董幗雄

盡管2020年的日歷已經(jīng)翻過(guò)，但新冠肺炎疫情對(duì)全球航空業(yè)造成的影響仍在繼續(xù)。2021年伊始，發(fā)動(dòng)機(jī)制造商羅羅宣布，由于全球航空市場(chǎng)不景氣，考慮到飛機(jī)制造商暫時(shí)不會(huì)推出新機(jī)型，公司將暫停下一代超扇發(fā)動(dòng)機(jī)（UltraFan）的研發(fā)工作。

但羅羅也表示，這并不代表公司會(huì)減少對(duì)新技術(shù)的研發(fā)投入，只是將研發(fā)方向根據(jù)行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。事實(shí)上，在宣布暫緩超扇發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)之前不久，2020年11月，羅羅高調(diào)宣布加入聯(lián)合國(guó)“奔向零碳計(jì)劃”，規(guī)劃在未來(lái)10年內(nèi)通過(guò)10種技術(shù)路徑在其業(yè)務(wù)板塊實(shí)現(xiàn)凈碳零排放的目標(biāo)。由此可見(jiàn)，與綠色環(huán)保相關(guān)的技術(shù)研發(fā)工作將成為未來(lái)羅羅的優(yōu)先發(fā)展項(xiàng)。

奔向零碳計(jì)劃

作為全球?qū)掦w客機(jī)動(dòng)力市場(chǎng)的兩巨頭之一，羅羅在加入聯(lián)合國(guó)“奔向零碳計(jì)劃”后宣布，將通過(guò)開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品和新技術(shù)，在2050年全行業(yè)達(dá)到凈碳零排放中發(fā)揮主導(dǎo)作用，并提出了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的10種技術(shù)路徑。在這10種技術(shù)路徑中，有一些與航空業(yè)息息相關(guān)。

傳統(tǒng)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)方面，在剛剛宣布暫停研制的超扇發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目中，羅羅在發(fā)動(dòng)機(jī)軸上安裝了嵌入式電啟動(dòng)發(fā)電機(jī)。羅羅認(rèn)為，如果能將電啟動(dòng)發(fā)電機(jī)安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)冷端軸上的話，一個(gè)100～500kW的集成電動(dòng)機(jī)就能啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)使發(fā)動(dòng)機(jī)具備足夠的發(fā)電能力，從而為飛機(jī)系統(tǒng)供電。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，羅羅啟動(dòng)了“嵌入式電啟動(dòng)發(fā)電機(jī)計(jì)劃”。在該計(jì)劃中，羅羅將一臺(tái)嵌入式電啟動(dòng)發(fā)電機(jī)安裝在一臺(tái)阿杜爾軍用發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓軸和高壓軸上進(jìn)行試驗(yàn)。按照原計(jì)劃，羅羅后續(xù)還會(huì)發(fā)展一系列功率高達(dá)150kW的嵌入式電啟動(dòng)發(fā)電機(jī)，以滿足大型飛機(jī)的電力需求。目前，盡管UltraFan項(xiàng)目被暫時(shí)擱置，但羅羅表示，在“奔向零碳計(jì)劃”中，嵌入式電啟動(dòng)發(fā)電機(jī)的研制將會(huì)繼續(xù)進(jìn)行。

在傳統(tǒng)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)使用方面，羅羅將與高校、科研院所合作，通過(guò)電解產(chǎn)生合成燃料，即所謂的電子燃料來(lái)替代一部分傳統(tǒng)航油，同時(shí)羅羅還在評(píng)估氫在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用。

數(shù)字化技術(shù)在羅羅的綠色航空技術(shù)布局中也扮演了重要角色。在“奔向零碳計(jì)劃”中，羅羅正在試圖通過(guò)使用數(shù)字孿生技術(shù)收集大量的客戶機(jī)隊(duì)信息，從而預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)在全生命周期中的表現(xiàn)。未來(lái)，羅羅希望這項(xiàng)技術(shù)能夠幫助航空公司減少油耗。

除了運(yùn)營(yíng)環(huán)節(jié)，羅羅還希望通過(guò)數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用來(lái)實(shí)現(xiàn)綠色制造。

目前，羅羅位于英國(guó)布里斯托爾的新復(fù)合材料工廠正在使用低能耗、低排放工藝，并采用最先進(jìn)的自動(dòng)化制造技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)。同時(shí)，羅羅還在使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)。在“奔向零碳計(jì)劃”中，羅羅希望通過(guò)綠色技術(shù)和環(huán)保材料的使用，可以實(shí)現(xiàn)未來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品在全生命周期結(jié)束后，仍有98%的部件和材料可以實(shí)現(xiàn)回收利用。

混合電推進(jìn)計(jì)劃

盡管傳統(tǒng)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)在未來(lái)數(shù)十年內(nèi)仍然是主流的飛機(jī)動(dòng)力裝置，但對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)制造商來(lái)說(shuō)，想要實(shí)現(xiàn)燃油效率質(zhì)的提升已經(jīng)是一件十分困難的事情了。因此，為了滿足對(duì)飛機(jī)環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性的要求，以及為了達(dá)成國(guó)際航空研究合作項(xiàng)目設(shè)立的2050年減排目標(biāo)，無(wú)論是飛機(jī)設(shè)計(jì)方還是發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方，都必須大膽創(chuàng)新。

在此背景下，電氣化技術(shù)成為了航空業(yè)實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保目標(biāo)的重要手段。為了順應(yīng)航空領(lǐng)域電氣化的發(fā)展趨勢(shì)，羅羅專門(mén)成立了電氣部門(mén)——羅羅電氣（RRE）。在過(guò)去幾年間，羅羅圍繞混合電推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了大量的探索。

羅羅公司將航空混合電推進(jìn)系統(tǒng)的未來(lái)市場(chǎng)應(yīng)用分為四大領(lǐng)域，一是2～4座的輕型和超輕型飛機(jī)，主要用作飛行訓(xùn)練和航空運(yùn)動(dòng)飛行;二是空中出租車或eVTOL，主要用作城市空運(yùn)領(lǐng)域;三是20座及以下的支線飛機(jī)，這類飛行器也可采用垂直起降;四是20～100座的支線飛機(jī)。在這一領(lǐng)域，羅羅之前與空客聯(lián)合研制了E-Fan X飛機(jī)驗(yàn)證機(jī)項(xiàng)目，但同樣由于受到疫情的影響，這一項(xiàng)目已被暫時(shí)擱置。

具體來(lái)看，在混合電推進(jìn)方面，羅羅實(shí)施了兩個(gè)主要的項(xiàng)目。一個(gè)是基于M250發(fā)動(dòng)機(jī)的混合電推進(jìn)系統(tǒng)。2019年4月，羅羅公司完成了基于M250發(fā)動(dòng)機(jī)的混合電推進(jìn)系統(tǒng)的地面測(cè)試，這是公司邁向混合電推進(jìn)的重要一步，這次測(cè)試也是為公司將于2021年開(kāi)展的空中飛行試驗(yàn)做準(zhǔn)備。

2019年11月，羅羅公司宣布開(kāi)發(fā)基于M250混合電推進(jìn)系統(tǒng)的驗(yàn)證機(jī)。演示驗(yàn)證計(jì)劃采用APUS i-5飛機(jī)作為試驗(yàn)平臺(tái)，該飛機(jī)重量約4噸，為常規(guī)起降形式。演示驗(yàn)證計(jì)劃由羅羅主導(dǎo)，為期3年，合作伙伴包括德國(guó)航空工程公司（APUS）和勃蘭登堡理工大學(xué)（BTU）。羅羅表示，該項(xiàng)目旨在驗(yàn)證最為復(fù)雜、全面的基于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的混合電推進(jìn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和集成。

值得一提的是，基于M250發(fā)動(dòng)機(jī)的混合電推進(jìn)系統(tǒng)可以采用分布式布局，可應(yīng)用于多種起飛重量、載荷較小的飛機(jī)平臺(tái)，例如，常規(guī)起降飛行器、通用飛機(jī)、直升機(jī)以及eVTOL等。

另一個(gè)則是基于AE2100發(fā)動(dòng)機(jī)的混合電推進(jìn)系統(tǒng)，也就是羅羅與空客、西門(mén)子聯(lián)合研發(fā)的基于BAE146支線客機(jī)的E-Fan X混合電推進(jìn)技術(shù)驗(yàn)證機(jī)，旨在測(cè)試功率達(dá)2MW的串聯(lián)式混合電推進(jìn)系統(tǒng)。

在該項(xiàng)目中，羅羅利用1臺(tái)安裝在機(jī)體內(nèi)的AE2100發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)1臺(tái)2.5MW的發(fā)電機(jī)發(fā)電，帶動(dòng)1臺(tái)西門(mén)子公司的2MW電動(dòng)機(jī)。該電動(dòng)機(jī)將替代BAE146飛機(jī)的4臺(tái)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中的1臺(tái)，驅(qū)動(dòng)涵道風(fēng)扇。2020年，由于受到疫情的影響，E-Fan X項(xiàng)目被暫時(shí)擱置，但羅羅方面已明確表示，將繼續(xù)推進(jìn)E-Fan X項(xiàng)目中的一些地面和飛行測(cè)試。

全球最快的電動(dòng)飛機(jī)

盡管從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，混合電推進(jìn)技術(shù)將大有用武之地，但由于受到技術(shù)、適航等多方面的限制，短期內(nèi)很難大規(guī)模應(yīng)用于商用航空領(lǐng)域，因此羅羅在進(jìn)行相關(guān)技術(shù)研發(fā)的同時(shí)，將目光投向了通用航空領(lǐng)域。

2019年年初，羅羅公司宣布研發(fā)世界上飛行速度最快的全電動(dòng)飛機(jī)項(xiàng)目——加速飛行電氣化項(xiàng)目（ACCEL），并獲得了英國(guó)政府的資助。該項(xiàng)目旨在制造、測(cè)試并商業(yè)化應(yīng)用電動(dòng)飛機(jī)，并研發(fā)必要的技術(shù)和供應(yīng)鏈知識(shí)，為未來(lái)電氣化飛行儲(chǔ)備技術(shù)、積累經(jīng)驗(yàn)。

ACCEL飛機(jī)項(xiàng)目完全由電池供電，設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)最大飛行速度超過(guò)300英里/小時(shí)（483公里/小時(shí)）。為此，羅羅選擇與電機(jī)和控制器制造商雅莎（YASA）、初創(chuàng)公司伊航（Electroflight）以及英國(guó)宇航技術(shù)研究所（ATI）合作。其中，羅羅公司負(fù)責(zé)整體設(shè)計(jì)、可靠性驗(yàn)證;YASA公司負(fù)責(zé)電動(dòng)機(jī)和控制器的設(shè)計(jì)生產(chǎn);伊航公司負(fù)責(zé)傳動(dòng)系統(tǒng)和能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)生產(chǎn)。

ACCEL飛機(jī)項(xiàng)目利用Sharp Nemesis NXT競(jìng)速飛機(jī)作為飛行平臺(tái)。此型飛機(jī)在使用現(xiàn)有活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)的巡航速度為523公里/小時(shí)，飛機(jī)翼展為7.3米。在使用電池為動(dòng)力后，ACCEL飛機(jī)需要6000個(gè)鋰離子電池作為動(dòng)力以驅(qū)動(dòng)3臺(tái)輕型YASA750R電動(dòng)機(jī)，為螺旋槳提供372kW的功率。

羅羅表示，在這一項(xiàng)目中，公司將把研制重點(diǎn)放在電池、動(dòng)力傳動(dòng)和電機(jī)技術(shù)的研發(fā)上，并希望能夠在保證安全的基礎(chǔ)上，打破由西門(mén)子改裝的一架Extra330LE特技飛機(jī)在2017年創(chuàng)下的210英里/小時(shí)（338公里/小時(shí)）的紀(jì)錄，并實(shí)現(xiàn)超過(guò)300英里/小時(shí)的最高時(shí)速，成為全球飛行速度最快的全電動(dòng)飛機(jī)。

目前，一個(gè)約20人的團(tuán)隊(duì)正在位于英國(guó)格洛斯特郡機(jī)場(chǎng)的伊航公司工廠進(jìn)行相關(guān)研發(fā)工作。2020年9月，羅羅宣布完成了ACCEL高速電動(dòng)飛機(jī)驗(yàn)證機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)地面臺(tái)架測(cè)試。在此之前，該機(jī)所有核心系統(tǒng)已在地面測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試，其中包括500馬力的電機(jī)動(dòng)力總成測(cè)試。在地面試驗(yàn)中，由于ACCEL是全電飛機(jī)，羅羅還將用于試驗(yàn)的鐵鳥(niǎo)測(cè)試平臺(tái)命名為“離子鳥(niǎo)”（Ion Bird），以區(qū)別于傳統(tǒng)的鐵鳥(niǎo)平臺(tái)。

從技術(shù)實(shí)現(xiàn)的角度來(lái)看，ACCEL項(xiàng)目要取得成功需要突破幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。首先，要突破高功率、高能量電池設(shè)計(jì)技術(shù)。目前，ACCEL項(xiàng)目的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)希望電推進(jìn)系統(tǒng)的質(zhì)量與NXT發(fā)動(dòng)機(jī)和燃油系統(tǒng)的質(zhì)量相同，這樣就不需要因調(diào)整起飛重量而對(duì)飛機(jī)重新進(jìn)行認(rèn)證。從目前的試驗(yàn)進(jìn)展來(lái)看，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)對(duì)次級(jí)電池系統(tǒng)的早期測(cè)試結(jié)果與預(yù)期相符，目前正在擴(kuò)大電池容量，并進(jìn)行相關(guān)的測(cè)試。最終，ACCEL項(xiàng)目的目標(biāo)是通過(guò)使用高密度鋰電池組來(lái)提供750kW的功率。

既需要高功率，也需要高能量，這是電池設(shè)計(jì)中面臨的挑戰(zhàn)之一，而這也正是航空業(yè)的需求。這些電池為YASA開(kāi)發(fā)的3個(gè)輕型電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，飛機(jī)螺旋槳與3個(gè)輕型電動(dòng)機(jī)同軸安裝，這是首次在航空領(lǐng)域采用這種方法，同時(shí)也是羅羅研發(fā)的電機(jī)所具備的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

在ACCEL項(xiàng)目中，羅羅還專門(mén)設(shè)計(jì)了一個(gè)航空電子系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)電池健康狀況并及時(shí)向飛行員報(bào)告。一般而言，在20～30年的使用壽命中，電動(dòng)飛機(jī)可能需要更換幾次電池。羅羅開(kāi)發(fā)的這套系統(tǒng)每秒可以監(jiān)測(cè)2萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，以測(cè)量電池電壓、溫度和動(dòng)力系統(tǒng)的整體健康情況。

此外，在ACCEL項(xiàng)目中，電池還將采用定制的液體冷卻系統(tǒng)進(jìn)行冷卻。為了保證飛機(jī)在設(shè)定航線上均保持較高的飛行速度，羅羅還需要研究如何對(duì)電池進(jìn)行冷卻。降溫冷卻是電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵創(chuàng)新之一。采用定制的液體冷卻系統(tǒng)使電池在整個(gè)飛行期間能夠保持在40度左右的最佳工作溫度。

從羅羅的戰(zhàn)略布局中不難看出，如今航空業(yè)正彌漫著一種“電動(dòng)飛行”的焦慮，企業(yè)都急切地想要突破電動(dòng)技術(shù)并使之商業(yè)化。這一方面是由于人們對(duì)于電氣化飛行高效經(jīng)濟(jì)、環(huán)保低噪的認(rèn)知日益深刻，另一方面則源自特斯拉引領(lǐng)汽車行業(yè)開(kāi)啟的革命性變化所帶來(lái)的沖擊。但由于航空業(yè)的高門(mén)檻，在未來(lái)的電氣化飛行中，傳統(tǒng)的飛機(jī)制造商和發(fā)動(dòng)機(jī)制造商的主導(dǎo)優(yōu)勢(shì)將依然存在。因此，對(duì)于他們來(lái)說(shuō)，誰(shuí)能夠搶占先機(jī)，或許意味著將繼續(xù)鞏固各自的行業(yè)壟斷地位。因此，未來(lái)羅羅的綠色航空布局值得期待。