聚焦 2019-02-28 18:02

“洁净天空”研究表明A320飞机采用分布式混合电推进方案并不可行

王元元 摘自 美国航空周刊网站

据美国航空周刊和空间技术网站2019年1月22日刊文,]当欧洲于2014年推出其第二个多年民用航空研究联合倡议“洁净天空”2时,它安排了资金用于研究激进的飞机构型,这些构型有可能取代今天的传统设计用于2035年服役的航线飞机。

2016年,欧盟授予法国航空航天中心(Onera),德国宇航中心(DLR)以及荷兰航空航天中心(NLR)和代尔夫特理工大学(TU Delft)牵头的三个团队研究合同,对这些颠覆性的创新布局进行评估。

根据“洁净天空”Novair项目的安排,代尔夫特理工和NLR正在研究采用分布式混合电推进(DHEP)的布局,研究人员希望可以利用推进系统和机体之间的协同效应来降低总体能耗。

Novair项目当前的研究结果表明:基于并联混合电推进的涡扇概念布局显示出一定潜力;基于串联混合分布式电推进的布局看起来“不可思议的重”。

代尔夫特理工大学的研究助理莫里斯·胡格里夫(Maurice Hoogreef)于1月7日至11日在圣地亚哥举行的美国航空航天科技研讨会上透露,Novair项目第一阶段结果显示出新的电推进布局“没有展现出良好前景,但很有意思”。他们所研究的三种布局中只有一种显示出能耗减少和重量减轻的潜力。

“洁净天空”2联合倡议下的大型客机集成演示验证平台计划正在开展潜在的创新布局客机设计。为了开展这项研究,上述三个团队共同确定了35个不同的概念布局,以满足大体上基于空客A320的顶层飞机要求。

NLR和代尔夫特团队选择了三种不同的混合电推进布局进行进一步研究。这些布局被选出的原因是认为它们2035年更可行,更容易扩展到飞机系列,更有可能通过分布式推进提供更高的效率,具有更低的噪音和其他好处。

顶层的设计需求包括载客150名,0.78马赫的巡航速度,最大有效载荷下的最大航程2222公里(以反映航空公司在欧洲实际使用A320的情况)。

选出的3种高速设计方案分别是:

HS1:基于并联混合电推进的涡扇概念布局,该方案带有电池和电动机/发电机,可为起飞和爬升时驱动风扇提供额外动力。这个方案允许采用较小的涡扇发动机以在更有效的恒定操作点运行。

HS2高速布局由前缘翼下涡轮发电机驱动的螺旋桨拉动

HS2,一种基于前缘分布式螺旋桨的串联混合电推进概念布局,螺旋桨由机翼下方的两个涡轮发电机提供动力。利用螺旋桨的滑流作用增加机翼升力、载荷和动力负荷,从而提高效率。

HS3,一种基于分布式涵道风扇的串联混合电推进概念布局,涵道风扇布置于机翼后缘的襟翼上,机翼下方的两个涡轮发电机为风扇提供动力,还有一个带有两个涵道推进桨的“环形”推进尾翼取代了传统尾翼。

HS3有机翼后缘涵道风扇,翼下涡轮发电机和尾部涵道推进桨叶。

胡格里夫说,分析中使用了“相当大”的假设,包括500Wh/Kg能量密度的电池组。美国国家航空航天局(NASA)的一项评估得出的结论是“这是可以实现的,并非不可能”,但超出了汽车和其他工业应用驱动电池的水平。

分析显示,两种DHEP概念布局(HS2和HS3)的推进系统质量大幅增加,HS2为600%,HS3为730%。“推进质量陡增,混合电推进飞机没有任何好处”,胡格里夫表示,“推进系统质量驱动所有其他质量,最终消耗更多能量”。HS3为34%,HS2为51%。

唯一的例外是增压涡扇发动机概念HS1,该方案显示能量消耗减少10%以及最大起飞重量减少3%,因为巡航中涡轮风扇的更有效运行需要更少的燃料。但Novair团队提醒其初步分析不包括功率转换,冷却和配电系统的重量。

该团队的结论是,在执行A320任务所需的速度和航程内,推进系统质量使得分布式混合电动飞机变得不可行。他们计划着眼于将HS2的前缘分布式推进与HS3的推进尾翼相结合的布局。涡轮将从机翼下方移动到尾部涵道的中心,以提供功率和推力。

Novair项目还打算探索短程任务的低速构型,以确定分布式和混合电推进的可行组合。NLR和代尔夫特团队认为A320任务对DHEP的要求太高,而且该技术可能更适合小型支线飞机。

 

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