NASA“飛馬”混合電推進(jìn)客機(jī)
導(dǎo)讀
美國國家航空航天局（NASA）近日展示了一種被稱為“飛馬”的混合電推進(jìn)48座概念支線客機(jī)。“飛馬”除了在機(jī)翼翼尖設(shè)有2個(gè)混合電螺旋槳外，其機(jī)翼內(nèi)側(cè)下有2個(gè)電動(dòng)螺旋槳，尾部還有1個(gè)螺旋槳，這是典型的分布式混合電推進(jìn)系統(tǒng)。
隨著全球航空業(yè)的飛速發(fā)展，越來越多的航空制造商將目光聚焦于節(jié)能、環(huán)保和可持續(xù)性上，電推進(jìn)成為動(dòng)力革新的“新秀”。不過，電動(dòng)飛機(jī)在技術(shù)與市場應(yīng)用上還遠(yuǎn)未成熟，在燃?xì)鉁u輪動(dòng)力依然占據(jù)主流的今天，集電推進(jìn)與燃?xì)鉁u輪之所長的分布式混合電推進(jìn)系統(tǒng)開始初顯鋒芒。
在現(xiàn)有技術(shù)中融入新概念
空客100座級(jí)支線客機(jī)E-Airbus
分布式混合電推進(jìn)系統(tǒng)，是指通過傳統(tǒng)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，為分布在機(jī)翼或機(jī)身上的多個(gè)電動(dòng)機(jī)/風(fēng)扇提供電力，并由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇/螺旋槳提供全部或絕大部分推力（燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)不提供或只提供部分推力）的一種新概念推進(jìn)系統(tǒng)。
電推進(jìn)系統(tǒng)具有相對(duì)尺度無關(guān)的特性，若將一個(gè)100千瓦的電機(jī)和控制器分解成100個(gè)1千瓦的電機(jī)或10個(gè)10千瓦的電機(jī)，其總的功率重量比和總效率基本保持不變。
將大的渦扇/渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)拆分成若干小的電動(dòng)風(fēng)扇/螺旋槳分布在機(jī)身各處，能夠更好地利用空氣滑流效應(yīng)提高氣動(dòng)效率、降低邊界層阻力，大幅提高發(fā)動(dòng)機(jī)等效涵道比，在減輕結(jié)構(gòu)重量，降低油耗、噪聲和污染排放方面具有優(yōu)勢。
目前，美國、歐洲均將混合電推進(jìn)系統(tǒng)視為未來有廣泛前景的民用航空動(dòng)力解決方案，都在組織飛機(jī)制造商和發(fā)動(dòng)機(jī)商開展探索和預(yù)研，波音、GE、空客、西門子、羅羅等公司都已經(jīng)在政府科研計(jì)劃支持下開展民用航空分布式混合電推進(jìn)系統(tǒng)研究。
“腦洞大開”的設(shè)計(jì)思路
波音公司Sugar概念飛機(jī)
目前，美歐的各家工業(yè)企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)在分布式混合電推進(jìn)系統(tǒng)領(lǐng)域設(shè)計(jì)思路不盡相同，充滿想象力的設(shè)計(jì)方案給分布式混合電推進(jìn)帶來更多“未來科技感”。
NASA在很早以前就開始關(guān)注分布式混合電推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展，在其推出的概念研究中，美國波音公司是最早“吃螃蟹”的企業(yè)之一。波音提出Sugar概念飛機(jī)，該飛機(jī)由一個(gè)渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)給分布在機(jī)翼上部、下部或內(nèi)部的多個(gè)電動(dòng)機(jī)/風(fēng)扇提供動(dòng)力。
此外，歐盟在“航跡2050”計(jì)劃下探索了分布式混合電推進(jìn)系統(tǒng)。空客最早開始參與電動(dòng)飛機(jī)的研發(fā)，推出由四臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)四個(gè)反轉(zhuǎn)螺旋槳提供推力的Cri-Cri飛機(jī)以及電動(dòng)涵道風(fēng)扇推進(jìn)E-Fan飛機(jī)，兩款飛機(jī)都是輕型飛機(jī)，驗(yàn)證了輕質(zhì)、高效的發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)技術(shù)。
空客還與西門子和羅羅聯(lián)合開發(fā)100 座級(jí)支線客機(jī)E-Airbus飛機(jī)，該飛機(jī)由一臺(tái)安裝在機(jī)身后部的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)翼上的6 臺(tái)電動(dòng)風(fēng)扇提供動(dòng)力，等效涵道比超過20，為大型民用客機(jī)推進(jìn)技術(shù)提供新思路。
跳出傳統(tǒng)帶來的技術(shù)挑戰(zhàn)
空客電動(dòng)涵道風(fēng)扇推進(jìn)E-Fan飛機(jī)
從燃?xì)鉁u輪到發(fā)電機(jī)/機(jī)載電池再到電動(dòng)風(fēng)扇，如何高效利用電能成為影響該技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。而目前電池的能量密度（即單位質(zhì)量的電池材料放出電能的大小）太低和電動(dòng)機(jī)的功率密度不足，使得分布式混合電推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展受到很大限制。
所以，分布式混合電推進(jìn)系統(tǒng)未來發(fā)展的重點(diǎn)是能量密度更大的電池和超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)這兩個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。目前，歐美都在大力開展這兩個(gè)方面的研究。
NASA正在開展超導(dǎo)技術(shù)研究，以提高電機(jī)功率密度和能量效率。由于使超導(dǎo)發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)高效工作的關(guān)鍵之一是實(shí)現(xiàn)超冷環(huán)境，因此NASA重點(diǎn)關(guān)注低溫冷卻和液氫冷卻兩種冷卻方案。不過，兩種方案都面臨著機(jī)上存儲(chǔ)空間不足的難題。
歐盟也在尋求開發(fā)輕質(zhì)、高效的發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)技術(shù)，尤其是在超導(dǎo)技術(shù)方面尋求突破，以提高分布式混合推進(jìn)技術(shù)的技術(shù)成熟度。
在歐美國家的技術(shù)發(fā)展規(guī)劃上，分布式混合電推進(jìn)系統(tǒng)有望于2030 年投入商業(yè)運(yùn)營。為了奪取這一未來的戰(zhàn)略制高點(diǎn)，美歐政府都予以大力支持，各自發(fā)起了一系列前沿技術(shù)研究計(jì)劃，以推動(dòng)本國的混合電推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展。
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