电力飞机的技术进展

July.2012中国民航飞行学院学报Vo1.23No.4Journal of Civil Aviation Flight University of_ China17电力飞机的技术进展李凤娥罗玉梅张玉(上海交通职业技术学院 上海200232)掖要:电力飞机目前分为两类:电机驱动的全电飞机、内燃机驱动的多电飞机。本文先描述了燃料电池飞机、太阳能飞机、核电飞机的研究现状，进而给出了多电飞机引擎的研究进展，提出了减小飞机电气系统重量的策略。最后指出新能源技术、微电网技术、超导技术、复合材料技术的进步将进一步推动电力飞机的发展。关键词:电力飞机全电飞机多电飞机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全电飞机按照政府间气候变化专门委员会的报告,以下给出燃料电池飞机、太阳能飞机、核电航空运输业目前贡献了全球二氧化碳排放量的飞机的研究进展。2%，随着航空运输业的发展，这个贡献量将来可2.1燃料电池飞机能增加到3.5%"。应对碳排放的一一个策略是将飞燃料电池是清洁能源之一- 。燃料电池的燃料机电力化，从而减少燃油的消耗。电力飞机目前是氢气， 氢气与空气中的氧气发生电化学反应后分为两类:全电飞机和多电飞机2。生产电能10)。燃料电池的产物是水和不含氧气的全电飞机由电机提供飞机的驱动力，驱动电.空气。机的电源可以是燃料电池、蓄电池、太阳能板、德国DLR的Antares DLR-H2飞机是世界上超级电容等新能源21。多电飞机由内燃机提供飞第一架全燃料电池驱动的单座载人飞机。飞机于机的驱动力，飞机的四种 次级功率系统(液压、2009年7月7日在德国汉堡首飞，飞机是零CO2气动、电气、机械)统一用电气系统来实现[-61。排放，噪声比内燃机驱动低许多0。目前，新能源电源的功率密度或能量密度比DLR-H2飞机是由Antares 公司的20E滑翔较小7-9，全电飞机都是小型飞机。而多电飞机仍机改装的。飞机的翼展20 m,机长7.4 m,最大然用内燃机驱动，功率可以比较大，例如波音公起飞重量6中国煤化工0 km/h， 飞行司的787飞机和空客 公司的A380飞机都采用了距离750 kr|YHCNMHG料电池可以提多电技术12.6]。供25 kW的驱动功率，飞机起 飞和爬升时需要功●上海交通职业技术学院科研基金项目(11B10)中国民航飞行学院学报July.201218Joumal of Civil Aviation Flight University of ChinaVol.23No.4率较大，巡航时功率大约是10 kw12.10。NASA顺次设计了一系列太阳能飞机: Solar传统内燃机驱动飞机的燃油利用效率是18%Challenger、PathfinderPathfinder Plus.到25%，DLR-H2 飞机的氢燃料利用效率大约是Centurion、Helios (.14.15]。 在1998 年8月6日,44%，能源利用效率约提高了- -倍[10]。Pathfinder Plus实现了在80 210 ft高度的飞行，创燃料电池的一个燃烧产物是水，可以用来冲造了螺旋桨推进飞机飞行高度的世界纪录12.14.15。洗厕所，减少了飞机机载水的携带量。另一个燃Centurion飞机的设计目 标就是在100 000 ft烧产物是不含氧气的空气，该气体可以用于飞机进行数周或数月飞行，可进行科研图像采集或者燃油箱的惰化处理"。另外，液态氢燃料在气化作为远程通信的中继站。当太阳能耗尽时,过程中要吸收大量热量，这一气化过程可以用来Centurion飞机可以利用自带的锂电池再飞行2到保持超导材料所需要的低温环境8。5小时[.14.15]。波音公司的Boeing Fuel Cell Demonstrator 飞Helios飞机是NASA的HALSOL项目的终极机是世界.上第一架采用燃料电池和锂电池混合驱目标。Helios 比Centurion大25%到50%，它将动的两座载人飞机。”飞机于 2008年4月3日在西白天太阳能的三分之二存储起来供晚上没有太阳班牙马德里成功首飞川。飞机起飞和爬升时需要时使用，因此可以实现不间断飞行[141。2001 年，功率较大，巡航时需要功率较小。如果全部采用Helios创造了非官方确认的96 863 ft飞行高度的燃料电池供电，燃料电池的利用效率不高。波音世界纪录。不幸的是Helios2003 年因故障坠毁于公司采用混合供电方案来解决这个问题。飞机起太平洋[15]。飞和爬升时由燃料电池和锂电池联合供电，飞机Centurion^飞机31 kW的太阳能输出功率，与巡航时切断锂电池，仅由燃料电池供电，这样可Antares DLR-H2飞机25 kW燃料电池动力处于同以提高整体能源的利用效率1121。-数量级，显示出太阳能飞机良好的发展前景。Demonstrator飞机是由奥地利DiamondAircraft Industries 公司的HK36 Super Dimona滑翔机是燃料电池和锂电池混合系统。NASA的机改装的121。飞机的翼展16.3 m,最大起飞重量Centurion飞机是太阳能和锂电池混合系统。这两770 kg。燃料电池的最大输出功率是24 kW，锂电个系统都是微电网系统，都存在不同能源的切换池的连续输出功率是50~75 kW。”飞机起 飞和爬策略问题!2),因此，微电网技术的发展也将促进升时需要功率约40 kW，由燃料电池和锂电池同全电飞机的技术进步"7。时供电。飞机巡航时功率大约是 20 kW,巡航功2.3核电飞机率全部由燃料电池产生。飞机花费7分钟爬升到核能也是清洁能源之一。面对环境问题，核1 000 m高度，然后以巡航速度100 km/h飞行大电飞机重新引起学界的关注[2.18]。只要将核废料密约20分钟1-31。封在反应器内，核电就不会污染环境。问题的关2.2太阳能飞机键是这一点目前还没有切实可行的解决方法。美太阳能也是清洁能源之一。国在1946 到1961的冷战时期已经将Convair B36世界上第- -架太阳能 飞机Sunrise I于1974年轰炸机改装为核动力。另外，目前许多现役的航11月4日在美国加州首飞成功2.14.15]。 随后欧美各空母舰和潜艇都是核动力的。以上信息表明核电国都开展了太阳能飞机的研制15]。以下主要介绍飞机在技术上是可行的18]。美国NASA1981年开展的HALSOL ( High目前最大的困扰是飞机机组人员和乘客可能Altitude Solar Energy) 项目的主要成果。该项目会受到核辐射，另外，万- -核电飞机被恐怖分子的主要目的是探索在65000ft (约20 km)利用太劫持,中国煤化工[18]。阳能进行长时间飞行的可行性2.14.150。;YHCNM HGJuly.2012中国民航飞行学院学报Vol.23No.4Joumal of Civil Aviation Flight University of China9引擎是飞机的核心部件，以下介绍欧盟的率减小35%左右，相应的燃油消耗也减少了，飞POA (Power Optimised Aircraft) 项目(2002.1 ~机维修成本也降低了。POA项目的研究也表明，2008.7)多电引擎的研究成果。.目前电力电子系统的可靠性、重量、体积等方面3.1多电引擎有待进一步发展3,4。 例如，多电ESVR平台的总ESVR平台(Engine System Validation Rig)重量比传统齿轮箱系统的总重量增加了不少。以是欧盟的POA项目的关键子系统之一。POA项下 介绍减小飞机电气系统重量的策略。目利用该平台验证了飞机涡扇引擎的齿轮箱系统3.2减小电气系统重量的技术完全可以用电气系统进行替代凹。图1给出了一个300座飞机电气系统不同部ESVR整个系统是一个350 V直流母线网件的重量贡献[2。最重的是占30%的电缆，其次络，引擎的各个子系统通过电气转换模块与母线是占26%的发电机、占15%的电动机、占11%的连接。平台的引擎采用了罗罗公司的Trent 500 涡变压器、占8%的转换器。这五部分贡献了总重扇发动机。平台的主要电气子系统包括高压启动量的90%，剩余的10%是冷却装置、控制装置、发电机(High Press Starter Generator，HPDG) 、交直流接触器。减小电缆重量的-一个策略是对发扇轴发电机( Fanshaft-driven Generator, FSDG)、电机的数量和空间布局进行优化设计2]。如果将电燃油系统、电滑油系统、主动电磁轴承系统飞机引擎放在机尾，电缆不得不穿越整个机身。(AMB)电网接口单元、通用引擎控制系统等。从减小电缆重量这一角度看，将引擎放在机尾是高压启动发电机是--个安装在引擎高压侧的不科学的。减小电缆重量的另外一个策略是采用150 kW嵌入式永磁启动发电机。扇轴发电机是一高电流密度的超导技术2.81。个安装在引擎低压轴的120kW开关磁阻发电机。■4%■3%■AC coniacors■Corverters电燃油和电滑油系统取代传统的机械燃油和滑油DDC coniacors系统，完成引擎燃油和滑油的供给与冷却。主动■30%DGeneralors■Tansformens电磁轴承取代了传统的机械轴承系统完成了引擎低压轴的支撑，消除了机械轴承的润滑问题。通口20%■Contos用引擎控制系统完成平台各个电气子系统的配置■Coong与控制，平台所有电气子系统通过CAN总线进行■2%通讯。公共电网可以通过电网接口单元给平台供■11%电。图1一架300座飞机电气系统子部件的重量图21POA项目建立了ESVR 平台的Simulink/发电机和电动机占电气系统重量的41%。受Matlab系统模型，该模型可以评估和验证各个工到电机铜绕组发热问题限制，传统电机的功率密作状态下平台的性能，部分减少了全硬件实验的度一般是0.5 kW/kg,采用超导技术，超导电机的风险。例如，通过模型的仿真发现了某些熔断器功率密度可以提高一个数量级。通用电气公司和动作后可能会引起直流母线的过电压问题;模型LEI公司已经制造出7kW/kg功率密度、3MW容的仿真结果也为解决该过压问题的电压抑制单元量、转速达到15 000 r/min的超导电机8。因此，的放置位置提供帮助。Virtual lron Bird 系统是采用超导技术，电机的重量将下降- -个数量级。POA项目另外- -个关键子系统，该系统通过系统复合材料的应用可以减少飞机的自重，部分仿真技术进行飞机系统的性能研究B.19]。补偿电气系统的超重问题[2]。2009 年12 月15 日ESVR平台的仿真和实验结果表明，用电气首飞的波音中国煤化工所有材料体积系统替代涡扇引擎的齿轮箱系统是可行的。POA的80%120:MYHCNMHG,复合材料占项目的研究表明多电飞机技术可以将飞机次级功50%，铝占20%，钛占15%， 钢占10%， 其他中国民航飞行学院学报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结论7 July 2009.www.dlr.de/en/desktopdefault.aspx/tabid-全电飞机目前主要受制于新能源技术。随着344/1345_ read-18278/; accessed on Jan 16, 2012燃料电池、蓄电池、太阳能等新能源技术的发[11] Boeing News: Boeing Successfully Flies Fuel展，全电飞机的性能将有进一步的提升。另外，Cell-PoweredAirplane,Apr3，2008.微电网技术、超导技术、复合材料技术的进步将www.boeing.com/news/releases/2008/q2/080403a_ nr.进一步推动全电飞机和多电飞机的发展。html; accessed on Jan 10, 2012参考文献[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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