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罗尔斯·罗伊斯全面推进航空电气化战略

日期:2021-04-20    来源:国际航空  作者:穆作栋

国际电力网

2021
04/20
09:54
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关键词: 罗尔斯·罗伊斯 电气化 电动飞机

航空电气化技术已成为航空业发展的前沿。传统航空制造商罗尔斯·罗伊斯公司通过并购重组构建了强大的电推进研发力量,并在过去的一年中明确了发展路线,全面推进航空电气化战略。

在全球范围内,电动飞机技术已成为航空业发展的前沿阵地,全电推进与混合电推进系统正在创造全新的航空交通范式与市场,将深刻改变全球交通运输业态。经过近年来的积极探索,电动飞机行业正处于从早期的技术演示验证,到原型研制及认证的快速发展进程中,其关注重点也从早期单纯的技术创新逐步扩展到供应链管理、产品试验等部分。

传统航空动力系统巨头罗罗公司已积极布局电推进技术领域,力求在这场航空动力系统变革浪潮中占据先机。

自2019年10月完成对西门子电动飞机部门的收购至今,罗罗在一年多的时间内密集推出了多项举措,推动电动飞机技术发展。

根据过去一年电动飞机市场的快速发展情况,罗罗做出了明确的判断。即短期内,罗罗的电推进发展路线主要聚焦为小型螺旋桨飞机、通勤飞机以及城市空运飞行器这3类。基于这一判断,罗罗做出了相应的发展路线调整:

一方面,重点关注“亚兆瓦级”电推进市场,将产品研制、测试等资源集中在上述3类产品,重点打造系统解决方案与供应链体系,包括电机、电力电子设备、热管理技术、配电与保护等。罗罗计划在未来3-5年内,针对上述3类细分市场产品启动适航认证和商业化应用。此外,罗罗还表达了涉足储能技术的意愿。

罗罗目前电推进发展重点聚焦的3类飞机。

另一方面,对于大型电动飞机技术领域,罗罗将主要关注技术储备,而进一步的演示验证与产品研制工作优先级被调低。具体而言,罗罗与空客在2020年4月终止了E-Fan X混合电推进演示验证计划,取消了原设定于2021年的飞行试验,转为进行混合电推进系统研究及地面测试。

一、小型螺旋桨飞机

目前,全球电动飞机行业内发展最为成熟的产品,是以轻型/超轻型运动飞机为代表的小型螺旋桨飞机。该类飞机一般为4座以内,应用于体育运动、训练、观光和私人使用,由于偏向个人使用且接近居民区,因而对低噪声、低排放、高效率有较高的需求,极为契合电动飞机的技术特征。由于认证要求和技术壁垒相对较低,这一类型电动飞机是整个行业发展最快的部分,同时也常作为技术演示验证平台使用。

对于此类飞机,当前市场的储能与动力系统解决方案已经较为成熟,电池能量密度和电机功率密度足以满足常规应用场景对航程、速度等指标的需求。部分型号已完成适航认证,主要集中在最大起飞重量650kg以内的轻型运动飞机,随着相关技术的发展,其载荷能力将逐步提高,目前针对CS-23 / FAR-23类的4座级电动飞机也处于认证过程中。

(一)全电推进ACCEL项目

加速电气化(ACCEL)项目由英国商业、能源与工业战略部,英国创新局以及航空技术研究院(ATI)共同资助,罗罗作为主承研方,参与方包括电机及控制器制造商YASA和航空初创公司Electroflight。

原型机名为“创新精神”(Spirit of Innovation),特征是通过高能量密度电池组和高功率密度电机实现高速飞行,其设计最高飞行速度达到480km/h,预计将创造电动飞机最快飞行速度记录。

ACCEL的电池组由6000个轻质电池单元组成,采用先进热防护封装技术,单次充电航程可达到320km。其动力装置为3台高功率密度轴向电机,总功率达到370kW。与传统飞机相比,电机驱动的螺旋桨转速更低,飞行更为稳定且安静。即使在高速飞行状态,电推进系统的能量效率仍可达到90%以上。

2020年1-9月间,罗罗完成了ACCEL电推进系统的地面测试工作,随后将开展电推进系统与机身的集成。2021年3月1日,原型机完成地面滑行试验,计划于不久后完成首飞。

(二)混合电推进系统H3PS项目

高功率可扩展混合动力系统(H3PS)项目由欧盟地平线2020研究创新计划支持,面向通用航空需求开展并联混合电推进系统研究。项目参与方包括泰克南公司、Rotax公司和罗罗,其中泰克南公司负责飞机平台集成,Rotax公司负责动力系统中的热机部分,罗罗负责动力系统中的电推进部分。

在H3PS项目中,泰克南4座P2010通用飞机的标准发动机(130kW)被替换为Rotax 915 iS发动机(100kW),同时集成罗罗提供的电机以提供所需额外功率。该混合电推进系统具有良好的扩展性,可应用11座以内的小型飞机。

罗罗电气公司匈牙利分部负责将电机与热机进行耦合。在该混合动力系统中,电机可根据需求输出功率、驱动螺旋桨,同时也可以工作于发电机模式,从而实现能量的优化应用。

(三)面向小型螺旋桨飞机的电推进单元RRP70D

与赛峰公司类似,罗罗也开始涉足电机及控制器产品领域。在H3PS项目中发挥重要作用的罗罗电气公司匈牙利分部研制了70kW级电推进单元,名为RRP70D,包括电机、逆变器及控制系统。

罗罗使用双座训练飞机作为测试平台对RRP70D进行了飞行试验,目前正在进行该电推进单元在EASA和FAA框架下的适航认证工作。该产品的目标市场是训练飞机等通用飞机。

二、通勤飞机

通勤飞机是电动飞机商业化运营的重要市场。相较于小型螺旋桨飞机,通勤飞机的乘员可达19人,可执行固定航线的客运/货运服务,市场更为广阔。应用电推进系统,通勤飞机能够有效提升效率,同时相关技术成熟度能够满足短距离通勤航线的需求。目前,全球已有多家电动飞机公司和运营商公司开展合作,进行通勤飞机电动化改装应用。

(一)混合电推进通勤飞机ELICA项目

在欧盟“洁净天空2”项目框架支持下,罗罗联合那不勒斯大学、西门子工业软件公司等开展了电动创新性通勤飞机(ELICA)项目,进行19座级通勤飞机可行性研究、概念设计和多学科优化研究。罗罗主要负责推进系统架构设计和电推进装置设计。

针对ELICA类型飞机的需求,罗罗开展了大功率发电机与电机的研发工作,目前已完成了250kW级原型机飞行测试与实验室测试,并开展了500kW发电机和480kW电机的实验室测试。

(二)基于M250H混合电推进系统的APUS i-5项目

在欧洲区域发展基金(EFRE)的资助下,罗罗开展了APUS i-5项目,基于其M250涡轴发动机开发M250H混合电推进系统,并与飞机平台进行整合。该项目旨在验证混合电推进系统的可行性,特别是证明尽管该系统自身重量较大、但仍能保证飞机具有良好的性能。

M250涡轴发动机是一款成熟的发动机产品,已在直升机行业应用数十年,在其基础上开展混合电推进系统的开发极为便利。M250H混合电推进系统的发电机功率为500kW;其动力输出组件为4台150kW的电推进单元,包括电机及逆变器,总输出功率600kW。此外,M250H混合电推进系统还包括模块化储能系统、配电和保护装置、先进电源管理系统以及热管理系统。在APUS i-5项目中,该系统将设置为串联混合动力模式。

罗罗计划在2022年完成M250H系统的研制工作,在2023年完成APUS i-5飞机试飞,随后该系统将进一步调整以适应商业应用与适航认证。

三、城市空运

城市空运是电动飞机技术催生的全新交通范式,也是当前全球航空业的发展前沿领域,大量初创企业和传统航空制造商正在共同探索、塑造一个完全不同于过去的航空业态。

城市空运的核心要素是低噪声与低排放,这也是电推进系统的核心优势所在,加之蓬勃发展的无人机行业为飞行控制打下了坚实的技术基础,城市空运这一概念在近年得到了爆发式发展。

罗罗也极为重视城市空运市场,计划在未来数年内为电动垂直起降(eVTOL)飞行器提供电推进系统和储能系统解决方案,并最终成为城市空运完整电推进系统的一级供应商。

在城市空运领域,罗罗目前的主要合作方是空客,在后者的“城市空中巴士”(City Airbus)飞行器研制过程中承担了电推进单元的研发工作。“城市空中巴士”于2019年3月公布,同年12月完成首飞,采用全电推进系统,巡航速度约120km/h,电机驱动4组同轴反转涵道风扇提供动力,采用低转速风扇以降低噪声,其转速控制在1000rpm。

罗罗为“城市空中巴士”开发了电推进单元,电机功率为200kW,配有控制器、保护系统。该单元原为西门子电动飞机部门研制,在罗罗完成对其的收购后继续进行研发。

四、都是航空企业,传统巨头和初创企业有何区别?

作为传统航空制造巨头,罗罗在发展电动飞机相关技术方面的思路与措施会与诸多初创企业有所区别。

其一,丰厚的航空技术储备和供应链为其新技术开发和大规模应用提供了有力支撑。在开发电推进系统过程中,罗罗充分利用了在M250涡轴发动机、E2SG多电发动机技术等积累的经验,同时其成熟的供应链体系也为相关技术大规模应用提供了保障,形成了“站在巨人肩上”的良好模式。

其二,通过并购重组快速强化专业能力。并购重组是大企业快速获取先进技术与人才、跨入新技术领域的重要手段,罗罗充分利用其资本力量,在制定电气化战略后通过一系列措施建立罗罗电气公司,有力支撑了其战略落地与快速发展。

其三,针对未来大型电动飞机应用进行技术储备。大型电动飞机是未来航空发展的重要方向,具有重大战略意义,英国首相鲍里斯已提出英国应当在全球率先研制大型电动飞机。但这一领域需要大规模资金注入和长期技术积累,初创企业难以也没有意愿开展相关工作。以罗罗、空客等为代表的大型航空制造商仍是推动其发展的中坚力量。

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