。此時低壓壓氣機壓縮的空氣量大于渦輪的需求，需要相應(yīng)的調(diào)節(jié)裝置來進(jìn)行管理，包括放氣和可調(diào)導(dǎo)葉、可變槳距風(fēng)扇等。因此，設(shè)計新的控制律是一項相當(dāng)復(fù)雜的工作，而且每臺傳統(tǒng)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機都不完全相同，需要對每臺發(fā)動機進(jìn)行仔細(xì)調(diào)試。

二是并聯(lián)混合電推進(jìn)的熱管理。熱管理是決定該系統(tǒng)能否成功的關(guān)鍵問題。即使效率很高，兆瓦量級的電動機也會產(chǎn)生大量的熱。傳統(tǒng)電動機散熱的方法是將熱量直接傳給燃油來滿足電動機散熱需求。但當(dāng)電動機功率顯著增加時，就很難保障有足夠的熱沉來滿足電動機高熱量的散熱要求，這時候?qū)枰渌鋮s的方法，如空氣冷卻等。

圖3 并聯(lián)混合電推進(jìn)原理

圖4 “新舟”600并聯(lián)混合電推進(jìn)架構(gòu)

圖5 “新舟”600混合電推進(jìn)功率分配

三是并聯(lián)混合電推進(jìn)的功率管理。功率管理是提高整個系統(tǒng)效率的關(guān)鍵。已經(jīng)有許多研究機構(gòu)開始在電力系統(tǒng)方面投入大量科研力量，并在縮小電動機的尺寸方面取得了進(jìn)展。例如，NASA已經(jīng)與波音公司、GE公司和伊利諾伊大學(xué)簽訂了研制合同，研發(fā)可以高效精密控制的電動機電子變換器，從而減小推進(jìn)系統(tǒng)質(zhì)量和體積，提高系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。目前，應(yīng)用前景較好的永磁直流同步電動機依然面臨減輕質(zhì)量和高溫退磁等方面的挑戰(zhàn)。

四是高空高壓用電的安全性。因并聯(lián)混合電推進(jìn)系統(tǒng)減輕質(zhì)量的需要，系統(tǒng)要使用更高的直流電壓（±500V），要比當(dāng)前飛機所使用的±270V直流電壓更高。在減輕系統(tǒng)質(zhì)量的同時，電壓升高也會帶來電弧放電引起的安全性問題。

支線客機并聯(lián)混合電推進(jìn)收益分析

以“新舟”600渦槳飛機為例，對支線客機改成混合電推進(jìn)的收益進(jìn)行分析。

“新舟”600采用傳統(tǒng)發(fā)動機的總功率為2021kW、最大巡航功率為1567kW、飛機最大載荷為4082kg；航程為1000km。假設(shè)以并聯(lián)混合電推進(jìn)系統(tǒng)（如圖4所示）替代“新舟”600的渦槳發(fā)動機，發(fā)動機和電動機之間采用1∶1的功率分配。推進(jìn)系統(tǒng)替換之后，“新舟”600的螺旋槳推進(jìn)要兩個能量鏈來驅(qū)動，電動機具有大功率和短時間工作的功能。新的推進(jìn)系統(tǒng)具有如下特點：提高飛機能源架構(gòu)的容錯性；可在飛機最大起飛質(zhì)量范圍內(nèi)管理能量存儲電池的尺寸和質(zhì)量；新動力架構(gòu)允許發(fā)動機僅針對飛行的巡航部分進(jìn)行優(yōu)化。

結(jié)合“新舟”600的典型飛行任務(wù)曲線，得到并聯(lián)混合電推進(jìn)系統(tǒng)的預(yù)期飛行任務(wù)曲線和功率分配如圖5所示，起飛和爬升階段由電動機和發(fā)動機共同提供動力，在巡航和下降階段僅由燃?xì)鉁u輪來提供動力。在飛機質(zhì)量方面，新架構(gòu)混合動力系統(tǒng)方案中增加了飛機的空載質(zhì)量，但同時飛機的燃油容量減少了約50%，可用于安裝儲能電池和電推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備等，總的質(zhì)量和載客量保持不變。

通過對并聯(lián)混合電推進(jìn)“新舟”600的飛行任務(wù)進(jìn)行計算可知，采用混合電推進(jìn)系統(tǒng)替代后的航程為600km（減少了400km），整個任務(wù)組合的燃油經(jīng)濟(jì)性平均提高了30%，并能減少約50%的污染排放。

由于上述替代方案是對現(xiàn)有的“新舟”600進(jìn)行改進(jìn)的，如果按照并聯(lián)混合電推進(jìn)系統(tǒng)方案、采用飛發(fā)一體化的理念重新設(shè)計飛機，可以顯著減輕飛機質(zhì)量、增加飛機航程。并且，在典型的400km短途飛行中，采用混合電推進(jìn)后，每座每千米的燃油消耗比原來的飛機更低，更接近城市間運行的長途客車，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。鑒于“新舟”600在實際運營中的99%的飛行任務(wù)短于1000km，采用并聯(lián)混合電推進(jìn)系統(tǒng)既具有降低污染的技術(shù)意義，也具有巨大的運營價值。

結(jié)束語

在目前的電池能量密度下，相比于大型客機，支線飛機實現(xiàn)混合電推進(jìn)的可行性很高?；旌想娡七M(jìn)可通過提高飛機的能源利用率，為支線客機帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益，并減少大量的污染排放。但混合電推進(jìn)的實際應(yīng)用仍需要在控制、功率管理、熱管理以及飛發(fā)一體化設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)上持續(xù)投入。