飞机也混动 ？

江成

众所周知，飞机起飞时的耗油量最大，产生的综合污染也最为严重，例如波音747大型客机起飞一次耗油约需要5吨，尺寸较小的空客A320也需要4吨左右，而这些燃油都是在短短的几分钟之内烧掉的，这也为未来低污染飞机的发展指明了改进的方向。颇具讽刺意味的是，与低污染地面车辆的发展相似，在此之前，由于在运行中几乎不产生污染，纯电推进的飞机一度被欧洲人作为未来研发的重要方向。但是，由于目前最好的锂离子蓄电池的功率密度也远远低于传统的燃油推进系统，这使得电动飞机遇到了比电动汽车更为严重的载重量瓶颈。

由于必须依赖自身能量来起飞和巡航，目前的电动飞机都是超轻型飞机，多数为单座、双座设计，最大航速和续航时间也不尽人意，并不能达到取代传统飞机的作用。而采用电动力和燃油动力相结合的混动汽车，却在实际应用中展示了远比纯电动汽车优秀的性能，在正常运行参数与传统汽车相差无几的前提下，使得燃油消耗显著下降，产生的污染也得到了良好控制。

由此可见，如果新一代的飞机也采用与混动汽车相似的动力系统，利用电动力和燃油动力在不同运行条件下的优势互补，也可以做到在不明显降低飞机使用性能的情况下，大幅度减少起飞过程的燃油消耗，并进一步降低巡航状态的燃油消耗，从而使得燃油燃烧带来的污染可以明显降低。

但是，与混动汽车不同的是，由于运行环境不同，混合动力电推进的飞机所采用的技术要复杂得多，而并非简单的将电动力和燃油动力联合起来，这也是近年来欧美航空业界寻求技术突破的主要方向。从目前来看，混合动力电推进飞机的主要优势，与混动汽车相似，可以通过蓄电池系统事先储存一部分能量，在起飞阶段释放，从而明显降低起飞油耗。由于蓄电池系统提供的是电能，那么飞机的推进器与其他控制设备也必须采用电动方式。

而将传统的液压和机械控制设备转为电动方式，也会带来显著的效益。由于电动控制系统实际上将传统的发动机与电力系统、环境控制系统、液压系统、燃油系统等进行了整合，以实现能量的综合管理和合理分配，效率较高。根据空中客车公司的研究，可以比传统的液压和机械控制降低约35%的传递损失，这部分效率的提高可以表现为油耗的下降。同时，由于电动控制系统结构简单，布置方便，控制性能好，寿命较长，可以显著降低维护工作量和维修费用。目前，电动控制系统在部分新型飞机上已经获得应用，例如空客A380客机、波音787客机和F-35战斗机等，这也为混合动力电推进飞机的实现奠定了基础。

荷兰航空航天研究中心的研究成果表明，如果不采用传统推进方式，而是采用涡轮发电机组、再用电力驱动螺旋桨提供动力的方式，可以将飞机油耗降低大约10%。然而，目前混动飞机面临的最主要突破，是需要发展新一代的高功率密度发电机，以满足大功率电推进的需要。在波音787客机上，共有6台发电机，总功率1 400千瓦，而F-35战斗机的发电机是目前单台功率最大的，为400千瓦。但是，如果需要实现大型客机的电力推进，需要10兆瓦（1兆瓦=1 000千瓦）级别的发电功率，根据空中客车公司的推算，如果要为空客A320级别的客机实现电推进，需要实现最大功率40兆瓦的输出，巡航输出也需要达到20兆瓦，而为了降低系统的复杂度，同时又保障足够的冗余度，通常并联输出的发电机组以2～3台为宜，这就要求单台发电机的功率达到10兆瓦以上，这已经大幅度超出了目前航空工业的实际应用水平。

欧洲和美国的混动飞机

2017年6月，空中客车集团向外界公布了其规划中的支线飞机级电推进飞行验证机——E-Fan X的更多细节，作为开发混合动力电推进单通道客机的前期探索，该机可能在3年内实现试飞。空客集团在E-Fan X验证机上采用了较为保守的方案，计划改装一架BAe 146/Avro RJ支线客机，使用一台2兆瓦级的涡轮发电机和电池为电推进器提供动力，以替代原飞机上4台涡扇发动机中的1台或者2台。空客首席技术官保罗·艾瑞蒙科解释说，之所以采用2兆瓦级的发电机，是因为这是目前常规配电方案可达到的上限，而无需采用复杂的超导技术，这也适合E-Fan X验证机的定位，即只是为混合动力电推进方案进行飞行验证，而不是为了开发下一代支线客机的混动电推进系统。

在大西洋对面的美国，著名的霍尼韦尔公司也为极光飞行科学公司的XV-24A “雷击”（LightningStrike）混动电推进无人机提供了先进的发电机，该机计划于2018年首飞，使用了3台1兆瓦发电机，由1台罗·罗公司的AE1107涡轴发动机驱动。在波音787客机上。4台250千瓦的主发电机各重95千克，而霍尼韦尔研制的1兆瓦发电机功率是其4倍，重量仅增加了约40%，每台只有127千克。除了功重比出色之外，霍尼韦尔公司还宣称这一型发电机的效率远远高于之前的航空发电机，从90%增加到了98%。对于飞机来讲，新型发电机效率的提高，意味着需要冷却、排放的废热大幅度减少了，可以显著降低飞机环境控制系统的负荷，也避免了因为废热积蓄导致高温、甚至造成发电机和机体损坏的可能，这对于未来的大功率航空发电机推广应用是极其重要的。

通过在飞机上采用混合动力电推进技术，除了引人注目的环保优势之外，一些新技术也得以实现，从而进一步提高飞机的性能和效率，其中比较重要的是分布式电推进技术和柔性机翼技術。

在传统的螺旋桨推进中，机翼前方的螺旋桨产生的高速滑流吹过机翼，具有良好的减阻增升作用，但由于发动机能驱动的螺旋桨数目有限，大部分的机翼都处于螺旋桨滑流之外，使得升阻比提高的效益受到限制。而在电推进中，由于机翼上可以安排数量较多的电动推进器，可以使得大部分机翼都处在滑流之中，机翼的升阻比可以显著提高。另外，由于电推进器具有优异的启停、调速能力，通过控制不同位置的电推进器的工作状态，还可以对飞机的姿态控制施加有利作用，特别是在低速起降阶段，可以提高飞机的控制能力和安全性。由于分布式电推进的优势巨大，目前相关验证机的推进器数目有越来越多的趋势。例如NASA的X-57验证机采用了12个电推进器；XV-24A “雷击”有24个电驱动涵道风扇，其中每个机翼上有9个，每个鸭翼上有3个，每个风扇都采用了变距桨叶，这使得飞行员可以灵活地在六个自由度上对飞机实施控制；而法国最新研制的“安培”验证机上，沿翼展布置了多达32个电驱动涵道风扇，可以在更大的范围内实现主动控制。

柔性机翼技术也是航空界早已进行研究、但迟迟不能获得有效进展的技术。这是因为柔性机翼需要在较大的运行范围内，根据不同飞行条件，通过机翼的自适应变形保持最佳气动效率，并与柔性蒙皮技术结合，使得机翼表面可以维持连续不断的线型。而传统的液压和机械控制技术占用空间和重量都比较大，只适合对大片襟翼、副翼实施控制，其翼面线型和气动效率的优化，也只能针对某些狭窄的设计区间来进行。当采用电控制系统之后，矛盾便迎刃而解了，现代的小型电制动器不仅具有较小的体积和重量，更具有优秀的变化调节能力，可以在飞行计算机的控制下进行迅速的翼面状态变化，以适应飞行状态的需求。在NASA进行的可扭转柔性机翼襟翼试验中，已经验证了在电控制器的作用下，襟翼不同部分保持不同偏转角的测试，这种扭转变形可以改变机翼升力中心，进而降低阵风载荷对飞行状态的影响。目前，NASA仍在进一步扩大可扭转柔性机翼襟翼的试验目标，可望使未来电推进飞机的运行效率得到进一步提升。

未来的进展

目前，混动飞机已经成为了先进国家的研究重点。2017年初，通用航空制造商协会（GAMA）电推进创新委员会（EPIC）发布了全球首份度量通用航空混合推进和电推进性能的标准。GAMA全球创新与政策副总裁格雷格·鲍列斯（Greg Bowles）就此声称，由于在混合动力和电推进领域的许多活动，表明这个行业确实开始大發展，在把握情况之后，我们决定发布相关的技术标准。欧盟也资助了近900万欧元，启动了一个名为“混合电推进模块化架构”的新项目（Mahepa），主要开发混合电推进系统的模块和部件，计划用于2020年服役的2～4座混动电推进飞机。

未来混动飞机的大发展，很可能还需要超导电机技术的应用，可以使得电机的效率进一步提高，最大运行功率和功率密度也会出现飞跃。但超导技术的难点在于必须保持较低的温度，目前看来，如果未来氢燃料技术在飞机应用上可以获得突破，可以利用液氢汽化产生的低温来维持电机的超导状态，这样一来，混动电推进飞机技术有可能在亚声速飞机上获得全面普及。

据目前估计，在未来混动飞机技术实用化之后，在载客量低于100人的支线客机范畴内，比起纯电动飞机和传统飞机，采用混合动力电推进的飞机具有明显优越的比较优势。艾瑞蒙科表示，空客集团与罗·罗公司合作的E-Thrust混合电推进单通道概念飞机有可能在10年内成为现实。而在NASA发布的未来20年混合电推进路线图中，2035年之后，将实现300座级别的混合动力电推进飞机。

目前，以德法为首的许多欧洲国家已经制订了淘汰传统燃油汽车的时间表，而传统燃油飞机被混动飞机淘汰的时间表，也已经遥遥在望了。

责任编辑：王鑫邦