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NASA发力电推进NEAT平台担重任

2017-2-6 19:58| 发布者: cfso5068| 查看: 1673| 评论: 0

摘要:   目前,航空界正在开展用于未来航空运输的各种电驱动概念研究。
X-57的电动机进行地面测试。
STARC-ABL概念。
孙友师
  世界上有很多基于燃气涡轮发动机的飞机推进系统试验设施,燃气涡轮发动技术仍在不断进步。但对于方兴未艾的电推进技术来说并非如此。目前,航空界正在开展用于未来航空运输的各种电驱动概念研究,但是这些概念在安装到飞机上试飞之前必须先在地面经过大规模和高功率的试验,以排除安全性问题。
填补试验和实际飞行空缺
  飞机电推进系统必须做到重量轻,而且要在高功率、高电压和高空工作,这些条件是使用电驱动的汽车和其他行业未曾遇见过的。电力与热管理、容错控制、电磁干扰减缓和意外的系统交互,这些都是电推进给飞机和发动机设计带来的新问题,必须充分了解。
  为了填补试验室和实际飞行之间的空缺,NASA正在建造一个试验设施——“NASA电动飞机试验台”(NEAT),以实现未来单通道飞机全尺寸、实际飞行重量的动力装置在地面完成直到技术成熟度6级的试验,为实际飞行做好准备。
  NEAT是测试功率水平高达24兆瓦、汇流条电压高达4500伏的完整驱动系统。NEAT坐落于NASA格林研究中心Plumb Brook试验站,此前这里是一个超声速风洞和核热火箭测试设施。
  经过翻新后,NASA于2016年9月在该设施中进行了第一次低功耗测试,使用一对现成的电动机来模拟通用电气CF34涡扇发动机。NEAT现在配备了适用于波音737大小的机型的电动装置来测试STARC-ABL——带后边界层推进的单通道涡轮电推进飞机。该机是NASA面向未来混合电动航班的概念机。
150座客机是攻关重点
  STARC-ABL驱动系统的测试计划于2017年9月开始,功率为0.5兆瓦,到2018年将增至2.6兆瓦。其他配置的试验随后进行。NASA格林中心的混合动力电推进技术主管罗杰·戴森说:“从长远来看,我们计划对不同电气化阶段的150座级单通道客机的电动力装置进行测试。”
之所以选择Plum Brook作为NEAT所在地,是因为它以前是火箭测试设施和马赫数7的风洞,具有支持大功率常规和超导电驱动测试所需的功率、冷却和低温设施。
  NASA在该设施翻新之后进行了适度的初始试验,即运行一对125千瓦的电动机和NASA开发的控制软件及为NEAT安装的仪器冷却和其他服务。该测试还提供了有关电磁干扰的数据,以支持X-57“麦克斯韦”分布式电推进验证机的开发。戴森说,X-57的功率等级在200kW,与NEAT初始试验类似。该机计划2018年进行试飞。
  NASA现在在设施内安装一个737机身和截断翼,为全尺寸单通道电动力系提供正确的布线和接线长度。对于STARC-ABL配置,其中翼下涡轮风扇的发电机在尾部驱动涵道风扇,涡轮发电机之间将有9.75米,从翼根到尾部推进器为21.03米。
  对于STARC-ABL测试,包括将尾部限制在6.10米长度范围内,将压力高度升至15240米高度,以测试全功率的电机和逆变器。因为在这个高度下,高电压电弧对电机性能有较大影响。戴森说,NEAT设计用于测试波音737尺寸窄体喷气式飞机的电动力装置,但是可以在2024年之后进行扩展,以测试更宽的飞机。
  NEAT试验台计划于2017年8月安装完成。测试将从混合电动地面车辆中使用的货架产品牵引电机开始。戴森说,由帕克生产的125千瓦永磁电机是最轻,最小的。电机以轴对连接的方式安装:驱动和负载。他们一起模拟发电机和电机驱动涵道风扇。
电力推进节能明显
  在STARC-ABL概念中,尾部中的涵道风扇可吸收在机身上缓慢移动的边界层,为尾流注入能量,从而减少阻力。这减少了巡航所需的涡轮风扇发动机的尺寸,又节省了重量和燃油。NASA的设计研究表明,尽管有额外的电气部件、风扇和涵道(这部分对节省燃油贡献20%),完整的推进系统可以节省7%~12%的燃油。
  在NEAT试验台中,每个涡轮风扇由一对电动机模拟,这对电动机被控制以匹配燃气涡轮发动机的速度、扭矩和惯性曲线。尾部推进器是由成对的电动机模拟的,这些电动机被控制以模拟不同高度的涵道风扇的动力。
  测试将从8个250千瓦的电动机对开始,为涵道风扇提供0.5兆瓦功率,但到2018年晚期,当为NASA开发的高功率电机可用时,该试验台将从每个模拟涡轮风扇产生1.4兆瓦电力以驱动尾部推进器处于其完全的2.6兆瓦功率水平。
  戴森说,NASA正在资助5个不同的项目来开发1兆瓦的电机,这些电机对于航空使用来说是足够高效和轻的。“它们有不同的架构,但是初步的演示显示他们都接近99%的效率和13kW/kg的比功率的要求,到2018年,我们预计将有符合规格的硬件。”
  STARC-ABL是从发动机到发电机、电机到风扇的串联混合动力。作为下一步,NASA计划在NEAT中测试波音SUGAR Volt的并联混合架构。这种架构采用安装在涡轮风扇发动机轴上的电动机,以使用电池在起飞和爬升时增加推力。除此之外,戴森说,NEAT可以测试实验航宇系统公司的ECO-150分布式涡轮推进概念,这种概念是在采用安装机翼上的涡轮发电机驱动嵌入在机翼中的涵道风扇阵列。

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