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美国航空涡轮-电推进技术研究与进展

时间:2016-09-07  来源:i看航空   发布:高端装备网 

  

美国航空涡轮-电推进技术研究与进展

 

  

美国航空涡轮-电推进技术研究与进展

 

  ECO-150推进系统结构图。

  

美国航空涡轮-电推进技术研究与进展

 

  ECO-150最初设计图。

  

美国航空涡轮-电推进技术研究与进展

 

  带格珊的双层机翼设计。

 

  目前,美国、欧洲等航空工业发达的国家和地区纷纷启动适用于未来的新型民航客机的研究。而在新一代民航客机上,采用什么样的推进系统或推进模式,仍是见仁见智,意见不一。不过有一条可以肯定,未来的民航客机要更环保已经成为全球的共识,采用混合电力推进或者全电推进是解决这个问题关键。

 

  美国或将优先发展涡轮-电推进技术

 

  按照美国国家航空航天局(NASA)的要求,美国国家科学院低碳推进委员会下的一个专家小组对本世纪50年代商业航空降低碳排放措施的优先级进行了研究,并于日前提出了4个应予高度关注的领域:飞机-推进一体化、燃气涡轮发动机、可持续替代喷气燃料以及涡轮-电推进混合推进技术。而经过对比,该小组认为实现电推进对减少航空碳足迹具有非常重要的意义,在目前应该优先关注与发展。

 

  美国科学院低碳推进委员会从2015年初开始上述研究,并表示相关研究领域可能要在40年代才能达到技术成熟度6级(可进入全尺寸研制),投入使用则要到2050年。此外,该委员会还认为,如果要达到足够的减排效果,就必须考虑在干线客机上进行应用,因为这些飞机占了航空排放的90%以上。目前全球共有20000架左右客机,每年消耗700亿加仑燃料,产生的排放物中36%来自单通道客机,双通道客机则占到57%。

 

  向737看齐的EC-150

 

  虽然美国和欧洲已经开始了航空混合推进技术的研究,但是航空混合推进技术目前尚处于发展初期,与喷气动力刚出现时一样,当发动机性能不足而又需求迫切时,设计者们总是要尝试不同的飞机结构和发动机布局形式,试图找出能够解决电动力的缺点从而能够得到预期收益的方法。美国实验系统航宇公司(ESAero)就对其中一种涡轮-电推进混合推进布局方案开展了研究,该公司自开始研究电推进技术后就与NASA开展了合作,并成为X-57 “麦克斯韦”(Maxwell)分布式电推进验证机的主承包商。

 

  ESAero公司位于美国加利福尼亚州皮斯莫滩,2009年在NASA“小企业创新研究”(SBIR)第一阶段合同下开始研发150座ECO-150双层翼分布式涡轮-电推进飞机构型,之后该设计也成为研究混合电推进技术集成问题和成果的平台。目前,ESAero公司通过其他项目的资助完善了ECO-150的方案,并从7月份开始SBIR第二阶段工作,继续完善结构方案细节,包括与成本共担子供应商罗罗公司“自由工作室”在微型电动格栅方面的合作。公司还将评估将EC-150缩小到80座ECO-80设计的能力,并希望其成为未来X验证飞机的基础。

 

  ECO-150采用2台涡轴发动机,分别安装在机翼中部位置,带动发电机向嵌入式安装在内侧双层机翼之间的16个涵道风扇供电,由于涵道比的增大效果和每个涡轮驱动多个风扇带来的推进效率提升,使得飞机在运行过程中能够节省大量燃油。2009年的最初方案以NASA提出可在2035到2040年间投入使用的“N+3”代飞机为目标,采用由机载液氢冷却的低温超导电机,可降低油耗达40%。

 

  2011到2012年,NASA和空军研究试验室(AFRL)资助ESAero公司研究了一种军民两用运输机,以验证采用常规非低温电动机的分布式混合电推进是否可用于N+2代飞机(2025~2030年投入使用)。预期的燃油节省低于采用低温超导电机的方案,尽管性能并不是太好,但设计相对比较成熟。

 

  2015年,ESAero公司决定利用取得的技术进步和在此过程中得到的经验,以及从2009年起研发的工具,将设计方案修改为常规电推进的ECO-150R构型。最终的性能与波音737-700相当——航程1646海里(合3048千米),单位成本68座海里/加仑,不过ESAero公司表示数据偏于保守,还有很大的改进空间,预计的油耗至少可比波音737降低20%~30%。

 

  双层机翼的创新

 

  用于ECO-150R的推进系统构型受到罗罗公司“自由工作室”为NASA所做一项研究的影响,其结果显示通过电动栅格设计可以解决一台发动机或风扇失效时维持对称推力分布的问题,即当一台发动机故障时另一台发动机可以将全部功率平均分配到所有的风扇。

 

  ESAero公司还在设计中融入了热管理功能。在EC-150R所需的功率水平,电子部件在飞机处于爬升阶段末端时产生的热量将近1500kW。为此在涡轴发动机下方安装了早期战斗机上所用的循环式液冷系统,用来冷却发电机、电动机、控制器和电缆等。冷却系统大约占到整个电子系统重量的20%,比之前的预测值大大下降。

 

  在最初的研究中,ESAero公司为了预估升力和阻力,把内侧双层机翼简化处理为将对称翼型从中间切分为上下两部分,这种简化处理被后来的研究证明是错误的。在AFRL资助洛马公司开展的一项推进与机体一体化研究中,采用类似翼型的双层机翼巡航气动性能可改善8%。因此,ESAero公司重新对ECO-150进行了全三维计算流体力学(CFD)分析,并根据研究结果对内侧机翼进行了修型,在保持足够的空间和间距来容纳电子部件的前提下使阻力最小化。结果是下层机翼相比上层弦长缩短,也较为扁平,风扇直径也略微减小。而由于2009年以来电子部件的进步,电动机的长度大大缩短。同时,带有嵌入式推进格栅的双层机翼还因为风扇向后缘吹气带来了动力增升效果,ECO-150也只需要面积很小的襟翼就可以提供低速下所需的高升力,能够满足起飞时的需求。

 

  推进系统是工作重点

 

  ESAero公司表示ECO-150方案切实可行,而且还有很大的改进空间,其中一些改进措施将在SBIR第二阶段进行研究。第二阶段工作并不是制造一种产品,而是将双层机翼构型研究的更加细致,从而得到一架更好的飞机。这一阶段工作将包括更多的CFD分析,第一阶段是EASero公司第一次使用三维CFD分析,其运行结果与常规机翼非常接近,但洛马公司的研究也发现气动性能还有提升的空间,因此公司需要开展全飞行包线的模拟研究。

 

  此外EASero公司还规划了推进系统功率选取的研究工作。涡轴发动机的输出功率在高空会因为空气密度减小而下降,但电动机不存在这个问题。通常推进系统的功率要按照爬升阶段末端设计,会导致在海平面产生的功率远超飞机所需,吸收这些功率反而会增加电气系统的尺寸和重量。将每个单独部件按照其特定的性能需求选择尺寸,会显著降低它们的重量。设计者的目的是使每个部件在满足性能需求的前提下尽可能小,这也依赖于部件的失效模式。

 

  第二阶段还将包含对分布式混合电推进系统的考察,以及采用电池存储能量或者用超级电容器补充涡轮-电功率,这样可以进一步降低部件重量。其他研究工作还包括将尽力减小飞机垂直尾翼的尺寸,甚至可能取消垂尾;在V型尾翼之间扁平的后机身上增加带附面层抽吸(BLI)结构的电动涵道风扇,不仅可以为机身尾迹重新注入能量从而降低阻力,还可为后体科恩达襟翼提供气源。这种吹气襟翼可用于飞机纵向控制,加上双层机翼推进段的快速作动能够提供横向控制,甚至可以取消飞机的尾翼。

 

  这种无尾设计已经在ESAero公司较小的ECO-80方案里得到应用,不仅使附面层吸入成为可能,还可以具备纵向控制权限。尺寸更小的ECO-80方案采用无尾布局,代之以在后机身安装带“附面层抽吸”的科恩达襟翼。第二阶段将考察其可操控性,并可能演示一种无尾客机构型,最终将设计一架有人驾驶ECO-80验证机,并以一架MD-80为基础进行改装。ESAero公司表示所有研发工作的中心是ECO-150方案,并由此衍生出从飞行器方案到工具研发等数十个与混合推进相关的项目,最终使公司成为X-57项目的主承包商。目前ESAero公司在方案设计和硬件等方面的工作已经占据优势地位,在设计、硬件集成、实验总结并反馈到设计的过程中已经形成复合效应,每个循环都会有新的收获,在理解如何将涡轮-电推进和分布式混合电推进用于各类平台和任务组合的速率也逐渐加快。

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