據(jù)aviationweek網(wǎng)站2019年3月28日刊文，與全球諸多航空發(fā)動機制造商一樣，羅羅公司也正處在軍、民用航空領域的新興電力革命浪潮之中。隨著在新型推進技術(shù)的多個并行領域開展嘗試，該公司21世紀電動飛機戰(zhàn)略發(fā)展計劃的關(guān)鍵細節(jié)逐漸顯現(xiàn)。羅羅公司在新型推進技術(shù)領域的嘗試主要包括如下3個方向：針對近期多電飛機需求的嵌入式起動/發(fā)電機測試；旨在打造世界上最強勁的飛機發(fā)電機E-Fan X計劃；推動電動技術(shù)發(fā)展的ACCEL、eVTOL和Volante項目。
一、把握電氣化發(fā)展機遇，立足燃氣輪機優(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，專門負責監(jiān)管電氣化相關(guān)的新工業(yè)戰(zhàn)略，以應對航空領域電氣化這一“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)(預計到2040年將有多達10億輛電動汽車運行)推動了電動相關(guān)技術(shù)發(fā)展，提高了電機、電力電子設備和能量存儲系統(tǒng)的功率密度，“相關(guān)技術(shù)在航空領域的應用即將實現(xiàn)，我們意識到了這一現(xiàn)實。”波克森表示，羅羅公司的電動戰(zhàn)略將基于在燃氣輪機技術(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，我們預計公司的大部分核心能力仍然集中在燃氣輪機領域，這也是我們繼續(xù)發(fā)展現(xiàn)有能力的原因。”
隨著燃氣輪機的不斷優(yōu)化以及未來飛機發(fā)動機與機身更緊密的集成，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)鍵領域之一。其一是電氣化領域內(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)動機領域，我們即將達到技術(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。”波克森表示，為了達成國際航空研究合作項目(ICARe，歐盟在H2020框架內(nèi)設立的多國航空合作平臺項目)設立的2050年減排量目標，“無論是飛機設計還是發(fā)動機設計都必須徹底改變，電氣化將成為實現(xiàn)這一目標的促成技術(shù)。”
隨著羅羅公司對電氣化領域的日益關(guān)注，該公司在維持其現(xiàn)有能力的同時，開始關(guān)注永磁推進器等電氣產(chǎn)品領域，在最近對商業(yè)、海運等業(yè)務的剝離過程中，相關(guān)電氣化部分也得以保留。“最值得注意的一點是，羅羅公司在挪威特隆赫姆設有一個名為智能電機(SmartMotor)的設計集團，在向康斯伯格公司的業(yè)務出售過程中，羅羅公司將該集團保留下來，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，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，電推進的初始應用更有可能在較小規(guī)模下實現(xiàn)。奧爾表示，“在有效載荷、速度和航程較大的應用場景，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。”
羅羅公司認為未來的單通道客機的電池化學成分可能與當前完全不同，未來將需要更高的電壓以提供高達數(shù)十兆瓦的功率。波音787是世界上首架多電飛機，其儲能元件的能量密度達到150 Wh/kg，電力電子設備功率密度為5kW/kg，2臺發(fā)電機的功率密度為3kW/kg。但2030年代的小型混合電動客機的能量密度需求高達1,000 Wh/kg，電力電子設備的功率密度需要4倍于787技術(shù)水平，發(fā)電機功率密度需要20kW/kg。
二、在多電飛機和電推進飛機方面已開展多項工作
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，其一是漸進發(fā)展式，例如多電飛機技術(shù)；其二是顛覆性的革命方式，如電推進技術(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)推進多電技術(shù)提升——針對近期多電飛機需求的嵌入式起動/發(fā)電機的研究
羅羅公司在位于英國布里斯托的工廠正在開展E2SG項目，該項目在阿杜爾軍用發(fā)動機上裝載了嵌入式電動起動發(fā)電機并開展測試。“我們從智能電動機團隊獲得了從高壓(HP)軸和低壓(LP)軸獲取動力的經(jīng)驗，本項目是一種雙軸電力輸出電氣系統(tǒng)，”羅羅公司電氣的團隊負責人埃迪奧爾(Eddie Orr)表示。“這一設計非常成功，同時將電氣、機械、熱管理和海洋等領域的工程師匯聚到一起。”
這項工作建立在2017年的研究基礎上，此前的工作中，發(fā)動機起動后通過嵌入式高壓軸起動發(fā)電機切換到發(fā)電模式。“今年我們將把發(fā)電機與低壓軸連接，”奧爾說。“我們繼續(xù)使用高壓軸起動發(fā)電機，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)動機進行集成。”進一步測試計劃于今年開展。
嵌入式電動起動/發(fā)電機在阿杜爾發(fā)動機上進行測試，促進了多電飛機技術(shù)發(fā)展。
上述E2SG的工作正在被納入英國“暴風(Tempest)”第五代戰(zhàn)斗機項目。“該技術(shù)也可用于大型民用發(fā)動機，團隊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、在大飛機上開展電氣化關(guān)鍵部件技術(shù)驗證——為空客E-Fan X驗證機打造世界上最強勁的飛機發(fā)電機
羅羅公司與空客、西門子共同開發(fā)了E-Fan X演示驗證機，用于評估支線客機的混合電推進可行性。波克森表示，羅羅公司將提供2.5兆瓦發(fā)電機與電力電子設備，安裝于1臺AE2100渦槳發(fā)動機上。該發(fā)動機將裝載在深度改裝的BAe 146/Avro RJ飛機上進行飛行測試，如果測試成功，則該發(fā)動機發(fā)電機會成為“世界上最強勁的飛機發(fā)電機”。
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驗證機，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，其中1臺會被電動機系統(tǒng)替換。該電動機系統(tǒng)配有碳化硅電力模塊和永磁材料，為電機提供3000V交流電以驅(qū)動風扇轉(zhuǎn)動。風扇來自于1臺AE3007發(fā)動機(羅羅公司上世紀90年代推出的大涵道比700公斤級渦扇發(fā)動機)。雖然E-Fan X飛機的推進裝置是燃氣輪機與電機的組合，因而屬于并聯(lián)式混合動力，但該實驗的主要目的是通過該電動機系統(tǒng)評估串聯(lián)混合動力的可行性，在該模式下推進裝置是電動的，具有額外的儲能裝置。
奧爾表示發(fā)電機是一項綜合性的工作。“位于德比的電氣設計團隊正在與挪威羅羅公司電氣團隊合作，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行的，但“有些方面獨立于該計劃”。在E-Fan X項目中，羅羅公司提供動力裝置、發(fā)電機和風扇，空客公司提供儲能和各系統(tǒng)的組合方案，西門子提供電機驅(qū)動器。
奧爾強調(diào)，E-Fan X預計將在2020年末推出，但電推進飛機的最終構(gòu)型與E-Fan X不同。“電推進飛機的概念可能發(fā)展為串聯(lián)混合電推進，或邊界層吸入設計。目前開展的工作是展示大型高壓電機在高空工作的能力。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置于大學中研究網(wǎng)絡，特別是在曼徹斯特，該研究網(wǎng)絡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，因為兩者都有機會產(chǎn)生電暈效應，”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)部放電電弧導致的電纜擊穿。還必須考慮機器和終端內(nèi)線圈的絕緣兼容性。因為這一領域尚屬空白，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制，但“團隊解決問題的過程是我們行業(yè)競爭力的體現(xiàn)”。
3、在小型通用飛機上開展電動飛機概念驗證——推動電動技術(shù)發(fā)展的ACCEL、eVTOL和Volante項目
在全電推進領域，羅羅公司和合作伙伴YASA領導了一項由英國政府支持的研究項目“加速飛行電氣化(ACCEL)”，以探索在演示飛機中使用高功率電氣系統(tǒng)。“這一項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，相關(guān)技術(shù)可用于電動垂直起降和支線運輸。羅羅公司計劃通過該機創(chuàng)造新的飛行速度記錄。
不到20名工程師和1名項目經(jīng)理致力于這一全電推進飛機項目，計劃在36個月內(nèi)、使用有限的預算，完成從概念到飛行的全過程。“我們在項目中輪換工程師，目的在于促進電力供應鏈并提供電氣系統(tǒng)能力獲取的獨立途徑。我們專注于儲能和高功率密度電機技術(shù)。”這項電池驅(qū)動的運動飛機項目的飛行測試預計在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，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(Indianapolis)基于M250渦軸發(fā)動機開發(fā)了混合動力系統(tǒng)，正在進行地面測試。
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套混合動力推進系統(tǒng)并演示了3種運行模式-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備飛行的解決方案。這一項目覆蓋了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。
為了研究電推進的技術(shù)可行性和發(fā)展挑戰(zhàn)，羅羅公司設計了自己的電動垂直起降飛機。“這是羅羅公司第一次提出飛機層面的概念，概念的提出是基于M250混合動力推進系統(tǒng)。”波克森表示。這款5座串聯(lián)式混合電動飛機采用了螺旋槳和傾斜機翼設計，吸收了鷂式戰(zhàn)斗機的垂直/短距起降技術(shù)的相關(guān)經(jīng)驗，鷂式戰(zhàn)斗機的發(fā)動機“飛馬”由布里斯托爾航空發(fā)動機公司設計，該公司于上世紀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，飛機的升力螺旋槳將折疊，由機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。”全尺寸飛機計劃也將與現(xiàn)有的飛機制造商和其他航空航天公司合作完成。“如果新的電動飛機市場出現(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。該飛機被稱為Volante Vision概念機，動力系統(tǒng)基于M250發(fā)動機，初步計劃于20世紀20年代中期投放市場。
奧爾表示：“Volante目前只是一個概念，但假設解決了所有的整合挑戰(zhàn)，我們相信它可以飛行。該設計具有合適的功率和儲能水平，因此功率重量比良好。由于主推進系統(tǒng)不是全電動的，因此在適航認證等方面存在挑戰(zhàn)。但作為工業(yè)界的一員，我們正在與監(jiān)管機構(gòu)和認證機構(gòu)合作以克服這些障礙。”
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