電力飛機的技術(shù)進(jìn)展

July.2012中國民航飛行學(xué)院學(xué)報Vo1.23No.4Journal of Civil Aviation Flight University of_ China17電力飛機的技術(shù)進(jìn)展李鳳娥羅玉梅張玉(上海交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 上海200232)掖要:電力飛機目前分為兩類(lèi):電機驅動(dòng)的全電飛機、內燃機驅動(dòng)的多電飛機。本文先描述了燃料電池飛機、太陽(yáng)能飛機、核電飛機的研究現狀，進(jìn)而給出了多電飛機引擎的研究進(jìn)展，提出了減小飛機電氣系統重量的策略。最后指出新能源技術(shù)、微電網(wǎng)技術(shù)、超導技術(shù)、復合材料技術(shù)的進(jìn)步將進(jìn)一步推動(dòng)電力飛機的發(fā)展。關(guān)鍵詞:電力飛機全電飛機多電飛機A Review of Electric Aircraft TechnologyLi Fenge Luo Yumei Zhang Yu(Shanghai Communication Polytechnic Shanghai 200232 China)Abstract: The electric aircraft can be divided into two categories. One is the All ElectricAircraft (AEA) driven by electric motors and the other is the Multi-Electric Aircraft (MEA) driven byintermal combustion engines. The current fuel cell powered aircraft, solar powered aircraft, andnuclear powered aircraft are introduced first, and then the research of multi-electric engine issummarized and methods of reducing the weight of electric systems are suggested. Finally, it pointsout that the new energy source technology, micro-grid technology, superconductor technology andcomposite material technology will accelerate the development of electric aircraft.Key words: Electric aircraft All Electric Aircraft (AEA) Multi-Electric Aircraft (MEA)1引言2全電飛機按照政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì )的報告,以下給出燃料電池飛機、太陽(yáng)能飛機、核電航空運輸業(yè)目前貢獻了全球二氧化碳排放量的飛機的研究進(jìn)展。2%，隨著(zhù)航空運輸業(yè)的發(fā)展，這個(gè)貢獻量將來(lái)可2.1燃料電池飛機能增加到3.5%"。應對碳排放的一一個(gè)策略是將飛燃料電池是清潔能源之一- 。燃料電池的燃料機電力化，從而減少燃油的消耗。電力飛機目前是氫氣， 氫氣與空氣中的氧氣發(fā)生電化學(xué)反應后分為兩類(lèi):全電飛機和多電飛機2。生產(chǎn)電能10)。燃料電池的產(chǎn)物是水和不含氧氣的全電飛機由電機提供飛機的驅動(dòng)力，驅動(dòng)電.空氣。機的電源可以是燃料電池、蓄電池、太陽(yáng)能板、德國DLR的Antares DLR-H2飛機是世界上超級電容等新能源21。多電飛機由內燃機提供飛第一架全燃料電池驅動(dòng)的單座載人飛機。飛機于機的驅動(dòng)力，飛機的四種 次級功率系統(液壓、2009年7月7日在德國漢堡首飛，飛機是零CO2氣動(dòng)、電氣、機械)統一用電氣系統來(lái)實(shí)現[-61。排放，噪聲比內燃機驅動(dòng)低許多0。目前，新能源電源的功率密度或能量密度比DLR-H2飛機是由Antares 公司的20E滑翔較小7-9，全電飛機都是小型飛機。而多電飛機仍機改裝的。飛機的翼展20 m,機長(cháng)7.4 m,最大然用內燃機驅動(dòng)，功率可以比較大，例如波音公起飛重量6中國煤化工0 km/h， 飛行司的787飛機和空客 公司的A380飛機都采用了距離750 kr|YHCNMHG料電池可以提多電技術(shù)12.6]。供25 kW的驅動(dòng)功率，飛機起 飛和爬升時(shí)需要功●上海交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研基金項目(11B10)中國民航飛行學(xué)院學(xué)報July.201218Joumal of Civil Aviation Flight University of ChinaVol.23No.4率較大，巡航時(shí)功率大約是10 kw12.10。NASA順次設計了一系列太陽(yáng)能飛機: Solar傳統內燃機驅動(dòng)飛機的燃油利用效率是18%Challenger、PathfinderPathfinder Plus.到25%，DLR-H2 飛機的氫燃料利用效率大約是Centurion、Helios (.14.15]。 在1998 年8月6日,44%，能源利用效率約提高了- -倍[10]。Pathfinder Plus實(shí)現了在80 210 ft高度的飛行，創(chuàng )燃料電池的一個(gè)燃燒產(chǎn)物是水，可以用來(lái)沖造了螺旋槳推進(jìn)飛機飛行高度的世界紀錄12.14.15。洗廁所，減少了飛機機載水的攜帶量。另一個(gè)燃Centurion飛機的設計目 標就是在100 000 ft燒產(chǎn)物是不含氧氣的空氣，該氣體可以用于飛機進(jìn)行數周或數月飛行，可進(jìn)行科研圖像采集或者燃油箱的惰化處理"。另外，液態(tài)氫燃料在氣化作為遠程通信的中繼站。當太陽(yáng)能耗盡時(shí),過(guò)程中要吸收大量熱量，這一氣化過(guò)程可以用來(lái)Centurion飛機可以利用自帶的鋰電池再飛行2到保持超導材料所需要的低溫環(huán)境8。5小時(shí)[.14.15]。波音公司的Boeing Fuel Cell Demonstrator 飛Helios飛機是NASA的HALSOL項目的終極機是世界.上第一架采用燃料電池和鋰電池混合驅目標。Helios 比Centurion大25%到50%，它將動(dòng)的兩座載人飛機?！憋w機于 2008年4月3日在西白天太陽(yáng)能的三分之二存儲起來(lái)供晚上沒(méi)有太陽(yáng)班牙馬德里成功首飛川。飛機起飛和爬升時(shí)需要時(shí)使用，因此可以實(shí)現不間斷飛行[141。2001 年，功率較大，巡航時(shí)需要功率較小。如果全部采用Helios創(chuàng )造了非官方確認的96 863 ft飛行高度的燃料電池供電，燃料電池的利用效率不高。波音世界紀錄。不幸的是Helios2003 年因故障墜毀于公司采用混合供電方案來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。飛機起太平洋[15]。飛和爬升時(shí)由燃料電池和鋰電池聯(lián)合供電，飛機Centurion^飛機31 kW的太陽(yáng)能輸出功率，與巡航時(shí)切斷鋰電池，僅由燃料電池供電，這樣可Antares DLR-H2飛機25 kW燃料電池動(dòng)力處于同以提高整體能源的利用效率1121。-數量級，顯示出太陽(yáng)能飛機良好的發(fā)展前景。Demonstrator飛機是由奧地利DiamondAircraft Industries 公司的HK36 Super Dimona滑翔機是燃料電池和鋰電池混合系統。NASA的機改裝的121。飛機的翼展16.3 m,最大起飛重量Centurion飛機是太陽(yáng)能和鋰電池混合系統。這兩770 kg。燃料電池的最大輸出功率是24 kW，鋰電個(gè)系統都是微電網(wǎng)系統，都存在不同能源的切換池的連續輸出功率是50~75 kW?！憋w機起 飛和爬策略問(wèn)題!2),因此，微電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展也將促進(jìn)升時(shí)需要功率約40 kW，由燃料電池和鋰電池同全電飛機的技術(shù)進(jìn)步"7。時(shí)供電。飛機巡航時(shí)功率大約是 20 kW,巡航功2.3核電飛機率全部由燃料電池產(chǎn)生。飛機花費7分鐘爬升到核能也是清潔能源之一。面對環(huán)境問(wèn)題，核1 000 m高度，然后以巡航速度100 km/h飛行大電飛機重新引起學(xué)界的關(guān)注[2.18]。只要將核廢料密約20分鐘1-31。封在反應器內，核電就不會(huì )污染環(huán)境。問(wèn)題的關(guān)2.2太陽(yáng)能飛機鍵是這一點(diǎn)目前還沒(méi)有切實(shí)可行的解決方法。美太陽(yáng)能也是清潔能源之一。國在1946 到1961的冷戰時(shí)期已經(jīng)將Convair B36世界上第- -架太陽(yáng)能 飛機Sunrise I于1974年轟炸機改裝為核動(dòng)力。另外，目前許多現役的航11月4日在美國加州首飛成功2.14.15]。 隨后歐美各空母艦和潛艇都是核動(dòng)力的。以上信息表明核電國都開(kāi)展了太陽(yáng)能飛機的研制15]。以下主要介紹飛機在技術(shù)上是可行的18]。美國NASA1981年開(kāi)展的HALSOL ( High目前最大的困擾是飛機機組人員和乘客可能Altitude Solar Energy) 項目的主要成果。該項目會(huì )受到核輻射，另外，萬(wàn)- -核電飛機被恐怖分子的主要目的是探索在65000ft (約20 km)利用太劫持,中國煤化工[18]。陽(yáng)能進(jìn)行長(cháng)時(shí)間飛行的可行性2.14.150。;YHCNM HGJuly.2012中國民航飛行學(xué)院學(xué)報Vol.23No.4Joumal of Civil Aviation Flight University of China9引擎是飛機的核心部件，以下介紹歐盟的率減小35%左右，相應的燃油消耗也減少了，飛POA (Power Optimised Aircraft) 項目(2002.1 ~機維修成本也降低了。POA項目的研究也表明，2008.7)多電引擎的研究成果。.目前電力電子系統的可靠性、重量、體積等方面3.1多電引擎有待進(jìn)一步發(fā)展3,4。 例如，多電ESVR平臺的總ESVR平臺(Engine System Validation Rig)重量比傳統齒輪箱系統的總重量增加了不少。以是歐盟的POA項目的關(guān)鍵子系統之一。POA項下 介紹減小飛機電氣系統重量的策略。目利用該平臺驗證了飛機渦扇引擎的齒輪箱系統3.2減小電氣系統重量的技術(shù)完全可以用電氣系統進(jìn)行替代凹。圖1給出了一個(gè)300座飛機電氣系統不同部ESVR整個(gè)系統是一個(gè)350 V直流母線(xiàn)網(wǎng)件的重量貢獻[2。最重的是占30%的電纜，其次絡(luò )，引擎的各個(gè)子系統通過(guò)電氣轉換模塊與母線(xiàn)是占26%的發(fā)電機、占15%的電動(dòng)機、占11%的連接。平臺的引擎采用了羅羅公司的Trent 500 渦變壓器、占8%的轉換器。這五部分貢獻了總重扇發(fā)動(dòng)機。平臺的主要電氣子系統包括高壓?jiǎn)?dòng)量的90%，剩余的10%是冷卻裝置、控制裝置、發(fā)電機(High Press Starter Generator，HPDG) 、交直流接觸器。減小電纜重量的-一個(gè)策略是對發(fā)扇軸發(fā)電機( Fanshaft-driven Generator, FSDG)、電機的數量和空間布局進(jìn)行優(yōu)化設計2]。如果將電燃油系統、電滑油系統、主動(dòng)電磁軸承系統飛機引擎放在機尾，電纜不得不穿越整個(gè)機身。(AMB)電網(wǎng)接口單元、通用引擎控制系統等。從減小電纜重量這一角度看，將引擎放在機尾是高壓?jiǎn)?dòng)發(fā)電機是--個(gè)安裝在引擎高壓側的不科學(xué)的。減小電纜重量的另外一個(gè)策略是采用150 kW嵌入式永磁啟動(dòng)發(fā)電機。扇軸發(fā)電機是一高電流密度的超導技術(shù)2.81。個(gè)安裝在引擎低壓軸的120kW開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機?！?%■3%■AC coniacors■Corverters電燃油和電滑油系統取代傳統的機械燃油和滑油DDC coniacors系統，完成引擎燃油和滑油的供給與冷卻。主動(dòng)■30%DGeneralors■Tansformens電磁軸承取代了傳統的機械軸承系統完成了引擎低壓軸的支撐，消除了機械軸承的潤滑問(wèn)題。通口20%■Contos用引擎控制系統完成平臺各個(gè)電氣子系統的配置■Coong與控制，平臺所有電氣子系統通過(guò)CAN總線(xiàn)進(jìn)行■2%通訊。公共電網(wǎng)可以通過(guò)電網(wǎng)接口單元給平臺供■11%電。圖1一架300座飛機電氣系統子部件的重量圖21POA項目建立了ESVR 平臺的Simulink/發(fā)電機和電動(dòng)機占電氣系統重量的41%。受Matlab系統模型，該模型可以評估和驗證各個(gè)工到電機銅繞組發(fā)熱問(wèn)題限制，傳統電機的功率密作狀態(tài)下平臺的性能，部分減少了全硬件實(shí)驗的度一般是0.5 kW/kg,采用超導技術(shù)，超導電機的風(fēng)險。例如，通過(guò)模型的仿真發(fā)現了某些熔斷器功率密度可以提高一個(gè)數量級。通用電氣公司和動(dòng)作后可能會(huì )引起直流母線(xiàn)的過(guò)電壓?jiǎn)?wèn)題;模型LEI公司已經(jīng)制造出7kW/kg功率密度、3MW容的仿真結果也為解決該過(guò)壓?jiǎn)?wèn)題的電壓抑制單元量、轉速達到15 000 r/min的超導電機8。因此，的放置位置提供幫助。Virtual lron Bird 系統是采用超導技術(shù)，電機的重量將下降- -個(gè)數量級。POA項目另外- -個(gè)關(guān)鍵子系統，該系統通過(guò)系統復合材料的應用可以減少飛機的自重，部分仿真技術(shù)進(jìn)行飛機系統的性能研究B.19]。補償電氣系統的超重問(wèn)題[2]。2009 年12 月15 日ESVR平臺的仿真和實(shí)驗結果表明，用電氣首飛的波音中國煤化工所有材料體積系統替代渦扇引擎的齒輪箱系統是可行的。POA的80%120:MYHCNMHG,復合材料占項目的研究表明多電飛機技術(shù)可以將飛機次級功50%，鋁占20%，鈦占15%， 鋼占10%， 其他中國民航飛行學(xué)院學(xué)報July.201220Jourmal of Civil Aviation Flight University_ of ChinaVol.23No.4材料占5%12.20。Antares takes off in Hamburg - powered by a fuel cell,4結論7 July 2009.www.dlr.de/en/desktopdefault.aspx/tabid-全電飛機目前主要受制于新能源技術(shù)。隨著(zhù)344/1345_ read-18278/; accessed on Jan 16, 2012燃料電池、蓄電池、太陽(yáng)能等新能源技術(shù)的發(fā)[11] Boeing News: Boeing Successfully Flies Fuel展，全電飛機的性能將有進(jìn)一步的提升。另外，Cell-PoweredAirplane,Apr3，2008.微電網(wǎng)技術(shù)、超導技術(shù)、復合材料技術(shù)的進(jìn)步將www.boeing.com/news/releases/2008/q2/080403a_ nr.進(jìn)一步推動(dòng)全電飛機和多電飛機的發(fā)展。html; accessed on Jan 10, 2012參考文獻[12] Bataller-Planes E, Lapea-Rey N, Mosquera J, et[1] Renouard-Vallet G, Saballus M, Schumann P, et al.al. 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