據(jù)aviationweek網(wǎng)站2019年3月28日刊文，與全球諸多航空發(fā)動機(jī)制造商一樣，羅羅公司也正處在軍、民用航空領(lǐng)域的新興電力革命浪潮之中。隨著在新型推進(jìn)技術(shù)的多個并行領(lǐng)域開展嘗試，該公司21世紀(jì)電動飛機(jī)戰(zhàn)略發(fā)展計劃的關(guān)鍵細(xì)節(jié)逐漸顯現(xiàn)。羅羅公司在新型推進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域的嘗試主要包括如下3個方向：針對近期多電飛機(jī)需求的嵌入式起動/發(fā)電機(jī)測試；旨在打造世界上最強(qiáng)勁的飛機(jī)發(fā)電機(jī)E-Fan X計劃；推動電動技術(shù)發(fā)展的ACCEL、eVTOL和Volante項(xiàng)目。
一、把握電氣化發(fā)展機(jī)遇，立足燃?xì)廨啓C(jī)優(yōu)勢形成航空電氣化能力
羅羅公司內(nèi)部新近成立了電氣(Rolls-Royce Electrical)部門，專門負(fù)責(zé)監(jiān)管電氣化相關(guān)的新工業(yè)戰(zhàn)略，以應(yīng)對航空領(lǐng)域電氣化這一“不可避免的趨勢”。該部門主管薩拉·波克森(Sara Poxon)表示，“我們正處于歷史的關(guān)鍵時刻。”
汽車行業(yè)(預(yù)計到2040年將有多達(dá)10億輛電動汽車運(yùn)行)推動了電動相關(guān)技術(shù)發(fā)展，提高了電機(jī)、電力電子設(shè)備和能量存儲系統(tǒng)的功率密度，“相關(guān)技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用即將實(shí)現(xiàn)，我們意識到了這一現(xiàn)實(shí)。”波克森表示，羅羅公司的電動戰(zhàn)略將基于在燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)方面的工業(yè)優(yōu)勢。“我們沒有指望電動革命在一夜之間發(fā)生，”波克森表示，“在接下來的5年、10年乃至15年間，我們預(yù)計公司的大部分核心能力仍然集中在燃?xì)廨啓C(jī)領(lǐng)域，這也是我們繼續(xù)發(fā)展現(xiàn)有能力的原因。”
隨著燃?xì)廨啓C(jī)的不斷優(yōu)化以及未來飛機(jī)發(fā)動機(jī)與機(jī)身更緊密的集成，2個關(guān)鍵因素推動了羅羅公司將電氣化作為產(chǎn)品創(chuàng)新的關(guān)鍵領(lǐng)域之一。其一是電氣化領(lǐng)域內(nèi)的巨額資金正在培育新一代競爭對手，其二是由于傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)發(fā)展在未來數(shù)十年可能遇到瓶頸，會限制航空業(yè)的長期可持續(xù)發(fā)展。
“在傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)領(lǐng)域，我們即將達(dá)到技術(shù)曲線上的頂峰，材料技術(shù)無法獲得無限制的持續(xù)改進(jìn)。”波克森表示，為了達(dá)成國際航空研究合作項(xiàng)目(ICARe，歐盟在H2020框架內(nèi)設(shè)立的多國航空合作平臺項(xiàng)目)設(shè)立的2050年減排量目標(biāo)，“無論是飛機(jī)設(shè)計還是發(fā)動機(jī)設(shè)計都必須徹底改變，電氣化將成為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的促成技術(shù)。”
隨著羅羅公司對電氣化領(lǐng)域的日益關(guān)注，該公司在維持其現(xiàn)有能力的同時，開始關(guān)注永磁推進(jìn)器等電氣產(chǎn)品領(lǐng)域，在最近對商業(yè)、海運(yùn)等業(yè)務(wù)的剝離過程中，相關(guān)電氣化部分也得以保留。“最值得注意的一點(diǎn)是，羅羅公司在挪威特隆赫姆設(shè)有一個名為智能電機(jī)(SmartMotor)的設(shè)計集團(tuán)，在向康斯伯格公司的業(yè)務(wù)出售過程中，羅羅公司將該集團(tuán)保留下來，并更名為挪威羅羅電氣(Rolls-Royce Electrical Norway)。羅羅公司還擁有動力系統(tǒng)公司(Power Systems)，該公司已經(jīng)完成了混合動力列車、微電網(wǎng)和潛艇技術(shù)的研究。因此羅羅公司具有豐富的混合動力經(jīng)驗(yàn)，正在確保將這些技術(shù)中的一部分協(xié)同起來。”波克森表示。
廣泛的行業(yè)研究表明，電推進(jìn)的初始應(yīng)用更有可能在較小規(guī)模下實(shí)現(xiàn)。奧爾表示，“在有效載荷、速度和航程較大的應(yīng)用場景，混合電動和多電技術(shù)更為合理；在有效載荷、速度和航程較小的應(yīng)用場景，全電技術(shù)更為適合。就時間表而言，可能需要5年乃至25年、35年以上。”
羅羅公司認(rèn)為未來的單通道客機(jī)的電池化學(xué)成分可能與當(dāng)前完全不同，未來將需要更高的電壓以提供高達(dá)數(shù)十兆瓦的功率。波音787是世界上首架多電飛機(jī)，其儲能元件的能量密度達(dá)到150 Wh/kg，電力電子設(shè)備功率密度為5kW/kg，2臺發(fā)電機(jī)的功率密度為3kW/kg。但2030年代的小型混合電動客機(jī)的能量密度需求高達(dá)1,000 Wh/kg，電力電子設(shè)備的功率密度需要4倍于787技術(shù)水平，發(fā)電機(jī)功率密度需要20kW/kg。
二、在多電飛機(jī)和電推進(jìn)飛機(jī)方面已開展多項(xiàng)工作
羅羅公司的發(fā)展戰(zhàn)略反映了電氣化技術(shù)影響航空業(yè)的2種方式，其一是漸進(jìn)發(fā)展式，例如多電飛機(jī)技術(shù)；其二是顛覆性的革命方式，如電推進(jìn)技術(shù)。羅羅公司目前在這兩條路線上均開展了的研究工作。
1、持續(xù)推進(jìn)多電技術(shù)提升——針對近期多電飛機(jī)需求的嵌入式起動/發(fā)電機(jī)的研究
羅羅公司在位于英國布里斯托的工廠正在開展E2SG項(xiàng)目，該項(xiàng)目在阿杜爾軍用發(fā)動機(jī)上裝載了嵌入式電動起動發(fā)電機(jī)并開展測試。“我們從智能電動機(jī)團(tuán)隊(duì)獲得了從高壓(HP)軸和低壓(LP)軸獲取動力的經(jīng)驗(yàn)，本項(xiàng)目是一種雙軸電力輸出電氣系統(tǒng)，”羅羅公司電氣的團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人埃迪奧爾(Eddie Orr)表示。“這一設(shè)計非常成功，同時將電氣、機(jī)械、熱管理和海洋等領(lǐng)域的工程師匯聚到一起。”
這項(xiàng)工作建立在2017年的研究基礎(chǔ)上，此前的工作中，發(fā)動機(jī)起動后通過嵌入式高壓軸起動發(fā)電機(jī)切換到發(fā)電模式。“今年我們將把發(fā)電機(jī)與低壓軸連接，”奧爾說。“我們繼續(xù)使用高壓軸起動發(fā)電機(jī)，并將能量存儲引入該系統(tǒng)。我們已經(jīng)完成了子系統(tǒng)檢查，現(xiàn)在正在與測試臺上的發(fā)動機(jī)進(jìn)行集成。”進(jìn)一步測試計劃于今年開展。
嵌入式電動起動/發(fā)電機(jī)在阿杜爾發(fā)動機(jī)上進(jìn)行測試，促進(jìn)了多電飛機(jī)技術(shù)發(fā)展。
上述E2SG的工作正在被納入英國“暴風(fēng)(Tempest)”第五代戰(zhàn)斗機(jī)項(xiàng)目。“該技術(shù)也可用于大型民用發(fā)動機(jī)，團(tuán)隊(duì)正在研究如何更好地管理喘振裕度，”奧爾指出。“不需要打開引氣閥，該系統(tǒng)可通過減少電能輸出以降低壓縮機(jī)所做功。為了滿足平臺所需電能，可從高壓軸獲取剩余所需電能。”
2、在大飛機(jī)上開展電氣化關(guān)鍵部件技術(shù)驗(yàn)證——為空客E-Fan X驗(yàn)證機(jī)打造世界上最強(qiáng)勁的飛機(jī)發(fā)電機(jī)
羅羅公司與空客、西門子共同開發(fā)了E-Fan X演示驗(yàn)證機(jī)，用于評估支線客機(jī)的混合電推進(jìn)可行性。波克森表示，羅羅公司將提供2.5兆瓦發(fā)電機(jī)與電力電子設(shè)備，安裝于1臺AE2100渦槳發(fā)動機(jī)上。該發(fā)動機(jī)將裝載在深度改裝的BAe 146/Avro RJ飛機(jī)上進(jìn)行飛行測試，如果測試成功，則該發(fā)動機(jī)發(fā)電機(jī)會成為“世界上最強(qiáng)勁的飛機(jī)發(fā)電機(jī)”。
羅羅公司與空客和西門子公司合作推出混合動力電動E-Fan X驗(yàn)證機(jī)，計劃于2020年飛行。
測試平臺原本裝配有4臺霍尼韋爾LF507渦扇發(fā)動機(jī)，其中1臺會被電動機(jī)系統(tǒng)替換。該電動機(jī)系統(tǒng)配有碳化硅電力模塊和永磁材料，為電機(jī)提供3000V交流電以驅(qū)動風(fēng)扇轉(zhuǎn)動。風(fēng)扇來自于1臺AE3007發(fā)動機(jī)(羅羅公司上世紀(jì)90年代推出的大涵道比700公斤級渦扇發(fā)動機(jī))。雖然E-Fan X飛機(jī)的推進(jìn)裝置是燃?xì)廨啓C(jī)與電機(jī)的組合，因而屬于并聯(lián)式混合動力，但該實(shí)驗(yàn)的主要目的是通過該電動機(jī)系統(tǒng)評估串聯(lián)混合動力的可行性，在該模式下推進(jìn)裝置是電動的，具有額外的儲能裝置。
奧爾表示發(fā)電機(jī)是一項(xiàng)綜合性的工作。“位于德比的電氣設(shè)計團(tuán)隊(duì)正在與挪威羅羅公司電氣團(tuán)隊(duì)合作，并得到了美國和新加坡的支持。”該計劃的大部分內(nèi)容是作為歐洲清潔天空2研究計劃的一部分進(jìn)行的，但“有些方面獨(dú)立于該計劃”。在E-Fan X項(xiàng)目中，羅羅公司提供動力裝置、發(fā)電機(jī)和風(fēng)扇，空客公司提供儲能和各系統(tǒng)的組合方案，西門子提供電機(jī)驅(qū)動器。
奧爾強(qiáng)調(diào)，E-Fan X預(yù)計將在2020年末推出，但電推進(jìn)飛機(jī)的最終構(gòu)型與E-Fan X不同。“電推進(jìn)飛機(jī)的概念可能發(fā)展為串聯(lián)混合電推進(jìn)，或邊界層吸入設(shè)計。目前開展的工作是展示大型高壓電機(jī)在高空工作的能力。尚有許多問題待解決，包括熱綜合管理、電暈放電，”他補(bǔ)充說，提到了防止高壓電纜在巡航高度產(chǎn)生電弧的挑戰(zhàn)。在這方面，羅羅公司很大程度上依賴于設(shè)置于大學(xué)中研究網(wǎng)絡(luò)，特別是在曼徹斯特，該研究網(wǎng)絡(luò)正在研究安裝故障以及電弧和火花的影響。
“主要問題是線纜和終端，因?yàn)閮烧叨加袡C(jī)會產(chǎn)生電暈效應(yīng)，”奧爾說。“線纜問題主要包括監(jiān)測潛在的絕緣擊穿現(xiàn)象，以及由于內(nèi)部放電電弧導(dǎo)致的電纜擊穿。還必須考慮機(jī)器和終端內(nèi)線圈的絕緣兼容性。因?yàn)檫@一領(lǐng)域尚屬空白，因而還有許多問題需要解決。“作為一家航空航天企業(yè)，研究成果需要在行業(yè)內(nèi)共享，每個人都需要了解圍繞電弧和火花的失效機(jī)制，但“團(tuán)隊(duì)解決問題的過程是我們行業(yè)競爭力的體現(xiàn)”。
3、在小型通用飛機(jī)上開展電動飛機(jī)概念驗(yàn)證——推動電動技術(shù)發(fā)展的ACCEL、eVTOL和Volante項(xiàng)目
在全電推進(jìn)領(lǐng)域，羅羅公司和合作伙伴YASA領(lǐng)導(dǎo)了一項(xiàng)由英國政府支持的研究項(xiàng)目“加速飛行電氣化(ACCEL)”，以探索在演示飛機(jī)中使用高功率電氣系統(tǒng)。“這一項(xiàng)目是羅羅公司與電動飛行(Electroflight)、YASA的合作。”波克森解釋道。“電動飛行”是一家總部位于英國的公司，專門從事高性能電力系統(tǒng)包括儲能系統(tǒng)的研制。
ACCEL演示飛機(jī)，相關(guān)技術(shù)可用于電動垂直起降和支線運(yùn)輸。羅羅公司計劃通過該機(jī)創(chuàng)造新的飛行速度記錄。
不到20名工程師和1名項(xiàng)目經(jīng)理致力于這一全電推進(jìn)飛機(jī)項(xiàng)目，計劃在36個月內(nèi)、使用有限的預(yù)算，完成從概念到飛行的全過程。“我們在項(xiàng)目中輪換工程師，目的在于促進(jìn)電力供應(yīng)鏈并提供電氣系統(tǒng)能力獲取的獨(dú)立途徑。我們專注于儲能和高功率密度電機(jī)技術(shù)。”這項(xiàng)電池驅(qū)動的運(yùn)動飛機(jī)項(xiàng)目的飛行測試預(yù)計在2020年開展，羅羅公司計劃創(chuàng)造新的空速記錄。
羅羅公司希望在ACCEL計劃中積累關(guān)于鋰離子電池模塊集成和封裝的寶貴經(jīng)驗(yàn)，以及更好地了解中央電池的熱分析方法，并確定電池可能在何種情況下發(fā)生過熱。此外，電池管理、以及特定復(fù)合材料是否有助于控制熱環(huán)境等問題也是羅羅公司在該計劃中可能遇到并需要解決的。
此外，羅羅公司針對個人飛行器和剛剛起步的城市空中交通市場的推出了小型電動和混合動力電動計劃，公司旗下的印第安納波利斯集團(tuán)(Indianapolis)基于M250渦軸發(fā)動機(jī)開發(fā)了混合動力系統(tǒng)，正在進(jìn)行地面測試。
羅羅公司M250是該公司混合動力電動五座電動垂直起降研究(eVTOL)概念的核心。
該計劃始于2018年初，通過1年的工作，“研制1套混合動力推進(jìn)系統(tǒng)并演示了3種運(yùn)行模式-串聯(lián)混合動力、并聯(lián)混合動力和渦電。三種操作模式均已進(jìn)行測試，初始的地面測試于2018年第四季度完成，今年的計劃是研究準(zhǔn)備飛行的解決方案。這一項(xiàng)目覆蓋了500-800千瓦的功率范圍，是電動垂直起降的最佳選擇。“波克森表示。
為了研究電推進(jìn)的技術(shù)可行性和發(fā)展挑戰(zhàn)，羅羅公司設(shè)計了自己的電動垂直起降飛機(jī)。“這是羅羅公司第一次提出飛機(jī)層面的概念，概念的提出是基于M250混合動力推進(jìn)系統(tǒng)。”波克森表示。這款5座串聯(lián)式混合電動飛機(jī)采用了螺旋槳和傾斜機(jī)翼設(shè)計，吸收了鷂式戰(zhàn)斗機(jī)的垂直/短距起降技術(shù)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，鷂式戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)動機(jī)“飛馬”由布里斯托爾航空發(fā)動機(jī)公司設(shè)計，該公司于上世紀(jì)60年代被羅羅公司兼并。M250的功率約500千瓦，驅(qū)動6個電動螺旋槳，能夠使該機(jī)以250英里/小時的速度飛行約500英里(800公里)。在巡航高度上，飛機(jī)的升力螺旋槳將折疊，由機(jī)身后部安裝的螺旋槳提供動力。
奧爾表示，“我們尚未推出相關(guān)產(chǎn)品，但所做的所有技術(shù)和集成工作都會支持產(chǎn)品發(fā)展。”全尺寸飛機(jī)計劃也將與現(xiàn)有的飛機(jī)制造商和其他航空航天公司合作完成。“如果新的電動飛機(jī)市場出現(xiàn)，大型企業(yè)希望確保其與現(xiàn)有市場一樣安全。”
羅羅公司還與汽車制造商阿斯頓馬丁公司、克蘭菲爾德航空航天解決方案公司以及克蘭菲爾德大學(xué)合作，開發(fā)一種用于城市和城際航空旅行的混合動力3座飛機(jī)。該飛機(jī)被稱為Volante Vision概念機(jī)，動力系統(tǒng)基于M250發(fā)動機(jī)，初步計劃于20世紀(jì)20年代中期投放市場。
奧爾表示：“Volante目前只是一個概念，但假設(shè)解決了所有的整合挑戰(zhàn)，我們相信它可以飛行。該設(shè)計具有合適的功率和儲能水平，因此功率重量比良好。由于主推進(jìn)系統(tǒng)不是全電動的，因此在適航認(rèn)證等方面存在挑戰(zhàn)。但作為工業(yè)界的一員，我們正在與監(jiān)管機(jī)構(gòu)和認(rèn)證機(jī)構(gòu)合作以克服這些障礙。”
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