混合动力技术在航空领域仍有用武之地

来源:人民日报 2019-12-24 14:54:26

提起绿色出行,人们可能很少会联想到飞机。事实上,航空业对于环境的影响不容忽视。随着全球航班数量快速增长,航空业面临着可持续发展的命题。

在新能源汽车领域,混合动力汽车由于兼具燃油车与电动车的优势受到不少消费者青睐。仰望天空,多国政府和企业也开始试水混合动力飞机技术,目前全球公开的相关研发项目超过30个。与制造混合动力汽车类似,混合动力飞机采用“燃油发动机+电驱动系统”架构,但从技术需求和实现途径来说,两者存在鲜明差异。

首先是使用工况不同。一般飞机在起飞后,绝大部分时间维持在最大转速80%左右的巡航状态,不存在汽车行驶过程中的怠速与高速频繁切换问题,也就不必像混合动力汽车一样,需要考虑发动机和电动机在不同转速段的分工。其次是对重量容忍度有别。在飞机设计界有“为减轻每一克重量而奋斗”的说法,任何增重都会对飞机的机动性和续航性能产生显著影响。当前,锂电池的单位重量能量密度不仅与航空燃油相差了40倍,而且在放电之后,对于后续飞行无法再产生效益。所以,为短时间提升性能而搭载电池的做法并不适合大多数飞机。

尽管与汽车工业的应用思路相去甚远,混合动力技术在航空领域仍有用武之地。一旦形成突破,完全有可能掀起飞机动力系统的一场革命。

从飞机内部看,燃油效率有望借此提升。目前客机采用的喷气发动机仅将40%左右的燃料燃烧能量转化为飞机动力。为进一步提升燃油效率,喷气发动机需要借助更大直径的进气风扇产生更大推力。为了风扇更大,在高速涡轮转子与低速风扇间,必须通过一套减速机构来匹配两端不同的转速等。而通过涡轮带动发电机发电,再由电机驱动风扇转动,不仅将提升燃油效率,还比传统机械减速器结构简单、重量轻、故障率低。类似的混合动力系统目前已在百吨以上巨型矿用自卸车、舰船等领域得到了广泛应用。

从飞机外部看,气动效率也可以进一步提高。飞机飞行过程中,离机体表面越近处,气流相对机体速度越低,不同距离上,不同速气流之间互相拉扯,形成了飞机的摩擦阻力。目前有一种减阻方案,将过去集中吊挂在翼下的发动机,拆分为专供发电的核心机和多个安装在机翼上表面后缘的分布式电动推进器。这样,每个推进器在产生推力的同时,通过在飞机表面不断向后抽吸,能提升机体表面气流速度,减少气动摩擦阻力。与过去相比,混合动力系统中专供发电的核心机易于实现更高的热效率,电动推进器结构也更为简单,重量、成本更具优势。

综上所述,混合驱动方式对飞机的影响将不仅停留在动力系统本身,很可能会进一步向气动外形等多个领域拓展,为航空业的发展带来新方向与新思路。

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