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NASA的电动飞机研制进展

2017-8-16 21:43| 发布者: 潜艇4809| 查看: 1080| 评论: 0|来自: 国际航空

摘要:   美国航空航天局(NASA)在研制X-57项目时遇到了电池组超重的难题,但是该项目的其他系统研制进展还算顺利。
  美国航空航天局(NASA)在研制X-57项目时遇到了电池组超重的难题,但是该项目的其他系统研制进展还算顺利。与此同时,大型航空制造商纷纷看好电动飞机未来的发展,并开始着手启动相关项目研究。
  今年6月8日,在美国科罗拉多州丹佛举行的美国航空航天学会(AIAA)2017航空年会上,美国航空航天局(NASA)X-57项目首席研究员Sean Clarke讲到,电池问题已经成为X-57项目迄今为止遇到的最大挑战。虽然电池组能够提供47kW·h的能量,但是重量接近408.6kg,比设计目标超重了10%以上,这几乎用尽了当初设计时预留的增重空间。
NASA遭遇电池超重问题
  在去年12月的一次地面测试时,电池组曾发生过热失控故障。因为电池组在机舱内的安装位置就位于飞行员座椅后面,为了确保安全性而更改了设计结构,这也是电池组增重的部分原因。
  电池系统包括8个模块,每个模块由圆柱形锂离子电池组成。在一次地面试验中,研究人员故意在其中一个电池中引发短路,以验证故障不会影响整个电池模块。但不幸地是,试验证明故障‘传染’了所在的电池模块。按照行业指导原则,电池组在设计时要在电池之间留有一定的缝隙,可是试验表明这一措施并不奏效。为此,项目组从NASA约翰逊航天中心引入了专业的技术,该中心在国际空间站和“猎户座”飞船上使用相同类型的电池组。
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  约翰逊航天中心的工程师告诉X-57项目组,他们需要设计一个蜂窝状铝结构,以便将电池插入其中。这样可以将单个电池失效产生的热量分散掉,并且还可以防止其从圆柱形电池模块的侧面“烧穿”电池。但是按照这样的设计,电池的能量密度会成为一个挑战,那就是电池组的重量在增加的同时,电容量却减少了。
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  ESAero公司是X-57项目其他系统的主承包商,目前该公司负责的系统的研制进展比较顺利。Clarke表示,Joby巡航电动机在地面测试中表现良好。“它的功率裕度很大,因此为了减轻电动机重量我们降低了一定功率。”
  460V直流电动推进系统包括双冗余电池组、接触器、牵引总线、转矩控制器和电动机。每台电动机都有两个独立的可控三相线圈。Clarke指出,如果飞机在试飞过程中出现电动机失效,飞行员将尝试在加利福尼亚州爱德华空军基地附近干燥的湖床上进行无动力降落。
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  虽然缩尺复合材料(Scaled Composites)公司将一架泰克南P2006T轻型双发飞机改装为所谓的X-57“Mod II”——电动机安装在与原始活塞发动机相同的位置,但是Xperimental公司已经开始制造Mod III机翼,其具有更高的展弦比,巡航电动机改为安装到翼尖位置。该公司建立了一个辅助无线电控制模型,以评估配装小型Mod III机翼的X-57飞行器的稳定性、控制和操控质量。Clarke讲到:“我们从中学到了很多东西,根据试验结果,减少襟翼尺寸和增加副翼尺寸已经被纳入到机翼设计中。”由于不能保证电力系统不会发生故障,X-57项目组正在对无动力构型的X-57 Mod III进行风洞试验,以确保其能够可靠地以滑翔机方式安全降落。
  NASA飞行演示和能力项目经理Brent Cobleigh认为,使用电动推进系统,将机翼展弦比从P2006T的8.8增加到15,并将巡航螺旋桨重新定位到翼尖涡流中,所有这些措施将有助于实现NASA降低高速巡航(281.75km/h以上)时能量消耗的目标。
  小型机翼为适应巡航飞行进行了优化,降低了Mod III的失速临界速度以便可以更加安全地起飞和降落。X-57的机翼前缘将安装12个小型电动螺旋桨,通过向机翼和襟翼吹风,增加低速飞行时的升力。按照计划,这种分布式电力推进(DEP)构型将在X-57项目的Mod IV阶段进行试飞。同时,在没有安装电动机和折叠螺旋桨的情况下,Mod III机翼将与DEP短舱一起试飞。虽然该阶段试验还没有获得NASA的经费支持,但今年夏季NASA计划审议这一阶段的预算申请。
航空业对电动飞机的态度转变
  IDTechEx研究院在今年3月发布的一份报告认为,到2027年,有人驾驶电动飞机行业将达到60亿美元的市场规模,因此各家航空制造商纷纷行动起来。电动飞机的发展步伐落后于电动水陆交通工具的发展。例如,纯电动小型汽车首先出现,然后在50年后首个载客级电动船舶和电动轿车分别问世。混合动力飞机必须能够适应更长的飞行距离和更严格的工作周期,也只有做到这些才能获得像样的投资。IDTechEx指出,由于市场需求不是很强烈,再加上飞机行业的监管更加严格,因此某种程度上造成混合动力技术进步缓慢,现在随着大型企业纷纷投入其中,电动飞机的研发速度为之一变。
  GE公司董事长兼首席执行官杰夫·伊梅尔特(Jeff Immelt)表示:“如果真的认为电动推进将在10年或20年内发生,那么你需要从现在起开始行动。”今年3月,伊梅尔特在纽约接受航空周刊记者采访时并没有详细说明GE的投资内容,但他的言论证实了他的“数字工业”公司的意图。GE公司的管理层最近一直在谈论电动发动机。伊梅尔特提出由军方推动电动推进应用的速度,特别是在无人机动力方面。在此之前,GE航空集团商用发动机销售总监比尔·布朗(Bill Brown)在圣迭戈举行的国际运输飞机交易协会(ISTAT)美洲会议上曾表示,GE设想的电动混合动力和多个小型电动机嵌入机翼的方案在2030年左右会投入使用。
  波音公司似乎同意GE的观点。波音公司的“地平线X”基金会与捷蓝技术投资公司合作,收购了位于华盛顿州柯克兰的Zunum Aero公司,该公司致力于油电混合动力飞机的研发。Zunum公司计划使用搭配电池、涵道风扇和涡轮发动机的混合电动推进方式。
  波音公司的所作所为或许是受其竞争对手空客公司的启发。2016年,空客公司就在研究多人制飞机电动操作概念,即所谓的CityAirbus飞行器,该机具有多个螺旋桨,并且其基本设计类似于一架小型无人机。空客公司表示,电动飞机结合自主操作和数据驱动的商业模式,可能预示着未来数十年内航空业最大的变革。
  2016年夏天,联合技术航空系统(UTAS)总裁戴维•吉特林(David Gitlin)表示,电力、智能和集成飞机系统受到越来越多的关注,将有助于UTAS在2020年前保持6%的复合增长率。作为这项投资的一部分,UTAS在开发各项先进技术和测试实验室建设上投资了大约5亿美元。吉特林表示,不管是用10年、20年还是30年时间,电动推进都会投入实用。它将首先从通航小型飞机开始,然后逐步应用到商用飞机上。作为电力系统供应商,UTAS将继续投资于潜在的可行性技术。能够产生更多的电力并将其配送到整架飞机上;需要经常将电源从交流转换为直流;能够存储更多的电力,这些因素对电动飞机是至关重要的。
  西门子公司和空客公司于2016年同意共同集合200名工程师进行电动推进项目的研发。IDTechEx的分析师认为,这与丰田公司在20年前分配给混合动力汽车业务的资源相当,而这也奠定了丰田公司今天的商业成功。丰田公司目前每年的电动汽车、电动公共汽车和电动叉车的销售额超过200亿美元,而本田和宝马公司也同样取得了成功。“事实上,谷歌和脸书都参与到电动汽车和电动飞机的开发上,苹果公司也有兴趣,所以现在是混合动力行业的觉醒时刻。”
  分析人士指出,符合道路交通法规的太阳能汽车将于2018年由德国索诺汽车公司(Sono Motors)上市销售,而中国的汉能控股集团在2016年展出了里程更远的车型,该车计划在2020年投产。脸书的泰坦无人太阳能飞机将一次飞行长达5年时间……这些和其他突出的技术进步都将有利于有人驾驶电动飞机的研究。  

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