July.2012中國(guó)民航飛行學(xué)院學(xué)報(bào)Vo1.23No.4Journal of Civil Aviation Flight University of_ China17電力飛機(jī)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(jī)目前分為兩類:電機(jī)驅(qū)動(dòng)的全電飛機(jī)、內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的多電飛機(jī)。本文先描述了燃料電池飛機(jī)、太陽(yáng)能飛機(jī)、核電飛機(jī)的研究現(xiàn)狀，進(jìn)而給出了多電飛機(jī)引擎的研究進(jìn)展，提出了減小飛機(jī)電氣系統(tǒng)重量的策略。最后指出新能源技術(shù)、微電網(wǎng)技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)、復(fù)合材料技術(shù)的進(jìn)步將進(jìn)一步推動(dòng)電力飛機(jī)的發(fā)展。關(guān)鍵詞:電力飛機(jī)全電飛機(jī)多電飛機(jī)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(jī)按照政府間氣候變化專門委員會(huì)的報(bào)告,以下給出燃料電池飛機(jī)、太陽(yáng)能飛機(jī)、核電航空運(yùn)輸業(yè)目前貢獻(xiàn)了全球二氧化碳排放量的飛機(jī)的研究進(jìn)展。2%，隨著航空運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，這個(gè)貢獻(xiàn)量將來(lái)可2.1燃料電池飛機(jī)能增加到3.5%"。應(yīng)對(duì)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(jī)電力化，從而減少燃油的消耗。電力飛機(jī)目前是氫氣， 氫氣與空氣中的氧氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)后分為兩類:全電飛機(jī)和多電飛機(jī)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(jī)由電機(jī)提供飛機(jī)的驅(qū)動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)電.空氣。機(jī)的電源可以是燃料電池、蓄電池、太陽(yáng)能板、德國(guó)DLR的Antares DLR-H2飛機(jī)是世界上超級(jí)電容等新能源21。多電飛機(jī)由內(nèi)燃機(jī)提供飛第一架全燃料電池驅(qū)動(dòng)的單座載人飛機(jī)。飛機(jī)于機(jī)的驅(qū)動(dòng)力，飛機(jī)的四種 次級(jí)功率系統(tǒng)(液壓、2009年7月7日在德國(guó)漢堡首飛，飛機(jī)是零CO2氣動(dòng)、電氣、機(jī)械)統(tǒng)一用電氣系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)[-61。排放，噪聲比內(nèi)燃機(jī)驅(qū)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(jī)是由Antares 公司的20E滑翔較小7-9，全電飛機(jī)都是小型飛機(jī)。而多電飛機(jī)仍機(jī)改裝的。飛機(jī)的翼展20 m,機(jī)長(zhǎng)7.4 m,最大然用內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)，功率可以比較大，例如波音公起飛重量6中國(guó)煤化工0 km/h， 飛行司的787飛機(jī)和空客 公司的A380飛機(jī)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(qū)動(dòng)功率，飛機(jī)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(xiàng)目(11B10)中國(guó)民航飛行學(xué)院學(xué)報(bào)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(shè)計(jì)了一系列太陽(yáng)能飛機(jī): Solar傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)飛機(jī)的燃油利用效率是18%Challenger、PathfinderPathfinder Plus.到25%，DLR-H2 飛機(jī)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(xiàn)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(jī)飛行高度的世界紀(jì)錄12.14.15。洗廁所，減少了飛機(jī)機(jī)載水的攜帶量。另一個(gè)燃Centurion飛機(jī)的設(shè)計(jì)目 標(biāo)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(jī)進(jìn)行數(shù)周或數(shù)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(yuǎn)程通信的中繼站。當(dāng)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(jī)可以利用自帶的鋰電池再飛行2到保持超導(dǎo)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(jī)是NASA的HALSOL項(xiàng)目的終極機(jī)是世界.上第一架采用燃料電池和鋰電池混合驅(qū)目標(biāo)。Helios 比Centurion大25%到50%，它將動(dòng)的兩座載人飛機(jī)?！憋w機(jī)于 2008年4月3日在西白天太陽(yáng)能的三分之二存儲(chǔ)起來(lái)供晚上沒有太陽(yáng)班牙馬德里成功首飛川。飛機(jī)起飛和爬升時(shí)需要時(shí)使用，因此可以實(shí)現(xiàn)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(rèn)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(jì)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)問題。飛機(jī)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(jī)Centurion^飛機(jī)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(jī)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(shù)量級(jí)，顯示出太陽(yáng)能飛機(jī)良好的發(fā)展前景。Demonstrator飛機(jī)是由奧地利DiamondAircraft Industries 公司的HK36 Super Dimona滑翔機(jī)是燃料電池和鋰電池混合系統(tǒng)。NASA的機(jī)改裝的121。飛機(jī)的翼展16.3 m,最大起飛重量Centurion飛機(jī)是太陽(yáng)能和鋰電池混合系統(tǒng)。這兩770 kg。燃料電池的最大輸出功率是24 kW，鋰電個(gè)系統(tǒng)都是微電網(wǎng)系統(tǒng)，都存在不同能源的切換池的連續(xù)輸出功率是50~75 kW。”飛機(jī)起 飛和爬策略問題!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(jī)的技術(shù)進(jìn)步"7。時(shí)供電。飛機(jī)巡航時(shí)功率大約是 20 kW,巡航功2.3核電飛機(jī)率全部由燃料電池產(chǎn)生。飛機(jī)花費(fèi)7分鐘爬升到核能也是清潔能源之一。面對(duì)環(huán)境問題，核1 000 m高度，然后以巡航速度100 km/h飛行大電飛機(jī)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(yīng)器內(nèi)，核電就不會(huì)污染環(huán)境。問題的關(guān)2.2太陽(yáng)能飛機(jī)鍵是這一點(diǎn)目前還沒有切實(shí)可行的解決方法。美太陽(yáng)能也是清潔能源之一。國(guó)在1946 到1961的冷戰(zhàn)時(shí)期已經(jīng)將Convair B36世界上第- -架太陽(yáng)能 飛機(jī)Sunrise I于1974年轟炸機(jī)改裝為核動(dòng)力。另外，目前許多現(xiàn)役的航11月4日在美國(guó)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(guó)都開展了太陽(yáng)能飛機(jī)的研制15]。以下主要介紹飛機(jī)在技術(shù)上是可行的18]。美國(guó)NASA1981年開展的HALSOL ( High目前最大的困擾是飛機(jī)機(jī)組人員和乘客可能Altitude Solar Energy) 項(xiàng)目的主要成果。該項(xiàng)目會(huì)受到核輻射，另外，萬(wàn)- -核電飛機(jī)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(guó)煤化工[18]。陽(yáng)能進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間飛行的可行性2.14.150。;YHCNM HGJuly.2012中國(guó)民航飛行學(xué)院學(xué)報(bào)Vol.23No.4Joumal of Civil Aviation Flight University of China9引擎是飛機(jī)的核心部件，以下介紹歐盟的率減小35%左右，相應(yīng)的燃油消耗也減少了，飛POA (Power Optimised Aircraft) 項(xiàng)目(2002.1 ~機(jī)維修成本也降低了。POA項(xiàng)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(tǒng)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(tái)的總ESVR平臺(tái)(Engine System Validation Rig)重量比傳統(tǒng)齒輪箱系統(tǒng)的總重量增加了不少。以是歐盟的POA項(xiàng)目的關(guān)鍵子系統(tǒng)之一。POA項(xiàng)下 介紹減小飛機(jī)電氣系統(tǒng)重量的策略。目利用該平臺(tái)驗(yàn)證了飛機(jī)渦扇引擎的齒輪箱系統(tǒng)3.2減小電氣系統(tǒng)重量的技術(shù)完全可以用電氣系統(tǒng)進(jìn)行替代凹。圖1給出了一個(gè)300座飛機(jī)電氣系統(tǒng)不同部ESVR整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)350 V直流母線網(wǎng)件的重量貢獻(xiàn)[2。最重的是占30%的電纜，其次絡(luò)，引擎的各個(gè)子系統(tǒng)通過(guò)電氣轉(zhuǎn)換模塊與母線是占26%的發(fā)電機(jī)、占15%的電動(dòng)機(jī)、占11%的連接。平臺(tái)的引擎采用了羅羅公司的Trent 500 渦變壓器、占8%的轉(zhuǎn)換器。這五部分貢獻(xiàn)了總重扇發(fā)動(dòng)機(jī)。平臺(tái)的主要電氣子系統(tǒng)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(jī)(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(duì)發(fā)扇軸發(fā)電機(jī)( Fanshaft-driven Generator, FSDG)、電機(jī)的數(shù)量和空間布局進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)2]。如果將電燃油系統(tǒng)、電滑油系統(tǒng)、主動(dòng)電磁軸承系統(tǒng)飛機(jī)引擎放在機(jī)尾，電纜不得不穿越整個(gè)機(jī)身。(AMB)電網(wǎng)接口單元、通用引擎控制系統(tǒng)等。從減小電纜重量這一角度看，將引擎放在機(jī)尾是高壓?jiǎn)?dòng)發(fā)電機(jī)是--個(gè)安裝在引擎高壓側(cè)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(jī)。扇軸發(fā)電機(jī)是一高電流密度的超導(dǎo)技術(shù)2.81。個(gè)安裝在引擎低壓軸的120kW開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)?！?%■3%■AC coniacors■Corverters電燃油和電滑油系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的機(jī)械燃油和滑油DDC coniacors系統(tǒng)，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(tǒng)的機(jī)械軸承系統(tǒng)完成了引擎低壓軸的支撐，消除了機(jī)械軸承的潤(rùn)滑問題。通口20%■Contos用引擎控制系統(tǒng)完成平臺(tái)各個(gè)電氣子系統(tǒng)的配置■Coong與控制，平臺(tái)所有電氣子系統(tǒng)通過(guò)CAN總線進(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(tái)供■11%電。圖1一架300座飛機(jī)電氣系統(tǒng)子部件的重量圖21POA項(xiàng)目建立了ESVR 平臺(tái)的Simulink/發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)占電氣系統(tǒng)重量的41%。受Matlab系統(tǒng)模型，該模型可以評(píng)估和驗(yàn)證各個(gè)工到電機(jī)銅繞組發(fā)熱問題限制，傳統(tǒng)電機(jī)的功率密作狀態(tài)下平臺(tái)的性能，部分減少了全硬件實(shí)驗(yàn)的度一般是0.5 kW/kg,采用超導(dǎo)技術(shù)，超導(dǎo)電機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。例如，通過(guò)模型的仿真發(fā)現(xiàn)了某些熔斷器功率密度可以提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。通用電氣公司和動(dòng)作后可能會(huì)引起直流母線的過(guò)電壓?jiǎn)栴};模型LEI公司已經(jīng)制造出7kW/kg功率密度、3MW容的仿真結(jié)果也為解決該過(guò)壓?jiǎn)栴}的電壓抑制單元量、轉(zhuǎn)速達(dá)到15 000 r/min的超導(dǎo)電機(jī)8。因此，的放置位置提供幫助。Virtual lron Bird 系統(tǒng)是采用超導(dǎo)技術(shù)，電機(jī)的重量將下降- -個(gè)數(shù)量級(jí)。POA項(xiàng)目另外- -個(gè)關(guān)鍵子系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)系統(tǒng)復(fù)合材料的應(yīng)用可以減少飛機(jī)的自重，部分仿真技術(shù)進(jìn)行飛機(jī)系統(tǒng)的性能研究B.19]。補(bǔ)償電氣系統(tǒng)的超重問題[2]。2009 年12 月15 日ESVR平臺(tái)的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，用電氣首飛的波音中國(guó)煤化工所有材料體積系統(tǒng)替代渦扇引擎的齒輪箱系統(tǒng)是可行的。POA的80%120:MYHCNMHG,復(fù)合材料占項(xiàng)目的研究表明多電飛機(jī)技術(shù)可以將飛機(jī)次級(jí)功50%，鋁占20%，鈦占15%， 鋼占10%， 其他中國(guó)民航飛行學(xué)院學(xué)報(bào)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(jié)論7 July 2009.www.dlr.de/en/desktopdefault.aspx/tabid-全電飛機(jī)目前主要受制于新能源技術(shù)。隨著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(jī)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(dǎo)技術(shù)、復(fù)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(jī)和多電飛機(jī)的發(fā)展。html; accessed on Jan 10, 2012參考文獻(xiàn)[12] 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