李開省

（航空工業(yè)中航機(jī)載系統(tǒng)有限公司，北京100028）

0 引言

隨著電力電子技術(shù)、電機(jī)技術(shù)和電池技術(shù)的快速進(jìn)步和技術(shù)突破，飛機(jī)電力系統(tǒng)在飛機(jī)上地位越來越重要。飛機(jī)電力系統(tǒng)的技術(shù)研究已經(jīng)成為新一代新能源飛機(jī)的核心和關(guān)鍵，是解決飛機(jī)污染排放和提高飛機(jī)能源效率的重要途徑［1-3］。

本文通過對飛機(jī)電力系統(tǒng)的分析研究，結(jié)合國外航空電力系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展，提出航空業(yè)新一代飛機(jī)電力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展思路，創(chuàng)新性地開展飛機(jī)電力系統(tǒng)的新技術(shù)研究，拓展飛機(jī)新技術(shù)產(chǎn)生的新市場領(lǐng)域，指出電動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展思路，以期為航空工業(yè)的發(fā)展進(jìn)步提供參考。

1 飛機(jī)電力系統(tǒng)地位和作用

飛機(jī)電力系統(tǒng)是包含電能的生成、傳輸、分配、存儲(chǔ)和使用的一個(gè)獨(dú)立電網(wǎng)絡(luò)。在這個(gè)獨(dú)立電網(wǎng)中由電能產(chǎn)生的發(fā)電機(jī)、電能傳輸?shù)妮旊婋娎|、電能分配的配電系統(tǒng)和電力電子變換設(shè)備、電能存儲(chǔ)的電池系統(tǒng)和飛機(jī)上靠電能作動(dòng)的各種執(zhí)行部件以及對這些部件運(yùn)行進(jìn)行控制的控制器等構(gòu)成［3］。飛機(jī)電力系統(tǒng)的用電設(shè)備主要有航空電子系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、環(huán)境控制系統(tǒng)、防除冰系統(tǒng)、起降系統(tǒng)、通信系統(tǒng)（內(nèi)部和外部）、飛機(jī)照明以及飛機(jī)其他用電的關(guān)鍵功能元件等。所有這些系統(tǒng)和部件都具有可靠性高、體積小和重量輕的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的高效率工作。隨著飛機(jī)上更多系統(tǒng)逐步實(shí)現(xiàn)電氣化替代，飛機(jī)的總體效率進(jìn)一步提高，污染排放進(jìn)一步減少，飛機(jī)電力系統(tǒng)的地位和作用越來越重要［4-5］。未來，飛機(jī)電能源系統(tǒng)也會(huì)成為飛機(jī)一次能源推進(jìn)動(dòng)力的核心，因此極大推動(dòng)飛機(jī)的技術(shù)進(jìn)步。

傳統(tǒng)的飛機(jī)系統(tǒng)示意圖如圖1所示，可以看出：傳統(tǒng)飛機(jī)平臺電力系統(tǒng)的需求較少，目前國內(nèi)飛機(jī)電力系統(tǒng)可以滿足飛機(jī)用電需求。為了滿足飛機(jī)發(fā)展的需求和新技術(shù)的應(yīng)用，提升飛機(jī)電力系統(tǒng)競爭力，飛機(jī)電力系統(tǒng)技術(shù)需要不斷的進(jìn)步，以降低電力系統(tǒng)產(chǎn)品體積和成本，提高飛機(jī)電力系統(tǒng)產(chǎn)品的效率和功率密度，提升未來飛機(jī)電力系統(tǒng)功率需求。

圖1 傳統(tǒng)的飛機(jī)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of tradition aircraft system

未來飛機(jī)電力系統(tǒng)功率需求的趨勢如圖2所示。

圖2 飛機(jī)電力系統(tǒng)功率需求圖Fig.2 Schematic of power requirement of aircraft power system

2 飛機(jī)電力系統(tǒng)構(gòu)成

飛機(jī)電力系統(tǒng)是由飛機(jī)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備、飛機(jī)電力分配和電力變換系統(tǒng)設(shè)備、飛機(jī)用電系統(tǒng)設(shè)備，以及把電能從發(fā)電機(jī)傳輸?shù)诫娏Ψ峙湎到y(tǒng)和電力變換設(shè)備，再通過電力分配和電力變換設(shè)備傳輸?shù)斤w機(jī)航空用電設(shè)備的傳輸電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，飛機(jī)的電力系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立的電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有一切獨(dú)立電網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)。

飛機(jī)獨(dú)立電網(wǎng)絡(luò)的方框圖如圖3所示。

圖3 飛機(jī)獨(dú)立電網(wǎng)絡(luò)方框圖Fig.3 Diagram of aircraft independent power network

飛機(jī)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備的作用是將航空發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成飛機(jī)需求的電能；飛機(jī)電力分配和電力變換系統(tǒng)設(shè)備是將飛機(jī)發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能進(jìn)行電力分配、變換、余度、容錯(cuò)和不間斷等供電方式進(jìn)行合理配置，通過傳輸電網(wǎng)提供給飛機(jī)的用電系統(tǒng)設(shè)備；飛機(jī)的用電系統(tǒng)設(shè)備具有飛機(jī)上的各種操縱控制功能、生命保障功能和飛機(jī)實(shí)現(xiàn)任務(wù)系統(tǒng)功能，例如飛機(jī)的各種馬達(dá)、控制、照明、武器發(fā)射、加熱、探測等設(shè)備。

2.1 飛機(jī)電力系統(tǒng)特點(diǎn)

飛機(jī)電力系統(tǒng)傳輸距離短，發(fā)電、電力分配和變換及用電設(shè)備都集中在航空器中，核心是電力系統(tǒng)的系統(tǒng)化和集成化。

（1）飛機(jī)電力系統(tǒng)設(shè)備體積小，重量輕，可靠性高。

（2）飛機(jī)電力系統(tǒng)設(shè)備比地面設(shè)備耐更嚴(yán)酷的自然條件。

（3）飛機(jī)電力系統(tǒng)設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、冷卻介質(zhì)等都比地面電力系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜，對所用設(shè)備和材料提出了更高的要求。

（4）飛機(jī)電力系統(tǒng)設(shè)備是發(fā)電、電力分配和變換、儲(chǔ)存、驅(qū)動(dòng)、用電、控制和通信等為一體的現(xiàn)代高科技系統(tǒng)。

2.2 飛機(jī)電力系統(tǒng)技術(shù)構(gòu)成和框架

飛機(jī)電力系統(tǒng)的技術(shù)分布如圖4所示，由四部分組成。

（1）發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)：隨著電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)發(fā)展，發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)逐步擴(kuò)展到電機(jī)技術(shù)，不僅僅是發(fā)電技術(shù)，而且未來隨著電推進(jìn)技術(shù)發(fā)展，電動(dòng)機(jī)技術(shù)更為重要，將電推進(jìn)和發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)結(jié)合起來，其核心是電機(jī)技術(shù)［6-7］，既包含電動(dòng)機(jī)又包含發(fā)電機(jī)。

（2）電力分配和變換技術(shù)：包含電能的分配和變換，其技術(shù)主線核心就是電力電子技術(shù)［8-10］。

（3）系統(tǒng)集成架構(gòu)和熱管理技術(shù)：包含電力系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、集成與熱管理技術(shù)，其技術(shù)主線核心就是系統(tǒng)架構(gòu)和電網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［11］。

（4）能量儲(chǔ)存技術(shù)：主要是電池技術(shù)，也就是電池里面存儲(chǔ)的能量密度，其核心就是能量存儲(chǔ)技術(shù)［12］。

圖4 飛機(jī)電力系統(tǒng)技術(shù)分布圖Fig.4 Distribution of aircraft power system technology

將電力系統(tǒng)的四個(gè)部分用核心技術(shù)來表達(dá)就是電機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)、架構(gòu)和電網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、能量存儲(chǔ)技術(shù)。

3 飛機(jī)的能源逐步實(shí)現(xiàn)電氣化

在航空業(yè)過去的幾十年發(fā)展中，民用航空業(yè)發(fā)展使國際社會(huì)發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)了民用航空經(jīng)濟(jì)高效和安全舒適的全球運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)鏈。由于航空新技術(shù)的不斷進(jìn)步和市場需求的根本推動(dòng)，航空固定翼飛機(jī)和旋翼飛機(jī)經(jīng)過幾代航空人艱苦卓絕的努力，使民用航空運(yùn)輸業(yè)保持了持續(xù)的增長，近年來民用航空運(yùn)輸?shù)目瓦\(yùn)量更是以4.5%的復(fù)合年增長率在增長，預(yù)計(jì)未來民用航空業(yè)會(huì)以同樣的增長率快速前進(jìn)［13］。

民用航空運(yùn)輸業(yè)的持續(xù)增長必然會(huì)帶來越來越嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，除非航空業(yè)采取新的技術(shù)措施，否則世界航空業(yè)制定的減排目標(biāo)，將會(huì)使民用航空業(yè)的增長率受到限制。民用飛機(jī)的大量應(yīng)用會(huì)影響世界的整個(gè)環(huán)境氣候（通過CO2排放）、當(dāng)?shù)氐目諝赓|(zhì)量（NOx，未燃燒的碳?xì)浠衔锖皖w粒物排放），并且產(chǎn)生大量的噪聲。民用航空業(yè)正在大力進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新的投入，以突破航空業(yè)在上述方面所面臨的問題，降低民用航空業(yè)對整個(gè)世界環(huán)境造成的影響。

減少航空業(yè)的污染排放，降低對世界環(huán)境造成的影響，在飛機(jī)中增加電能使用是非常具有吸引力的措施，由于電能為飛機(jī)優(yōu)化提供了新的機(jī)會(huì)，可以大幅度減少飛機(jī)對環(huán)境的影響。這些措施包括提高電力系統(tǒng)效率、減少電力系統(tǒng)的重量和體積，同時(shí)增加系統(tǒng)功能。隨著飛機(jī)系統(tǒng)的多電化和飛機(jī)級設(shè)計(jì)的優(yōu)化，將使飛機(jī)的可靠性和可維護(hù)性大幅提高，飛機(jī)的總成本大幅降低，并且可以進(jìn)一步提高飛機(jī)的安全性。

在顛覆性的飛機(jī)概念創(chuàng)新設(shè)計(jì)中，飛機(jī)的電能將被用于提供飛機(jī)推進(jìn)的推力。這就是新能源電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)將會(huì)極大地改變現(xiàn)有的飛機(jī)供應(yīng)鏈，并促進(jìn)許多新技術(shù)產(chǎn)品進(jìn)入新市場的機(jī)會(huì)。不采用這項(xiàng)新的顛覆性的創(chuàng)新技術(shù)，將不可能實(shí)現(xiàn)世界航空業(yè)和歐洲委員會(huì)2050年的環(huán)境目標(biāo)。用于新飛機(jī)的顛覆性創(chuàng)新技術(shù)包括混合動(dòng)力和電力推進(jìn)技術(shù)［14-15］。飛機(jī)電力系統(tǒng)中創(chuàng)新技術(shù)（例如高壓、兆瓦級的獨(dú)立電網(wǎng)系統(tǒng)）的問世，被廣泛認(rèn)為有可能在未來推出具有先進(jìn)混合動(dòng)力或電力推進(jìn)技術(shù)的新型飛機(jī)平臺上應(yīng)用。此外，使用電力推進(jìn)系統(tǒng)的推力產(chǎn)生技術(shù)可以為飛機(jī)能量存儲(chǔ)、能量轉(zhuǎn)換和推進(jìn)系統(tǒng)推力的分配提供更高的靈活性，從而實(shí)現(xiàn)飛機(jī)整體性能的最優(yōu)，使飛機(jī)具有更高的燃油效率和更低的運(yùn)行噪聲。

從飛機(jī)能量優(yōu)化利用的角度出發(fā)，飛機(jī)的電力系統(tǒng)的發(fā)展分為兩種技術(shù)趨勢：一是飛機(jī)的二次能源系統(tǒng)向著多電、全電化的趨勢發(fā)展（即多電、全電飛機(jī)技術(shù)）；二是飛機(jī)一次能源逐步從傳統(tǒng)能源形式發(fā)展到混合動(dòng)力能源再到電能源的趨勢發(fā)展。飛機(jī)二次能源的多電化，對常規(guī)液壓、氣壓、機(jī)械能源的需求量逐步減少，飛機(jī)二次能源朝著更多電能方向邁進(jìn)。飛機(jī)一次能源從混合動(dòng)力到電力推進(jìn)的顛覆性技術(shù)的方向發(fā)展（即電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)），使得飛機(jī)電力系統(tǒng)從傳統(tǒng)飛機(jī)的二次能源朝著飛機(jī)一次能源轉(zhuǎn)變，電能源的發(fā)展方向發(fā)生了根本性的轉(zhuǎn)變。這種轉(zhuǎn)變使飛機(jī)電能源的功率量級發(fā)生數(shù)量級的變化，將迫切需要研究具有高功率密度和小體積重量的大功率電機(jī)、高效的高能量密度電能存儲(chǔ)技術(shù)等［12，16］。這些技術(shù)是未來解決航空業(yè)環(huán)境問題的關(guān)鍵推動(dòng)力。

飛機(jī)電力系統(tǒng)的這兩種發(fā)展趨勢，創(chuàng)造出飛機(jī)新的市場需求，顯著提高了現(xiàn)有飛機(jī)整體效率。這些新市場需求包括電動(dòng)航空的城市航空運(yùn)輸和低排放或零排放的區(qū)域航空運(yùn)輸，為了適應(yīng)新市場的這種變化，城市需要建設(shè)許多小型機(jī)場，開發(fā)更多的區(qū)域中型電動(dòng)和混動(dòng)飛機(jī)，以提高飛機(jī)的燃油效率、減少對環(huán)境造成的影響。

通過研究未來飛機(jī)平臺（傳統(tǒng)的和顛覆性的）對電力系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展需求，考慮國際航空業(yè)的市場發(fā)展，對應(yīng)飛機(jī)電力系統(tǒng)兩種發(fā)展趨勢，開展了目前交付的飛機(jī)和未來架構(gòu)飛機(jī)所需的電力系統(tǒng)技術(shù)評估，梳理出一些急需解決的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)，為我國航空工業(yè)飛機(jī)電力系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展找出明確的方向。

4 多電飛機(jī)技術(shù)

飛機(jī)二次能源系統(tǒng)（液壓、氣壓、機(jī)械）逐步實(shí)現(xiàn)用電能來替代，是飛機(jī)電力系統(tǒng)逐步向多電、全電飛機(jī)技術(shù)發(fā)展的第一步，具體方案如圖5所示。

圖5 多電、全電飛機(jī)的方案圖Fig.5 Diagram of more-electric and all-electric aircraft

多電飛機(jī)技術(shù)利用飛機(jī)的電力系統(tǒng)和機(jī)電系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展優(yōu)勢，通過減小飛機(jī)系統(tǒng)的尺寸、重量和功耗來提高系統(tǒng)的運(yùn)營效率。這項(xiàng)技術(shù)通過更高效、更輕便的電力系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的飛機(jī)氣動(dòng)和液壓系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)飛機(jī)系統(tǒng)的高效，減少飛機(jī)的污染排放和更為簡化的飛機(jī)整體架構(gòu)［1，3］，提高了飛機(jī)的可靠性和健康管理性能，降低了飛機(jī)維護(hù)成本，簡化了飛機(jī)維護(hù)流程。

多電飛機(jī)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）提高了飛機(jī)電力系統(tǒng)效率；

（2）減小了飛機(jī)系統(tǒng)的重量和體積；

（3）提高了飛機(jī)可靠性；

（4）改善了飛機(jī)可維護(hù)性；

（5）增加了新功能，對系統(tǒng)級進(jìn)行優(yōu)化；

（6）降低了飛機(jī)成本，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

由于多電飛機(jī)技術(shù)有上述優(yōu)點(diǎn)，使得飛機(jī)有更低的燃油消耗、更少的排放和更低的總成本。為此，需要飛機(jī)電力系統(tǒng)技術(shù)從飛機(jī)的頂層系統(tǒng)設(shè)計(jì)和綜合集成等方面來綜合考慮。多電飛機(jī)技術(shù)系統(tǒng)框圖如圖6所示，這些系統(tǒng)被分配到四個(gè)特定的飛機(jī)電力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域。按飛機(jī)電力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展中所強(qiáng)調(diào)的那樣，這些技術(shù)需要在特定主題上進(jìn)行大量投資，以開發(fā)出更多的多電、電動(dòng)飛機(jī)。

圖6 多電飛機(jī)技術(shù)方框圖Fig.6 Diagram of more power aircraft technology

在最新的多電飛機(jī)技術(shù)上，除了飛機(jī)的推進(jìn)系統(tǒng)外，飛機(jī)系統(tǒng)大多將采用電能來驅(qū)動(dòng)，飛機(jī)還具有電能存儲(chǔ)功能。這一概念可使飛機(jī)上的能源系統(tǒng)使用進(jìn)行重新平衡，并在飛機(jī)不同的飛行階段進(jìn)行優(yōu)化，從而可以充分利用多電飛機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢。當(dāng)前的多電飛機(jī)技術(shù)主要包含電力駕駛艙、電力環(huán)境、電力作動(dòng)、電力剎車、電力防除冰系統(tǒng)以及各種電力的輔助設(shè)備控制。例如在波音787飛機(jī)上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)/發(fā)電功能，極大減輕了飛機(jī)的重量，提高了飛機(jī)的效率［12］。因此多電飛機(jī)的電力系統(tǒng)集成是其關(guān)鍵成果之一。飛機(jī)的液壓系統(tǒng)用電力系統(tǒng)替代更具有挑戰(zhàn)性，目前應(yīng)用較多的是分布式電動(dòng)液壓系統(tǒng)，以取代笨重、不可靠的集中式液壓系統(tǒng)（其中部分已經(jīng)在空客A380和波音B787飛機(jī)上實(shí)現(xiàn)）［3］。多電飛機(jī)技術(shù)改進(jìn)升級、現(xiàn)有飛機(jī)傳統(tǒng)系統(tǒng)的技術(shù)挑戰(zhàn)如圖7所示，其中電機(jī)、功率電子變換器和電力分配系統(tǒng)功率密度的提高將是多電飛機(jī)技術(shù)在飛機(jī)上推廣應(yīng)用的關(guān)鍵推動(dòng)力。多電飛機(jī)技術(shù)也將改進(jìn)旋翼飛機(jī)，其中電力尾旋翼、更輕的電力作動(dòng)器等附件的技術(shù)進(jìn)步是旋翼飛機(jī)實(shí)現(xiàn)多電技術(shù)的關(guān)鍵。

圖7 飛機(jī)電氣化的應(yīng)用情況Fig.7 Application conditions of aircraft electricity

5 飛機(jī)混合動(dòng)力和電力推進(jìn)系統(tǒng)

飛機(jī)混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)正在開展大規(guī)模的研究［2，6］，準(zhǔn)備應(yīng)用于未來的大型商用飛機(jī)上。飛機(jī)的混合動(dòng)力將燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電系統(tǒng)和電能存儲(chǔ)系統(tǒng)結(jié)合在一起，共同推進(jìn)飛機(jī)的渦輪風(fēng)扇或螺旋槳。飛機(jī)的電力推進(jìn)系統(tǒng)是飛機(jī)推進(jìn)完全依賴于電力的推進(jìn)系統(tǒng)，而該推進(jìn)的電力是由燃料電池、鋰離子電池和超級電容器系統(tǒng)中存儲(chǔ)的電能產(chǎn)生［5，12，17］。

飛機(jī)的混合動(dòng)力系統(tǒng)可分為并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)和串聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)［14］，并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)利用電池或燃料電池存儲(chǔ)的電能為電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)一起產(chǎn)生飛機(jī)的推進(jìn)推力，電動(dòng)機(jī)是輔助推力用來補(bǔ)充或替代使用常規(guī)燃料的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的不足。飛機(jī)額外的電能可以用于在飛機(jī)加速或者在飛機(jī)高功率需求時(shí)的推力補(bǔ)充，也可以在飛機(jī)的電機(jī)和電池之間實(shí)現(xiàn)雙向功率傳遞。

電動(dòng)輔助功能包括在燃?xì)鉁u輪機(jī)殼體內(nèi)合并電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)，以形成飛機(jī)的輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)，從而最大程度地減少飛機(jī)對發(fā)動(dòng)機(jī)及其他機(jī)械零件的改動(dòng)［14］。這個(gè)方案使得發(fā)動(dòng)機(jī)成為減少CO2排放的有前途且經(jīng)濟(jì)實(shí)用的短期解決方案，并且可能在小型支線飛機(jī)和大型客機(jī)的開發(fā)計(jì)劃中投入使用。

并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)允許在發(fā)動(dòng)機(jī)和電力系統(tǒng)中進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)行和優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)系統(tǒng)之間功率共享的獨(dú)立設(shè)計(jì)。由于混合動(dòng)力系統(tǒng)有兩套推進(jìn)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，限制了飛機(jī)的整體設(shè)計(jì)，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)安裝位置由推進(jìn)器來確定，并且在某些飛行區(qū)域中發(fā)動(dòng)機(jī)可能未在其最佳設(shè)計(jì)條件下運(yùn)行?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)是提高電機(jī)、電力電子設(shè)備的效率，電能存儲(chǔ)的能量密度以及電力系統(tǒng)的保護(hù)和容錯(cuò)能力。并聯(lián)混合動(dòng)力方框圖如圖8所示。

圖8 并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)原理框圖Fig.8 Diagram of parallel hybrid power system

在串聯(lián)混合動(dòng)力推進(jìn)配置中，渦輪軸或渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的能量通過驅(qū)動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能。電能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)風(fēng)扇產(chǎn)生推力，這種推力可以由一個(gè)或多個(gè)分布式風(fēng)扇提供，而每個(gè)風(fēng)扇都由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)僅用于發(fā)電，其直接用于為傳遞推進(jìn)力的電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，或者為飛機(jī)的電能存儲(chǔ)系統(tǒng)（如果基于電池）充電。當(dāng)飛機(jī)需要峰值推進(jìn)功率時(shí)，或者當(dāng)不需要發(fā)動(dòng)機(jī)工作的時(shí)候，電能將從能量存儲(chǔ)系統(tǒng)中直接輸送出來。串聯(lián)混合動(dòng)力允許在系統(tǒng)級別對飛機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，并以較低的總重量實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的高效運(yùn)行，如圖9所示。

圖9 串聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)原理框圖Fig.9 Diagram of cascade hybrid power system

串聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)使發(fā)動(dòng)機(jī)在其最佳狀態(tài)和更高效率的情況下運(yùn)行，能夠優(yōu)化飛機(jī)分布式推進(jìn)系統(tǒng)。但是，從總體上來看，串聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)重量更重，整體效率相對于并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)要低。

每種混合動(dòng)力系統(tǒng)的解決方案都可以應(yīng)用于所考慮的三種情況，在每種情況下上述方案都有不同的優(yōu)勢和局限性。實(shí)際應(yīng)用哪種解決方案完全取決于飛機(jī)執(zhí)行任務(wù)情況。

高效的電能存儲(chǔ)技術(shù)是飛機(jī)電力推進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)鍵，而電力電子技術(shù)也非常重要，由于電力電子設(shè)備需要非常高的效率、低熱損耗和良好的冷卻。

當(dāng)飛機(jī)的推動(dòng)力用電力推進(jìn)系統(tǒng)的推力取代了發(fā)動(dòng)機(jī)推力，飛機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)無排放飛行，這在人口密度高的地區(qū)（例如城市）具有很大吸引力。但是，目前由于受到電池能量存儲(chǔ)密度的限制，電力推進(jìn)的電動(dòng)飛機(jī)僅在小型飛機(jī)或城市區(qū)域有限的空間內(nèi)飛行，還不能在中距離和較遠(yuǎn)距離的飛行航段上使用。根據(jù)飛機(jī)需要提供峰值功率需求的能量，電池也可以與超級電容器結(jié)合起來使用。燃料電池可以為飛機(jī)提供更大的飛行推動(dòng)力，但目前其重量仍然很重，并且在航空飛行應(yīng)用中沒有得到充分的驗(yàn)證。

電力推進(jìn)技術(shù)的快速發(fā)展是由市場需求和國際民航運(yùn)輸業(yè)的國際法規(guī)及環(huán)境因素要求而推動(dòng)，而不是由飛機(jī)降低成本的要求推動(dòng)。目前電力推進(jìn)技術(shù)的一些應(yīng)用在技術(shù)上已經(jīng)接近可行，例如城市航空運(yùn)輸。在航空運(yùn)輸業(yè)的其他領(lǐng)域，仍然需要進(jìn)行重大的技術(shù)創(chuàng)新，如電池能量存儲(chǔ)密度（關(guān)鍵），高效高功率密度的電機(jī)和電力電子設(shè)備等［6］，電力推進(jìn)系統(tǒng)原理如圖10所示。

飛機(jī)電力推進(jìn)系統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)發(fā)展如圖11所示，可以看出：飛機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)和電力推進(jìn)系統(tǒng)是飛機(jī)一次能源的逐步電動(dòng)化過程，飛機(jī)飛行的動(dòng)力由傳統(tǒng)飛機(jī)的燃油產(chǎn)生發(fā)展到由燃油的電能來共同產(chǎn)生，即混合動(dòng)力飛機(jī)；飛機(jī)飛行的動(dòng)力由傳統(tǒng)飛機(jī)的燃油產(chǎn)生發(fā)展到由電能來產(chǎn)生，即電力推進(jìn)飛機(jī)。

圖10 飛機(jī)電力推進(jìn)系統(tǒng)原理框圖Fig.10 Diagram of aircraft power propulsion system

圖11 飛機(jī)電力推進(jìn)系統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)發(fā)展圖Fig.11 Diagram of energy structure development of air?craft power propulsion system

電力推進(jìn)飛機(jī)的具體方案圖如圖12所示，一次能源是由電能來實(shí)現(xiàn)，飛機(jī)的推動(dòng)力由電能產(chǎn)生（鋰離子電池、燃料電池和超級電容等電能存儲(chǔ)形式）。鄒寧等［18］以天翼1無人機(jī)為研究對象實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)化改造，計(jì)算了電推進(jìn)系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)和鋰電池組的主要參數(shù)。

圖12 電動(dòng)飛機(jī)的方案圖Fig.12 Diagram of power aircraft scheme

6 飛機(jī)電動(dòng)化技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

飛機(jī)電動(dòng)化是一個(gè)逐步發(fā)展的過程，在發(fā)展過程中各個(gè)階段都面臨著不同的技術(shù)挑戰(zhàn)。本文列舉了架構(gòu)和電網(wǎng)技術(shù)、能量存儲(chǔ)技術(shù)、電機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)四個(gè)主要技術(shù)領(lǐng)域來說明電力推進(jìn)系統(tǒng)關(guān)鍵領(lǐng)域的相關(guān)挑戰(zhàn)的程度，如圖13所示。

圖13 飛機(jī)電動(dòng)化的技術(shù)挑戰(zhàn)Fig.13 Technology challenge of aircraft electromotion

7 電動(dòng)化技術(shù)及其發(fā)展思路

7.1 電動(dòng)化技術(shù)

飛機(jī)電動(dòng)化和獨(dú)立自主性的結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)飛機(jī)新的機(jī)動(dòng)性概念［3，19］，例如用于城市航空運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的自主電動(dòng)飛機(jī)“VTOL”，其已經(jīng)針對具有有限能力的1～4乘客電動(dòng)“VTOL”交通運(yùn)輸工具開展了多個(gè)項(xiàng)目的研發(fā)。這些新概念的運(yùn)輸工具將與傳統(tǒng)的出租車行業(yè)展開競爭，因此其必須具備運(yùn)輸價(jià)格便宜和使用方便的特點(diǎn)。由于目前的運(yùn)輸工具噪聲及污染排放大，是城市生活環(huán)境中面臨的關(guān)鍵問題。而這些新的技術(shù)平臺將依靠電力推進(jìn)系統(tǒng)來運(yùn)行，使城市污染排放、噪聲大為降低，因而得到人們的認(rèn)可和應(yīng)用。

7.2 發(fā)展思路

從飛機(jī)電動(dòng)化各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)進(jìn)行梳理，可以總結(jié)出四個(gè)主要關(guān)注的核心技術(shù)領(lǐng)域和具體的關(guān)鍵技術(shù)。

7.2.1 飛機(jī)電力系統(tǒng)架構(gòu)和電網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

主要是飛機(jī)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，以適應(yīng)飛機(jī)電能大功率的需求，飛機(jī)電網(wǎng)采用高壓輸電，最大限度地減少電能損耗，同時(shí)飛機(jī)電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)高水平健康管理和可靠保護(hù)功能［11］。

關(guān)鍵技術(shù)：

（1）飛機(jī)電力系統(tǒng)架構(gòu)仿真飛機(jī)技術(shù)；

（2）飛機(jī)電力系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化技術(shù)；

（3）飛機(jī)推進(jìn)技術(shù)；

（4）飛機(jī)電網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定、可靠設(shè)計(jì)技術(shù)；

（5）飛機(jī)電力系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)；

（6）飛機(jī)電力系統(tǒng)高壓絕緣技術(shù)。

7.2.2 飛機(jī)電能存儲(chǔ)技術(shù)

飛機(jī)要在體積小、重量輕的儲(chǔ)能設(shè)備中存儲(chǔ)足夠電能，就需要提高儲(chǔ)能設(shè)備能量存儲(chǔ)密度，這些儲(chǔ)能設(shè)備要具有成本低、效率高、壽命長的特點(diǎn)，同時(shí)還要提高儲(chǔ)能設(shè)備的充放電效率［12］。

關(guān)鍵技術(shù)：

（1）高能量密度存儲(chǔ)技術(shù)；

（2）能量產(chǎn)生技術(shù)；

（3）能量管理技術(shù)；

（4）電能存儲(chǔ)所需要技術(shù)設(shè)施。

7.2.3 電機(jī)技術(shù)

高功率密度、高效的電機(jī)是飛機(jī)電動(dòng)化的關(guān)鍵，可以產(chǎn)生飛機(jī)飛行所需大功率能量，是飛機(jī)前進(jìn)提供推進(jìn)推力的發(fā)動(dòng)機(jī)［6-7］。同時(shí)許多小電機(jī)也是飛機(jī)飛行操縱動(dòng)力的部件。

關(guān)鍵技術(shù)：

（1）高效、高功率密度、大扭矩的電動(dòng)機(jī)推進(jìn)技術(shù)；

（2）高效、高功率密度的發(fā)電機(jī)技術(shù)；

（3）各種電機(jī)的拓?fù)浼夹g(shù)；

（4）高效的變壓器設(shè)計(jì)技術(shù)；

（6）各種高效、靈巧的電力作動(dòng)技術(shù)。

7.2.4 電力電子技術(shù)

飛機(jī)上大量使用電力電子設(shè)備，要求其損耗小、重量輕、耐高溫，用于實(shí)現(xiàn)飛機(jī)上的電力變換、電力控制和電力調(diào)節(jié)等功能，向飛機(jī)提供高質(zhì)量大功率電力能源［8-10］。

關(guān)鍵技術(shù)：

（1）電力電子變換技術(shù)；

（2）電力系統(tǒng)控制技術(shù)；

（3）電力系統(tǒng)健康管理與監(jiān)控技術(shù)；

（4）電力電子固態(tài)開關(guān)技術(shù)。

飛機(jī)電動(dòng)化要從上述四個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和攻關(guān)，它們是飛機(jī)電動(dòng)化的核心與關(guān)鍵，把這四個(gè)方面核心技術(shù)分析清楚，飛機(jī)電動(dòng)化將會(huì)取得成功。

8 航空電動(dòng)化的市場分析

飛機(jī)電動(dòng)化的技術(shù)開發(fā)適用于一系列市場領(lǐng)域，包括商用和軍事應(yīng)用的航空領(lǐng)域。目前在混合動(dòng)力旋翼飛機(jī)、傾斜旋翼飛機(jī)、性能優(yōu)化公務(wù)機(jī)、高效的貨運(yùn)飛機(jī)、主流商用客機(jī)和城市內(nèi)的小型飛機(jī)上都廣泛使用電動(dòng)化技術(shù)。在大型商用航空運(yùn)輸領(lǐng)域，飛機(jī)的電動(dòng)化有兩種截然不同的應(yīng)用方向：一是采用當(dāng)前常規(guī)架構(gòu)趨勢多電飛機(jī)技術(shù)的電氣化持續(xù)增長［20-21］；二是采用各種級別的電力推進(jìn)技術(shù)來支持潛在的新市場應(yīng)用［1，3］，包括混合動(dòng)力飛機(jī)（乘客大于20個(gè)座位級）和有航程限制的適用于所有電動(dòng)化技術(shù)（乘客小于20個(gè)座位）的單通道飛機(jī)，以及其他新概念飛機(jī)，例如用于城市航空運(yùn)輸?shù)碾妱?dòng)垂直起降飛機(jī)（VTOL）等。

混合動(dòng)力和電動(dòng)化技術(shù)架構(gòu)的飛機(jī)市場拓展和廣泛應(yīng)用取決于這兩項(xiàng)技術(shù)的成熟和合格穩(wěn)定產(chǎn)品的推出，這些技術(shù)可以滿足航空領(lǐng)域?qū)μ囟ǖ某叽?、重量、功率和安全性要求。但支持這些技術(shù)的航空體系還會(huì)遇見更廣泛的問題，例如航空的法律法規(guī)和航空地面的基礎(chǔ)設(shè)施等。這些問題的解決，將決定著上述技術(shù)應(yīng)用和市場發(fā)展的步伐?？梢钥紤]幾種構(gòu)型的飛機(jī)同時(shí)存在，以確定上述技術(shù)何時(shí)進(jìn)入市場比較合適。

新飛機(jī)交付市場有各種可能的方案，但不包括旋翼飛機(jī)或公務(wù)機(jī)。目前以最保守的情況估計(jì)，在窄體和寬體飛機(jī)的細(xì)分市場中將保留傳統(tǒng)架構(gòu)技術(shù)，混合動(dòng)力和電動(dòng)飛機(jī)應(yīng)用都僅限于城市內(nèi)的區(qū)域和次區(qū)域平臺。在這些平臺的未來升級中，電動(dòng)化程度有限的傳統(tǒng)架構(gòu)仍然將保留大部分市場價(jià)值。

飛機(jī)按平臺類型劃分的收入如圖14所示，其中考慮了可能在2030年左右引入混合動(dòng)力電動(dòng)支線飛機(jī)的情況，該飛機(jī)的座位超過20個(gè)，電力推進(jìn)的支線飛機(jī)座位低于20個(gè)；還考慮了2035—2040年引入混合電動(dòng)飛機(jī)窄體平臺的情況，以及2040年以后潛在混合動(dòng)力電動(dòng)寬體飛機(jī)的情況。這些平臺市場拓展可以通過相關(guān)新技術(shù)的采用來實(shí)現(xiàn)。中國的航空工業(yè)要想在世界航空市場上立足就需要確保在這些新技術(shù)的發(fā)展上已經(jīng)做好充分的準(zhǔn)備。

圖14 飛機(jī)按平臺類型劃分的收入圖Fig.14 Income diagram of aircraft according to platform types

從圖14可以看出：傳統(tǒng)平臺仍將保持最大的累積市場價(jià)值，超過約5.6萬億英鎊，但是到2050年，其數(shù)量和價(jià)值將逐漸下降［22］；緊隨其后的是價(jià)值約3.5萬億英鎊的多電飛機(jī)技術(shù)呈上升趨勢。值得注意的是，多電飛機(jī)技術(shù)的架構(gòu)發(fā)展不受與混合動(dòng)力或電力推進(jìn)架構(gòu)相同挑戰(zhàn)規(guī)模的限制，從而提供了更多明確的市場機(jī)會(huì)。在這種情況下，最大的收益將是在此期間交付的混合動(dòng)力電動(dòng)飛機(jī)，價(jià)值約4萬億英鎊。銷量的大幅度增長將由傳統(tǒng)地區(qū)和單一品種向混合動(dòng)力方向轉(zhuǎn)變。技術(shù)的可用性還可能會(huì)引入所有不到20個(gè)座位的電動(dòng)子區(qū)域，這可能會(huì)開辟新的區(qū)域航空旅行航線，這些飛機(jī)的價(jià)值在此預(yù)測期內(nèi)可能超過約4 000億英鎊［22］。傳統(tǒng)和新技術(shù)的市場份額圖如圖15所示。

圖15 傳統(tǒng)和新技術(shù)的市場份額圖Fig.15 Market shares of traditional and new technology

要注意常規(guī)平臺市場，即使在這種快速發(fā)展的情況下，常規(guī)平臺仍將保留超過5.6萬億英鎊的市場，但是到2050年，其數(shù)量和價(jià)值將逐漸下降［22］。隨著電動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)的發(fā)展也具有重要價(jià)值，尤其是隨著電力系統(tǒng)價(jià)值的增加，可以過渡到多電技術(shù)的架構(gòu)，隨后再到混合動(dòng)力和電力推進(jìn)的架構(gòu)。

電力系統(tǒng)的價(jià)值比圖如圖16所示，可以看出：到2050年的預(yù)測期間內(nèi)，飛機(jī)電力系統(tǒng)中傳統(tǒng)飛機(jī)的總價(jià)值預(yù)計(jì)將達(dá)到1 620億英鎊，多電飛機(jī)將達(dá)到1 920億英鎊，混合電動(dòng)飛機(jī)將達(dá)到5 780億英鎊，電動(dòng)飛機(jī)平臺將達(dá)到約1 270億英鎊。

圖16 電力系統(tǒng)的價(jià)值比圖Fig.16 Price-to-value ratio of power system

9 結(jié)束語

飛機(jī)的電動(dòng)化可分為兩大技術(shù)趨勢：一個(gè)趨勢是飛機(jī)的二次能源逐步向用電能來代替其他能源的方向發(fā)展，減少了飛機(jī)對傳統(tǒng)液壓和氣動(dòng)系統(tǒng)的需求；另一個(gè)趨勢是飛機(jī)一次能源向混合動(dòng)力或電力推進(jìn)的方向發(fā)展。

飛機(jī)電動(dòng)化將改變未來航空市場，為中國航空工業(yè)進(jìn)入世界航空市場競爭帶來了重大機(jī)遇，飛機(jī)電動(dòng)化將為飛機(jī)電力系統(tǒng)供應(yīng)商創(chuàng)造出新的廣闊航空市場領(lǐng)域。

如果我國要在這個(gè)新的航空市場占有一席之地，則需要在飛機(jī)電力系統(tǒng)研究和技術(shù)上進(jìn)行大量人力和物力投資。我國應(yīng)制定明確的國家飛機(jī)電動(dòng)化技術(shù)投資計(jì)劃，重點(diǎn)建設(shè)高水平飛機(jī)電動(dòng)化技術(shù)的電力系統(tǒng)集成和測試設(shè)施平臺，以支持我國飛機(jī)電動(dòng)化技術(shù)的集成和測試，提高我國飛機(jī)電動(dòng)化的技術(shù)水平。

飛機(jī)電動(dòng)化技術(shù)是未來飛機(jī)的發(fā)展方向，是減少污染排放、降低噪聲和滿足國際社會(huì)未來發(fā)展的必由之路，也是我國承諾實(shí)現(xiàn)碳排放標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵推動(dòng)力。相信未來隨著我國電動(dòng)飛機(jī)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展壯大，帶動(dòng)整個(gè)人類社會(huì)朝著綠色、清潔和安全的方向邁進(jìn)。