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巴黎航展热议航空业可持续发展及电气化趋势
关键词:      时间:2019-07-04

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RJ100飞机将于2020年改造成E-Fan X验证机


据《航空周刊》2019年7月1~14日报道,50年前,世界上首架宽体超声速客机亮相巴黎航展,标志着飞行速度和载客能力迎来了一个新时代。2019年巴黎航展上,大批电动和混合电推进飞机竞相登场,盛况空前,显示出航空业越来越重视可持续发展。


航展上涌现出大量电动推进项目,从轻型飞机到计划研制大型技术验证机,同时还新增了许多战略政策举措,充分突显出航空业在减少对环境影响方面正在开展大刀阔斧的改革。


四大欧洲制造商的首席执行官们利用此次航展作为平台,诚请欧盟各机构建立一种新型公私合作关系,助力航空业实现雄心勃勃的环境目标。此外,这几家竞争公司的首席技术官们共同重申了一项承诺,即到2050年将二氧化碳排放量在2005年的基础上减半。


空客公司、莱昂纳多公司、罗罗公司及赛峰集团首席执行官一道正式向欧盟委员会主席Jean-Eric Paquet递交了联合声明。包括达索航空、MTU航空发动机公司、泰雷兹集团在内的23家主要航空供应商及研究中心在声明上签了字。


联合声明中,各成员就航空运输业“深度脱碳”需求达成一致,期望引导正在整个欧洲推行的“洁净天空”计划朝着电动推进及其他可持续技术方向发展。声明指出“限制气候变化,追求《巴黎协定》目标”,并将在2019年年底完成技术路线图。


尽管许诺关注更多颠覆性技术,但是签约成员都坦承并不存在一劳永逸的解决办法,需要综合燃油、推进系统和航空运输管理等各方面技术进展。尽管尚未确定目标数量,但各方对已经提出的“洁净天空”计划第二、第三阶段表示支持,并在四月指出对于2035年进入服务的飞机,会将其二氧化碳排放量在现有基础上削减80%。


Paquet表示若干欧盟项目均可提供资金支持,但欧盟面临的挑战是如何在这些预算与技术成熟度较低的研究、验证机和产品之间建立起联系,然而欧盟的贡献只占工业方自身贡献的一小部分。欧盟的2021-2027年预算预期在2019年年末投票,详细的分配将在2020年期间确定。人们期待的“洁净天空”计划第三阶段最早将于2021年1月1日启动。


与此同时,空客、波音、达索、GE航空、罗罗公司、赛峰集团和联合技术公司(UTC)的首席技术官们共同做出了一项承诺,即减少排放,确保航空业更加生态可持续的发展未来。其中一项变革是提高可持续替代燃料产量。他们表示将与燃料生产商、运营商、机场、环保部门以及政府机构密切合作,在2050年之前将这些燃料广泛用于航空业。


罗罗公司在航展上展出了一系列电动航空研制成果,并出人意料地宣布将收购西门子的电动和混合电推进航空推进业务。西门子的eAircraft业务单元位于德国和匈牙利,一直在为飞机研制全电和混电推进系统,诸如初创公司Eviation的“爱丽丝(Alice)”九座通勤飞机、空客和罗罗的E-Fan X混合电推进验证机。


根据此次收购安排,该公司180名专家组成的电动推进设计团队将纳入罗罗公司新近创建的电气化部门。尽管此举最初瞄准的是从垂直起降电动飞行器到小型支线客机等新兴市场,但同时也为一些长远目标打开了潜在的大门,如为接替空客A320和波音737家族的单通道混合电推进飞机提供推进系统。


Paul Stein对此次收购评价道,“我们对西门子公司在电动飞行方面取得的进步非常满意。他们拥有雄厚的知识产权实力和一流的工程师队伍。第一步是将他们与我们的电气能力相结合。这实际上就是一加一等于三。”与此同时,空客和罗罗公司将按计划开始对BAe146/RJ100飞机进行改装,在2020年将其改装为E-Fan X混合电推进验证机。Stein表示此举将带领罗罗公司进入兆瓦级电气系统,这将是未来突破性技术。按照新修订的计划,收购西门子电动和混合电推进航空推进业务后,罗罗公司将继续负责电力系统和相关电力电子系统。罗罗公司目前已经完成所负责的电动推进单元,包括2MW的电动发动机和换流器。


空客公司负责混合电推进推进系统在飞机中的整体布局、推进系统中的锂电池组、3kW直流/交流电分配网络、电缆布线以及电力分配中心。两家公司共同负责热量管理和控制系统。


验证机的核心—2.5MW涡轮发电机基于罗罗AE2100涡桨发动机研制而成,该发动机原本安装在萨博2000飞机机身后部。验证机中,原本配装在飞机上的四台霍尼韦尔LF507涡扇发动机,其中一台将替换为电动机,由涡轮发电机来驱动,为安装在内侧短舱中的罗罗AE3007的风扇提供动力。涡轮发电机还将为安装在机舱地板下的电池组供电。


空客首席技术官Grazia Vittadini说:“这对我们的团队来说是一项极具挑战性的任务。计划于2021年开展的飞行测试将尤其侧重于处理功率瞬态,对于电动飞行来说这一点至关重要。”


联合技术先进项目(UTAP)也更新了804项目的进展。该项目中的2MW混合电推进推进验证机以一架改装的庞巴迪Dash 8-100支线涡桨飞机为平台。不同于E-Fan X项目单纯研制出一架动力传动验证机,804项目的目标是研制出一型“可进行生产”的产品。


验证机中保留了其中一台加拿大普惠PW121涡桨发动机,另一台发动机将替换为加拿大普惠正在研制的新型1MW涡轮发动机。这台涡轮发动机或“热力”发动机驱动一个齿轮箱为螺旋桨提供动力。同时驱动齿轮箱的还有一台1MW电动机,由安装在客舱地板下的电池供电。


起飞和爬升过程中,热力发动机和电动机都驱动螺旋桨。巡航过程中,仅热力发动机工作。下降过程中,电动机作为发电机工作,多余的热力发动机做功用于给电池充电,以确保为飞行提供足够电力。据UTC首席技术官Paul Eremenko介绍,目前已完成初步设计评审,计划年底完成关键设计评审,2021年进行地面测试,2022年开展飞行试验。Paul Eremenko表示这将是一场非常激烈的竞赛,但是对于不同产品来说,1MW是最佳选择,而将1MW投入飞行,会有助于公司处于领先地位。


电动飞机商业化发展方面,总部位于以色列的初创公司Eviation透露,美国支线航空公司Cape Air将成为其Alice电动飞机的启动用户。Alice电动飞机由三台推进式螺旋桨驱动,260kW电动机由西门子公司或MagniX公司提供。MagniX公司也透露正在与适航取证专业机构AeroTEC合作,将Cessna208B大篷车飞机改装为电力推进。


Cessna208B为一型单发涡桨多用途飞机,改装后将由514.8kW的Magni500电动机提供动力,并计划于2019年末开始飞行试验。2019年晚些时候Eviation也将与AeroTEC合作,在AeroTEC位于华盛顿州摩西湖的工厂对Alice飞机开展飞行试验。MagniX已经宣布与加拿大Harbour Air公司合作,将加拿大德哈维兰公司的DHC-2海狸水上飞机改装为电池电力推进。


类似项目还有,美国初创公司Ampaire宣布美国PAX公司将成为改装的Cessna337“天空大师”飞机的启动客户。改装的Cessna337“天空大师”飞机中,电池驱动电动机替换了飞机后部发动机。PAX公司已经订购了50架Cessna337飞机,另外还有50架备选。Ampaire目标在2021年完成对这型还称之为“Electric Eel”的6座飞机的取证工作。


法国初创公司VoltAero也选择了改型的Cessna337飞机对其Cassio混合电推进飞机开展阶段性研制工作,Cassio混合电推进飞机可以设计为4座、6座或9座。根据串联/并联混电设计,全电的Cassio将可以200节(370km)时速飞行200km,电池辅助适度混电的Cassio将可飞行200-600km,而充分利用内燃机的高度混电Cassio航程将可超过600km。


VoltAero首席执行官Jean Botti曾担任空客首席技术官一职,航展上VoltAero公司展出了验证机的“铁鸟”模型,一侧机翼上配装了一台电动机,机身后部配装了一台集成动力单元。在其最终构型中,飞机机翼上将安装两台电动拉进式螺旋桨,机身后部则将安装一台推进式螺旋桨,为其提供动力的动力单元将包括一台内燃机或热力发动机及三台电动机。


Dasher、空客和赛峰集团也在航展上宣布,计划基于改型的Dasher-Socata TBM 900单发涡桨飞机研制出一型分布式推进验证机,代号EcoPulse。将在机翼上安装6个螺旋桨替换原有的标准发动机和螺旋桨,每个螺旋桨由45kW的赛峰ENGINeUS电动机驱动。这些电动机将由电池或100kW辅助动力装置供电。空客正在为验证机研究电池技术和空气动力学模型,验证机计划2022年夏天飞行。


与NASA的X-57麦克斯韦项目类似,EcoPulse项目中也将评估分布式推进的潜在优势。赛峰集团表示,两台三叶外侧螺旋桨除了提供推力外,还将消除产生阻力的翼尖涡流,而四台五叶内侧螺旋桨在将空气吹过机翼表面时,可在低速下提供升力。这样可以减小翼展,从而降低阻力。内侧螺旋桨将由电池驱动,最终可能将设计成可折叠式,以免在巡航速度下产生阻力。验证阶段将耗资2200万欧元(2500万美元),其中50%将由法国民航局(DGAC)提供。如果Dasher决定推进产品研发项目,预计可能在2025-2030年间开展取证工作,据Lagarde介绍。