電動飛機技術(shù)發(fā)展的核心是什么 電動飛機的關(guān)鍵技術(shù)分析

電動飛機技術(shù)是一項跨時代的高新技術(shù)，它和新能源電動汽車的發(fā)展軌跡一樣，已經(jīng)成為世界航空工業(yè)發(fā)展的核心技術(shù)，它改變了傳統(tǒng)的飛機設(shè)計思想，從飛機綠色環(huán)保、高效節(jié)能、智能互聯(lián)的理念出發(fā)，來優(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、舒適性和可維護性。是未來飛機的發(fā)展方向。 ? 　　

隨著人們對環(huán)境保護、安全飛行、客戶舒適和節(jié)能高效等要求提出以及蓄電池技術(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。產(chǎn)生了電力混合動力技術(shù)，使燃油消耗大為降低，效率大為提升。二是：對現(xiàn)有發(fā)動機進行徹底革命，用電力來推動飛機，產(chǎn)生了飛機的電力推進技術(shù)，即電動飛機技術(shù)。它已經(jīng)在國內(nèi)外成為技術(shù)發(fā)展的熱點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于世界的民用航空和軍用航空的飛機中。例如：波音787、空客A380、A350和F-35等飛機中。 　　

多電、全電到電動飛機技術(shù)是一個逐步發(fā)展的過程，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)飛機

電力推進技術(shù)的進步非常快，飛機燃油的能量密度大約為12.7千瓦時/千克，而目前電池能量密度最大能夠達(dá)到0.5千瓦時/千克，兩者相差很大。好在傳統(tǒng)燃油發(fā)動機效率和功重比比較低，所以，電池能量密度只要提高就有可能取代傳統(tǒng)的發(fā)動機。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。所以，從傳統(tǒng)的發(fā)動機驅(qū)動到電力驅(qū)動在電池能量密度沒有達(dá)到所需要的能量密度前，有一個過渡方案——電力混合動力推進技術(shù)方案。 ? 相關(guān)研究的資料顯示，即使是電力混合推進，一架單通道飛機所需的電池容量也相當(dāng)可觀。美國NASA燃?xì)?電混合推進項目的技術(shù)負(fù)責(zé)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1千瓦時/千克的能量密度?！泵绹鳱ASA和麻省理工學(xué)院聯(lián)合進行的電池研究結(jié)果顯示，在未來10到15年內(nèi)會有不同的化學(xué)電池的組成可以達(dá)到1～1.5千瓦時/千克的能量密度水平。 ?

傳統(tǒng)燃?xì)鉁u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?；旌蟿恿夹g(shù)通過將燃?xì)鉁u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?xì)鉁u輪，來實現(xiàn)新型飛機發(fā)動機的無噪音、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。飛機的電力系統(tǒng)用電量需求將為10～20兆瓦，用電量比傳統(tǒng)飛機電力系統(tǒng)高出了一個數(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)。

? 隨著電力電子技術(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。這就為電動飛機技術(shù)的發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。 ? 最近歐洲和美國在電動飛機技術(shù)上投入了大研發(fā)力量，爭取在未來能夠取得實質(zhì)性的突破。我們國家在電動飛機技術(shù)的發(fā)展上也在快速前進，特別是一些機制靈活的創(chuàng)新型企業(yè)，它們都在加大力度開展研發(fā)的投入，準(zhǔn)備占領(lǐng)這項新技術(shù)制高點。 ? 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、提供了系統(tǒng)效率、減少了生命周期成本和飛機排放和噪音，使得飛機派遣率更為有效。 ?

電動飛機的關(guān)鍵技術(shù)

電動飛機技術(shù)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)為如下四項：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)。

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(biāo)又可以應(yīng)對不斷上漲的燃油成本。它通過電能驅(qū)動飛機獲得推力、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。

電力推進系統(tǒng)推進電機是電動飛機的關(guān)鍵，它的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。目前我們知道在理想的電機轉(zhuǎn)速和冷卻方式的情況下，電機的最大功重比通常小于20千瓦/千克。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?fù)涠寄芴嵘七M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?fù)?。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)超導(dǎo)電機技術(shù)。它可以提供推進電機最大的功重比，當(dāng)然，這項技術(shù)風(fēng)險也是最大的。不過在超導(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，并將在未來盡快應(yīng)用于電動飛機的中，實現(xiàn)人們電動航空的夢想。

長壽命高能量密度的電池技術(shù)

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。我們知道能量儲存有許多中形式，例如液態(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。上述有些能源儲存方式雖然和電池的能量密度相當(dāng)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,也就是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(dá)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，飛機重量不會有減少，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)動機的效率高兩到三倍；電力推進系統(tǒng)功重比要比燃油發(fā)動機的功重比高許多，但由于電池的能量密度要比燃油的能量密度低許多；這些可以用來補充電池的能量密度。但就整體而言，目前電動飛機還沒有達(dá)到燃油飛機的水平。

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)的飛機是最有可能首先成功應(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(dá)到0.8千瓦時/千克以上，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(dá)到1.8千瓦時/千克以上。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)快速發(fā)展來看，預(yù)計未來電動飛機的前途光明。

另一個儲能器件超級電容器有它自己的特點：能量密度達(dá)到鋰電池的100倍；在幾秒鐘內(nèi)充放電，這很適合于峰值功率瞬時釋放；有100萬次充放電能力、穩(wěn)定范圍寬和無可燃材料，很適合于飛機；能量密度接近鉛酸電池，但是和鋰電池相比還有不足，可以在混合動力系統(tǒng)中應(yīng)用。

鋰電池和燃料電池未來將會在電動飛機中大量使用，它們的特點是：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的應(yīng)用前景。

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，它就是一個獨立電網(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。它也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，這就需要功率轉(zhuǎn)換器的功率密度大、效率高。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20千瓦/升，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(biāo)功率密度是50千瓦/升。為了滿足需求，需要對許多新興技術(shù)進行不斷地研究與開發(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?fù)洹⑿碌闹圃旒夹g(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?fù)涔餐Y(jié)合使用，能夠?qū)崿F(xiàn)變換器達(dá)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提升電力電子系統(tǒng)的功率密度。

電動飛機獨立電網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定運行非常重要，因為飛機上的電力電子非線性負(fù)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，電網(wǎng)絡(luò)的魯棒性就顯得非常重要，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在生的負(fù)荷。同時為飛機的關(guān)鍵系統(tǒng)提供高可靠的功率。

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)很好的融入飛機設(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。

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)涉及多個學(xué)科，是一項跨學(xué)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。

編輯：黃飛