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王元元

2018-11-11 | 聚焦

JAXA指引日本航空工业未来发展方向

据美国航空周刊和空间技术网站2018年11月10日刊文,尽管与空间系统支出相比,日本在民用航空研究方面的投资不算多,但在支持本国航空航天工业方面取得了坚实的成果。但航空业正在发生变化,日本航空航天局(JAXA)正在研究如何适应这种变化。

日本对现有产业的支持仍在继续(例如发动机研究),但JAXA正密切关注新兴领域,如飞机电气化、集成仿真、先进材料和人工智能,以及这些技术如何融合,以开拓新市场。

JAXA鼓励其研究人员探索新领域,希望这将带来新技术。JAXA正在加强数值模拟、复合材料和推进等方面的基础研究。JAXA已经创建了一个部门,负责包含航空各个方面的系统级研究,JAXA航空创新中心(Aeronautical Innovation Hub Center)正在进行排放等领域的多学科研究。

JAXA的研究如何支持日本工业界参与国际项目,最明显的例子就是发动机市场。以石川岛播磨IHI)和川崎重工(KHI)为首的公司是通用电气(GE)、普·惠和罗·罗等公司生产的商用涡扇发动机的风险分担合作伙伴,他们通常参与低压系统研制。日本为国际航空发动机公司(IAE)V2500发动机提供低压转子是建立在1970-1980年代在FJR项目下开发的技术基础上的。

2015年,JAXA启动了aFJR项目,以期在高效轻质风扇和低压涡轮技术方面更进一步。aFJR的目标是提高风扇空气动力学效率至少1%,并减少发动机整体重量约10%。该项目将验证层流风扇、碳纤维空心叶片和轻质金属盘以补偿超高涵道发动机风扇直径的增加,以及耐热陶瓷基复合材料(CMC)叶片,以减轻驱动更大风扇的低压涡轮重量。

作为aFJR的后续,JAXA已经启动了En-Core先期项目,以验证高压部分的技术。目标是通过扩大对发动机核心机的参与,使日本工业界的市场份额超过目前的6.6%。En-Core将专注于两种技术:一种是极低氮氧化物(NOx)排放的贫油燃烧室,另一种是高温、高效、高压涡轮。

贫油燃烧室将采用CMC内衬以增加耐热性,减少所需冷却空气;采用能够大大增加与燃料混合空气量的喷嘴,具有防止结焦的绝缘设计;采用燃烧振动抑制技术以减轻由贫油预混燃烧引起的不稳定燃烧。

高压涡轮将采用CMC定子叶片以减少冷却空气和相关损失,内部结构采用翼型剖面以获得更高的冷却效果降低所需风量,采用减少气动损失的三维机翼设计以及膜冷却减少热冷气流混合区的损失。

JAXA还启动了DANTE项目,以改进设计和分析技术,为国际联合开发低二氧化碳排放的下一代发动机做准备。JAXA表示:“我们的目标是展示下一代喷气发动机的概念,使燃油效率比最新一代发动机提高2%。”此外,DANTE还将开发小核心超高涵道比发动机的高性能多级高压压气机技术,目标是在稳定的工作范围内达到所要求的气动性能。该项目还将设计一个进气口,以有效抑制下一代发动机较短短舱的噪音。DANTE项目的第三个内容是推进碳纤维多尺度分析和CMC失效模拟技术,开发用于未来发动机的复合材料旋转部件设计所需的疲劳寿命预测能力。

JAXA已经将目光从燃气轮机技术转向飞机电气化。在2012年至2015年的Feather项目下,该机构使用锂离子电池和1台4冗余度电动机驱动的钻石HK36电动滑翔机进行了试飞。该有人驾驶验证机可以通过使用螺旋桨和电动机作为再生空气制动系统(regenerative airbrake system)来控制下降速度。

2019年,在与德国航空航天中心(DLR)的联合项目下,JAXA的多路复用电动机系统将在HY4上进行飞行测试。HY4是由DLR所属的H2Fly公司研发的氢燃料电动飞机。该联合项目旨在演示在真实飞行环境中自动故障检测和功率降级使用。

在Feather项目之后,JAXA于2015年启动了零排放飞机(Emission-Free Aircraft)项目。该项目采用分布式涡轮电推进提高推进效率和边界层吸入提高空气动力效率的概念,并增加了一个组合循环燃料电池/燃气轮机推进系统,以提高热效率,实现燃料燃烧减少50%以上。

JAXA零排放飞机项目采用组合循环燃料电池/燃气涡轮推进系统可减少排放。

在上述零排放飞行设计中,涡轮电推进系统中的发电机、电动机和其他电气部件增加了损失。JAXA的想法是用高效、低排放的发电机替代涡轮发电机,这种发电机将固体氧化物燃料电池(SOFC)和燃气轮机结合在一起。涡轮燃烧喷气燃料以产生SOFC所需的高温运转温度,SOFC燃烧氢气发电。

从更近期的角度来看,JAXA在2018年7月份与IHI、KHI、斯巴鲁、日立、三菱和日本经济产业省合作,发起了“飞机电气化挑战”(Eclair)联盟。成立该组织有两个目的,一是开发电力推进技术以大幅减少二氧化碳排放,二是刺激航空业的增长。

Eclair的目标是在短期至中期实现小型飞机电气化,远期实现客机电气化,并计划在2018-2024年开发对两种飞机都至关重要的技术。Eclair联盟将从实现未来电动飞机的共同愿景开始,以指导技术开发。Eclair将于2018年12月举行一个公众论坛来推广该计划。

日本航空工业潜在的国际合作另一个领域是超声速民用运输。为了这个目标,JAXA已经提出了1个36-50人的小型超声速客机概念。该机巡航速度为1.6马赫,航程超过3500海里。但业界希望在此过程中发展起来的技术将使工业界能够首先开发超音速喷气公务机。

日本的超声速运输研究领域包括减少超音速运输机的声爆、起飞和着陆噪音、阻力和重量。2015年,亚尺度静音超声速概念模型在瑞典进行了高空抛放测试,验证了JAXA的低声爆设计理念。JAXA将继续研究超声速自然层流机翼以减少阻力,以及可变发动机喷嘴以减少机场噪音。

JAXA已经通过国际合作开展了静音超声速飞机研究

日本的超声速研究为制定民用超声速飞机机场噪声和声爆认证标准的国际努力提供了数据。为此,JAXA于2017年与法国的Onera和德国的DLR签署了一份为期三年的协议,三方将合作进行声爆研究。此外,JAXA已经与美国国家航空航天局(NASA)合作,Onera也是,而欧洲正与俄罗斯合作。

JAXA的亚声速研究包括Fquroh项目。在这个项目中,JAXA对起落架和后缘襟翼降噪装置进行了飞行测试,以减少进近噪声。Fquroh项目的最后一部分是评估三菱MRJ上的起落架、襟翼和前缘缝翼的声学处理措施,目前正在等待测试飞机的投入使用,预计将在2020年MRJ获得认证后可用。

尽管日本是民用直升机的最大市场之一,但军用直升机在日本航空业出口中所占比例很大。JAXA支持直升机工业的研究计划集中在医疗运输、灾难响应和海上救援的高速旋翼飞机上。目标概念机是时速500公里的复合式直升机,该机能够在15分钟内覆盖100公里(60英里)半径,或在2小时内到达国内任何地方。

JAXA开发高速旋翼机瞄准医务运输和灾害应对市场

该设计有一个高前进比单主旋翼,带翼尖电动涵道螺旋桨的低阻机翼(提供反扭矩),低阻增压机身和用于高速前飞的推进螺旋桨。JAXA表示,这种结构避免了对高速飞行发动机动力的过度需求,也避免了共轴转子的复杂性和阻力增加,而且比机翼翼梢推进螺旋桨更安全。这项为期四年的工作将于2018-2022年在缩比模型测试中达到定点。

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