罗·罗公司布局无人驾驶城市空中交通动力市场

穆作栋

无人驾驶城市空运市场巨大，作为全球飞机发动机的制造商，罗尔斯·罗伊斯公司面对如此庞大的市场未雨绸缪、反应迅速，积极布局无人驾驶城市空运飞行器动力市场。

与全球诸多航空发动机制造商一样，罗尔斯·罗伊斯（以下简称罗·罗）正处于军、民用航空领域的新兴电力革命浪潮之中。随着罗·罗公司在新型推进技术的多个并行领域开展尝试，该公司21世纪电动飞机战略发展计划的关键细节逐渐显现。罗·罗公司在新型推进技术领域的尝试主要包括如下3个方向：针对近期多电飞机需求的嵌入式起动/发电机测试;旨在打造世界上最强劲的飞机发电机E-Fan X计划;推动电动技术发展的ACCEL、eVTOL和Volante项目。

罗·罗把握电气化发展机遇，将立足燃气轮机优势形成航空电气化能力

罗·罗公司内部新近成立了电气（Rolls-Royce Electrical培B门，专门负责监管电气化相关的新工业战略，以应对航空领域电气化这一“不可避免的趋势”。该部门主管萨拉·波克森表示，“我们正处于历史的关键时刻。”

汽車行业（预计到2040年将有多达10亿辆电动汽车运行）推动了电动相关技术发展，提高了电机、电力电子设备和能量存储系统的功率密度，“相关技术在航空领域的应用即将实现，我们意识到了这一现实。”萨拉·波克森表示，罗·罗的电动战略将基于在燃气轮机技术方面的工业优势。“我们没有指望电动革命在一夜之间发生，”萨拉·波克森表示，“在接下来的5年、10年乃至15年间，我们预计公司的大部分核心能力仍然集中在燃气轮机领域，这也是我们继续发展现有能力的原因。”

随着燃气轮机的不断优化以及未来飞机发动机与机身更紧密的集成，2个关键因素推动了罗·罗将电气化作为产品创新的关键领域之一。其一是电气化领域内的巨额资金正在培育新一代竞争对手，其二是由于传统发动机发展在未来数十年可能遇到瓶颈，会限制航空业的长期可持续发展。

“在传统发动机领域，我们即将达到技术曲线上的顶峰，材料技术无法获得无限制的持续改进。”萨拉·波克森表示，为了达成国际航空研究合作项目（ICARe，欧盟在H2020框架内设立的多国航空合作平台项目）设立的2050年减排量目标，“无论是飞机设计还是发动机设计都必须彻底改变，电气化将成为实现这一目标的促成技术。”

随着罗·罗公司对电气化领域的日益关注，该公司在维持其现有能力的同时，开始关注永磁推进器等电气产品领域，在最近对商业、海运等业务的剥离过程中，相关电气化部分也得以保留。“最值得注意的一点是，罗·罗公司在挪威特隆赫姆设有一个名为智能电机（ SmartMotor）的设计集团，在向康斯伯格公司的业务出售过程中，罗·罗将该集团保留下来，并更名为挪威罗·罗电气（Rolls-Royce ElectricalNorway）。罗·罗还拥有动力系统公司（ PowerSystems），该公司已经完成了混合动力列车、微电网和潜艇技术的研究。因此罗·罗公司具有丰富的混合动力经验，正在确保将这些技术中的一部分协同起来。”萨拉·波克森表示。

广泛的行业研究表明，电推进的初始应用更有可能在较小规模下实现。奥尔表示，“在有效载荷、速度和航程较大的应用场景，混合电动和多电技术更为合理;在有效载荷、速度和航程较小的应用场景，全电技术更为适合。就时间表而言，可能需要5年乃至25年、35年以上。”

罗·罗认为未来的单通道客机的电池化学成分可能与当前完全不同，未来将需要更高的电压以提供高达数十兆瓦的功率。波音787是世界上首架多电飞机，其储能元件的能量密度达到150Wh/kg，电力电子设备功率密度为5kW/kg，2台发电机的功率密度为3kW/kg。但2030年代的小型混合电动客机的能量密度需求高达1，OOOWh/kg，电力电子设备的功率密度需要4倍于787技术水平，发电机功率密度需要20kW/kg。

罗·罗在多电飞机和电推进飞机方面已开展多项工作

罗·罗公司的发展战略反映了电气化技术影响航空业的2种方式，其一是渐进发展式，例如多电飞机技术;其二是颠覆性的革命方式，如电推进技术。罗·罗目前在这两条路线上均开展了的研究工作。

持续推进多电技术提升一一针对近期多电飞机需求的嵌入式起动，发电机的研究

罗·罗在位于英国布里斯托的工厂正在开展E2SG项目，该项目在阿杜尔军用发动机上装载了嵌入式电动起动发电机并开展测试。“我们从智能电动机团队获得了从高压（ HP）轴和低压（ LP）轴获取动力的经验，本项目是一种双轴电力输出电气系统，”罗·罗电气的团队负责人埃迪·奥尔表示。“这一设计非常成功，同时将电气、机械、热管理和海洋等领域的工程师汇聚到一起。”

这项工作建立在2017年的研究基础上，此前的工作中，发动机起动后通过嵌入式高压轴起动发电机切换到发电模式。“今年我们将把发电机与低压轴连接，”埃迪·奥尔说。“我们继续使用高压轴起动发电机，并将能量存储引入该系统。我们已经完成了子系统检查，现在正在与测试台上的发动机进行集成。”进一步测试计划于今年开展。

上述E2SG的工作正在被纳入英国“暴风（ Tempest）”第五代战斗机项目。“该技术也可用于大型民用发动机，团队正在研究如何更好地管理喘振裕度，”奥尔指出。“不需要打开引气阀，该系统可通过减少电能输出以降低压缩机所做功。为了满足平台所需电能，可从高压轴获取剩余所需电能。”

在大飞机上开展电气化关键部件技术验证一一为空客E-Fan X验证机打造世界上最强劲的飞机发电机

罗·罗与空客、西门子共同开发了E-Fan X演示验证机，用于评估支线客机的混合电推进可行性。萨拉·波克森表示，罗·罗公司将提供2.5MW发电机与电力电子设备，安装于1台罗·罗AE2100涡桨发动机上。该发动机将装载在深度改装的BAe 146/Avro RJ飞机上进行飞行测试，如果测试成功，则该发动机发电机会成为“世界上最强劲的飞机发电机”。

测试平台原本装配有4台霍尼韦尔LF507涡扇发动机，其中1台会被电动机系统替换。该电动機系统配有碳化硅电力模块和永磁材料，为电机提供3000V交流电以驱动风扇转动。风扇来自于1台AE3007发动机（罗·罗公司上世纪90年代推出的大涵道比700kg级涡扇发动机）。虽然E-Fan X飞机的推进装置是燃气轮机与电机的组合，因而属于并联式混合动力，但该实验的主要目的是通过该电动机系统评估串联混合动力的可行性，在该模式下推进装置是电动的，具有额外的储能装置。

埃迪·奥尔表示发电机是一项综合性的工作。“位于德比的电气设计团队正在与挪威罗·罗电气团队合作，并得到了美国和新加坡的支持。”该计划的大部分内容是作为欧洲清洁天空2研究计划的一部分进行的，但“有些方面独立于该计划”。在E-FanX项目中，罗·罗提供动力装置、发电机和风扇，空中客车公司提供储能和各系统的组合方案，西门子提供电机驱动器。

埃迪·奥尔强调，E-Fan X预计将在2020年末推出，但电推进飞机的最终构型与E-Fan X不同。“电推进飞机的概念可能发展为串联混合电推进，或边界层吸入设计。目前开展的工作是展示大型高压电机在高空工作的能力。尚有许多问题待解决，包括热综合管理、电晕放电，”他补充说，提到了防止高压电缆在巡航高度产生电弧的挑战。在这方面，罗·罗很大程度上依赖于设置于大学中研究网络，特别是在曼彻斯特，该研究网络正在研究安装故障以及电弧和火花的影响。

“主要问题是线缆和终端，因为两者都有机会产生电晕效应，”埃迪·奥尔说。“线缆问题主要包括监测潜在的绝缘击穿现象，以及由于内部放电电弧导致的电缆击穿。还必须考虑机器和终端内线圈的绝缘兼容性。因为这一领域尚属空白，因而还有许多问题需要解决。“作为一家航空航天企业，研究成果需要在行业内共享，每个人都需要了解围绕电弧和火花的失效机制，但“团队解决问题的过程是我们行业竞争力的体现”。

在小型通用飞机上开展电动飞机概念验证一一推动电动技术发展的ACCEL、eVTOL;FlIVolante项目

在全电推进领域，罗·罗和合作伙伴YASA领导了一项由英国政府支持的研究项目“加速飞行电气化（ ACCEL）”，以探索在演示飞机中使用高功率电气系统。“这一项目是罗·罗与电动飞行（ Electroflight）、YASA的合作。”萨拉·波克森解释道。“电动飞行”是一家总部位于英国的公司，专门从事高性能电力系统包括储能系统的研制。

不到20名工程师和1名项目经理致力于这一全电推进飞机项目，计划在36个月内、使用有限的预算，完成从概念到飞行的全过程。“我们在项目中轮换工程师，目的在于促进电力供应链并提供电气系统能力获取的独立途径。我们专注于储能和高功率密度电机技术。”这项电池驱动的运动飞机项目的飞行测试预计在2020年开展，罗·罗公司计划创造新的空速记录。

罗·罗希望在ACCEL计划中积累关于锂离子电池模块集成和封装的宝贵经验，以及更好地了解中央电池的热分析方法，并确定电池可能在何种情况下发生过热。此外，电池管理、以及特定复合材料是否有助于控制热环境等问题也是罗·罗在该计划中可能遇到并需要解决的。

此外，罗·罗公司针对个人飞行器和刚刚起步的城市空中交通市场的推出了小型电动和混合动力电动计划，公司旗下的印第安纳波利斯集团（ Indianapolis）基于M250涡轴发动机开发了混合动力系统，正在进行地面测试。

该计划始于2018年初，通过1年的工作，“研制1套混合动力推进系统并演示了3种运行模式一串联混合动力、并联混合动力和涡电。三种操作模式均已进行测试，初始的地面测试于2018年第四季度完成，今年的计划是研究准备飞行的解决方案。这一项目覆盖了500 - 800kW的功率范围，是电动垂直起降的最佳选择。“萨拉·波克森表示。

为了研究电推进的技术可行性和发展挑战，罗·罗设计了自己的电动垂直起降飞机。“这是罗·罗第一次提出飞机层面的概念，概念的提出是基于M250混合动力推进系统。”萨拉·波克森表示。这款5座串联式混合电动飞机采用了螺旋桨和倾斜机翼设计，吸收了鹞式战斗机的垂直/短距起降技术的相关经验，鹞式战斗机的发动机“飞马”由布里斯托尔航空发动机公司设计，该公司于上世纪60年代被罗·罗公司兼并。M250的功率约500kW，驱动6个电动螺旋桨，能够使该机以250miles/h的速度飞行约500 miles（ 800km），在巡航高度上，飞机的升力螺旋桨将折叠，由机身后部安装的螺旋桨提供动力。

埃迪·奥尔表示，“我们尚未推出相关产品，但所做的所有技术和集成工作都会支持产品发展。”全尺寸飞机计划也将与现有的飞机制造商和其他航空航天公司合作完成。“如果新的电动飞机市场出现，大型企业希望确保其与现有市场一样安全。”

罗·罗还与汽车制造商阿斯顿马丁公司、克兰菲尔德航空航天解决方案公司以及克兰菲尔德大学合作，开发一款用于城市和城际航空旅行的混合动力3座飞机。该飞机被称为Volante Vision概念机，动力系统基于M250发动机，初步计划于21世纪20年代中期投放市场。

埃迪·奥尔表示：“Volante目前只是一个概念，但假设解决了所有的整合挑战，我们相信它可以飞行。该设计具有合适的功率和储能水平，因此功率重量比良好。由于主推进系统不是全电动的，因此在适航认证等方面存在挑战。但作为工业界的一员，我们正在与监管机构和认证机构合作以克服这些障碍。”