大型飞机电力推进系统关键技术

方 淳，巨亚鸽，李 巍，谭 博

（1.航空工业第一飞机设计研究院，陕西 西安 710089；2.西安工业大学 电子信息学院，陕西 西安 710021）

为降低当前商业客机飞行的燃油消耗、氮氧化合物排放和运营成本，2008 年美国国家航空航天局（NASA）针对亚音速客机提出了三阶段性能目标（N+1、N+2、N+3）[1]，于2035 年前后将商业客机的飞行噪声降低71 dB，将氮氧化合物排放量降低80%，将燃料消耗降低70%。同时期，欧盟也提出未来亚音速客机计划，其性能提升目标以2000年技术水平为基准，将于2050年前实现减少75%的二氧化碳排放、90%氮氧化合物排放和降低65%的噪声等级[2]。

截止至2019年，新型客机如波音787、737MAX 和空客A350、A320neo 由于采用新型涡扇发动机、机翼、复合材料和相关多电技术，其环保经济性已接近NASA 制定的N+1 目标，但离N+3 仍有相当大的距离。对此，美国与欧盟又相继制定了航空电力推进技术发展规划，在N+1阶段和N+3阶段之间对化石燃料发动机技术发展进行支撑，并最终以电力推进飞机（Electrified aircraft propulsion，EAP）的形式代替现有布莱顿循环发动机的飞机动力技术。电力推进飞机通过电动机驱动涵道式扇叶、螺旋桨产生推力，电能被直接转化为机械能，能量转换过程可控程度和效率都高于常规涡扇发动机。目前燃气涡轮发动机热效率约为40%，而大功率驱动电机的效率可以达到90%以上[3]。

针对未来商用飞机的电力推进系统需求，NASA联合高校和企业基于1 000 V机载电网电压等级开展了兆瓦级的电机[4]和电力变换器研究[5]，其关注的重点包括推进电机的电磁方案设计[6]、新型储能设备[7]、功率变换设备和传输大功率电力的线缆系统[8]。相比涡扇发动机领域与国外的巨大差距，中国在特高压输配电[9-11]、船用混合电力推进[12-15]、高铁电力牵引[16-19]等方面具有国际领先的技术、制造工艺和成熟的工程实践经验，使得中国航空电力推进技术在研发伊始便具有良好的技术和工业基础。

本文将讨论美国、欧洲主流航空电力推进构型方案，梳理飞机级和系统级的关键技术，分析其对航空电源、电机、功率变换器、大功率电网的新需求，为航空电力推进技术发展提供参考。

1 电力推进动力构型

电力推进飞机采用电能作为推进动力的能源，电能从产生经电力变换传输到用电负载终端，能量传递路径包括电源、AC/DC与DC/AC功率变换器、电机与减速器、螺旋桨或涵道桨等。

主流电力推进技术包括纯电力推进和混合电力推进。纯电力推进的电能来自于电储能设备如锂离子电池和燃料电池，而混合电力推进的电力则由化石燃料发动机带动发动机运行产生。混合电力推进根据发动机推力产生形式细分为部分涡轮电力推进构型（Partial turboelectric）和并联混动构型（Parallel hybrid）。部分涡轮电力推进构型的发动机和电动机驱动不同桨叶，同时生成推力。并联混动构型的涡扇发动机和电动机同轴驱动桨叶产生推力。构型示意图如图1所示。

图1 电力推进飞机动力构型[1]Figure 1 EAP power train configuration[1]

国外主要电力推进飞机概念的电力推进规格如表1所示。

电力推进飞机动力布局主要基于传统筒形机身和翼身融合机身设计。筒形机身构型又根据机翼结构分为常规机翼、斜撑机翼和分离翼，以NASA STARC-ABL 和空客E-fan X 为代表。NASA STARC-ABL 基于波音737-700的传统筒形机身改装，采用尾部边界层电力推进和升高的T型尾翼[20]。空客E-fan X电力推进飞机基于BAE 146 RJ100平台，为2台涡扇和2台推进电机的混动结构。采用AE2100燃气涡轮原动机带动2.5 MW发电机，驱动输出功率为2 MW的推进电机。

表1 国外大型电力推进飞机主要架构Table 1 EAP configurations

翼身融合的飞翼式布局特殊的升力特性，使其在采用相同动力配置时所消耗的燃料较少。翼身融合飞翼式布局的扁平结构[21]适宜采用分布式电力推进动力，由一组功率相对较小的推进电机代替单个兆瓦级大功率推进电机，通过调节分布式推进系统中个别位置电机的输出功率，实现推力矢量控制和调整飞行姿态的目的。电力推进翼身融合机型以NASA N3-X概念飞机为代表。

2 飞机级关键技术

2.1 高压能量架构技术

目前大多数大型飞机的供电系统功率为500 kVA以下，电压为直流270 V和交流恒频/变频115 V。为配合大型电力推进飞机数兆瓦以上的功率需求，需要提高电压等级，减小电网线缆电流，降低配电网络重量[22-23]。主流大型客机与大型电力推进飞机的发电系统容量和电压等级比较如表2所示。

表2 主流涡扇客机和电力推进飞机电力系统比较Table 2 Comparison of the power systems of EPA and TFPA

波音787由2台发动机驱动4台主发电机，发电容量达到1 MW。为降低电网重量，其交直流电压分别增加增加到230 VAC 和540 VDC。空客A350电力系统交流电压同样采用230 V，发电容量550 kVA。基于波音737-700 的STARC-ABL 电力推进飞机发电容量为2.4 MW，供电电压为2 400 V。N3-X 发电容量为50 MW，电压达到7 500 V。并联式供电架构因能够最大程度释放发电机的综合功效而得到青睐，如图2所示。

图2 并联式涡轮电力推进客机供电架构Figure 2 Power grid of parallel hybrid turboelectric

发动机带动发电机，产生的高压变频交流电经过主功率变换器变为超高压主汇流条供电，主汇流条再通过次一级功率变换器向次一级交直流汇流条供电。

电能经过汇流条和各功率线路传输，线缆的功率损耗等于电流有效值平方与电阻乘积。相同功率下，输电电压等级越高，电流越小，线缆重量也越轻。输电电压等级与线缆的关系如表3所示。

表3 电压等级与导线参数关系Table 3 Relationship between voltage level and wire parameters

表3数据是理想物理特性导线的计算结果，进一步考虑导线对发热的承受能力，基于导线长期发热工作状态，引入导线允许电流密度

式中，β为导线表面向周围介质散热的系数，τg为允许温升，ρ为导线电阻率，d为导线直径。

修正得到的超高压供电导线重量大于1/k2，但仍远低于普通供电电压下的导线重量。提高电网电压等级降低了供电线缆重量，但增加了功率变换器的滤波重量和高频损耗[24]，同时还需重视高空环境对于超高压电气设备绝缘的特殊影响[25]。

2.2 综合热管理技术

自上世纪80年代开始，美国空军开启了一系列飞行器热管理技术研[26-28]，先后提出了将JP8+100燃油作为热沉的热油箱计划、飞行器综合管理技术（INVENT）计划和能量优化飞机（EOA）计划，从单一的系统散热能力增强方法发展到系统的能量综合与优化方法。大型电力推进飞机总废热将高达数百千瓦乃至兆瓦级，远超常规动力飞机。废热的增长要求其热管理系统具备更高效的全机层面能量传递架构、更智能的能源分配策略和更有效的散热措施。由于自然散热和风冷散热在大功率负载和高空环境下性能下降明显，液冷、低温技术将成为电力推进飞机热管理系统散热的研究重点。

2.3 全机健康管理技术

电力推进飞机的机载电气设备数量较多，功率等级越来越大，这就要求系统的健康管理不仅包括常规自检测（Built-in Test，BIT）项目和故障检测，还要通过对电机、电池和功率变换器核心参数的检测与提取实现涵盖故障检测和寿命预测的健康管理[29]。机载设备健康管理系统首先需要进行故障风险分析（Fault Haz⁃ard Analysis，FHA）和故障模式影响与危害性分析（Failure Mode and Criticality Analysis，FMECA）。通过离线建立故障树目录；再利用深度学习等人工智能方法建立故障与表征变量间的推理关系，在检测到异常信号后通过数据推理得到可能的故障分布；最后根据故障程度进行隔离措施，并计算相关系统剩余运行寿命。系统健康管理流程如图3所示。

图3 系统健康管理流程图Figure 3 Process flow chart of systematic health management

全机的健康管理离不开飞参、通信状况、机载设备BIT和故障信息等飞行数据的支持[30]。机载设备健康管理系统研发流程如图4所示。在离线分析基础上，机载设备成品和器件厂商需要通过实验加速老化运行设备，搜集大量模拟飞行工况下的负载运行数据，先期形成故障数据基本库，结合实际飞参数据，持续修正数据库，提升诊断和预测精度，降低虚警率。

图4 系统健康管理系统研发流程图Figure 4 Process flow chart of systematic health management

电池性能随着温度和充放电循环次数的增加而变化，传统电路等效方法无法直观描述其特性和准确估计电池SOC和故障状态，呈现非线性特性。目前，学界主要研究电池电化学层的物理模型[31]，建立电池内部流力场、热场、电化学场模型，通过强耦合物理场模型实现精确的SOC 估计和单个电池单元的故障参数提取。针对电池热失控（Thermal Runaway）故障，NASA采用防火材料分割电池组单元，以避免单一锂电池单元热失控时危及临近单元造成电池大规模连锁反应故障。

2.4 大功率地面集成演示验证技术

飞机级大功率地面综合演示验证技术是验证技术成熟度的关键一环[32]，衔接着系统级验证与飞行演示验证，可以大幅降低飞行试验中可能出现的系统设计问题和故障发生概率。NASA牵头校企联合研制的电动机和功率变换器在各自完成原理样机演示试验验证后，被集成到位于俄亥俄州的Glenn研究中心的电动飞机试验台（NASA′s Electric Aircraft Test bed，NEAT）进行联试[33]。NEAT最大设计功率为24 MW，最高设计电压为4 500 V，可完成100座以上单通道飞机全尺寸动力装置6级技术成熟度的试验。实验室建设的核心在于开放式的兆瓦级发电-配电-用电负载验证平台、循环液冷设备以及真空高低温室，可以验证高空低氧环境下高压设备的电气现象和环境适应性。

3 系统级关键技术

3.1 电源技术

电力推进飞机中，电源的性能和效率直接关系到飞行性能[34]。电力推进飞机目前可用的电源主要包括发电机、燃料电池[35]和电池类储能设备。锂离子电池能量密度目前为200 wh/kg[36]，远低于航空燃油的能量密度（12 000.0 wh/kg），仅能满足10座以内小型电动飞机城市短距飞行需要。100座以上的大型电力推进飞机的主电源系统一般采用燃气涡轮发电机，其优点在于燃气轮机作为原动机可以稳定维持效率较高的输出。

燃料电池也是目前航空电源研究的热点[37]。燃料电池动态响应较慢，起动瞬间或负载增加由高功率密度储能设备提供瞬间大功率；巡航状态下由燃料电池提供负载需要能源，同时给电池充电。燃料电池输出电压随着电流增加而减小，在负载动态变化时燃料电池输出效率较低，因此需要将燃料电池的输出电流控制在一定范围内[38]，提高能源转换效率，增加航程。

航空储能设备主要包括超级电容、蓄电池。超级电容功率密度大，动态性能好；蓄电池能量密度较电容高，但功率密度低，而两者的能量密度均远低于航空燃油。为提升储能设备能量密度，在研发新型储能材料的同时，欧盟“洁净天空”计划[39]的未来民用飞机的结构动力复合材料项目正在评估和验证利用复合材料将储能集成到机身层压结构的技术，该项目研究重点包括机身结构超级电容、机身结构电池和基于结构的能量收集。

3.2 高效推进电机

推进电机的研究包括电机本体和控制两方面。推进电机转子表面线速度接近亚音速，使电机气隙处空气阻力增加，需要研究空气密度变化对电机负载特性的影响以及磁性材料的电、磁、热、机械强度四性耦合关系[40]。分布式控制可解决控制结构的单元化和通用化，增强故障发生时的控制与功率回路的实时重构能力，提升电力推进系统的冗余和可靠性。分布式推进电机工作角色不同产生的驱动力不同，应根据实际飞行剖面研究分布式动力分配模式[41]。

NASA为EAP推进电机项目制定的功率重量比目标为16.0 kW/kg，效率目标为99%。伊利诺伊大学[42]、俄亥俄州立大学[43]、NASA Glenn 研究中心[44]分别研制了兆瓦级功率样机并进行了地面演示验证，电机样机主要参数如表4所示。

表4 推进电机主要参数Table 4 Parameters of EAP motors

电机尺寸与性能参数之间的关系[45]可表示为

式中，D为电机转子外径，l为转子长度，α为磁极极弧系数，A为电负荷，Bδ为磁负荷，P′为计算电磁功率，n为电机转速。由式（2）可知，当功率和电机绕组形式一定时，提升电机转速和电磁负荷，可以有效降低电机尺寸。表4数据解读显示，伊利诺伊大学的永磁电机方案设计转速为18 000 rpm，通过提升转速来缩小电机体积重量。俄亥俄州立大学的感应电机采用环形力矩电磁设计方案，通过去除减速机构直驱螺旋桨的方式简化电驱动系统，提升可靠性。上述两种方案均采用液冷散热。Glenn中心方案采用超导材料大幅提升了电负荷，使功重比达到16.0 kW/kg。

3.3 大容量功率变换技术

功率变换器将电源输出的电能转变为动力、航电、机电和飞控系统所需的其它功率等级电能，是电力推进飞机中的关键系统[46-47]。功率变换器研究重点包括提升效率、可靠性和降低损耗。为达成功率变换器的高可靠性，需要研究高空环境下功率器件和无源器件的故障发生机理，建立故障机理物理模型和观测策略，实时检测并向上位机返回器件级工作状态，形成健康状态检测闭环；依据可靠性设计指标进行器件选型、拓扑结构设计以及热管理设计。

美国通用电气公司（GE）基于碳化硅金氧半场效晶体管（Silicon Carbide Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，SiC MOSFET），研制了2 400 V 直流电压下输出功率达到1 MW 的三相全桥功率变换器[48]，采用液冷散热，基波频率范围为1～3 kHz，功率密度达19 kW/kg，运行效率高达99%。波音公司正在开发的500 kW新型功率变换器采用SiC MOSFET，在1 000 V电压等级下通过两台并联工作来传输1 MW电功率，其完整负载样机拟采用低温液氮冷却[49]。

3.4 新型器件与材料

硅基功率开关器件如绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）、MOSFET 由于优秀的通断和可控特性，在船用电力推进、高铁电力推进和城市电网领域等高压电力领域得到广泛应用。但在航空电力推进方面，现有硅基器件面临着低损耗和小体积的双重要求。对此，国外主机厂和供应商提出采用基于SiC功率器件作为大型电力推进飞机功率变换的物理承载，如GE的大功率原理样机。与现有硅基功率器件相比，SiC MOSFET 效率高（97%～98%），工作温度高（≮150 ℃），耐压高（＞1 200 V），电流密度高（＞700 A/cm2），开关频率高（＞20 kHz）。功率变换设备采用SiC可有效降低损耗，从而降低设备体积重量和对散热系统的要求。目前，SiC MOSFET厂商主要包括美国科锐公司（Cree）、日本罗姆公司（Rohm）和意法半导体（SGS-THOMSON Microelectronics）等。国内方面厂商主要包括中国电科集团、中车时代电气股份有限公司、泰科天润公司、天科合达公司等。

绝缘材料是大型电力推进飞机兆瓦级电力系统的另一关键基础技术，机载电网线缆绝缘失效的原因主要有：（1）电晕放电，包括材料老化、碳化失效[50]、臭氧生成导致材料降级；（2）高空、高电压和高频导致电气与温度应力增加[51]；（3）热循环组合的系统工作温度可能导致温度降级。为解决航空高压绝缘问题，业界提出了基于PET（聚乙烯）、PTFE（聚四氟乙烯）和PFA（全氟烷氧基）等材料的多层绝缘方案，NASA提出了基于多聚物的多层绝缘架构（MMEI）[52]，将实验室绝缘击穿电压提升到40 kV以上，可用于兆瓦级电力推进系统的主汇流条，同时降低了绝缘层厚度86.3%，降低了电网重量，但上述方案的高空环境适应性和耐久性仍需检验[53]。

4 展望

航空电力推进技术将统一机载能源形式，实现全机能量高度可控，大幅提升飞机能量的整体利用效率，减少排放降低飞行噪音，是未来航空全电化的高级阶段与标志，也是先进电气、控制、材料、芯片等高新技术的集中体现。为促进航空电力推进技术更好发展，在国家绿色航空战略与政策的支持引导下，在航空制造业、研究机构与相关高校的参与下，应重点开展以高压能量架构技术、综合热管理技术、全机健康管理技术和大功率地面演示验证技术为核心的飞机级关键技术研究；开展以高效率电源与储能系统、高效推进电机、大容量功率变换器和新型功率器件、绝缘材料为主的关键设备及元器件材料研发，对顶层研究形成支撑。在支持航空电力推进技术、产业和市场等方面进步的同时，借助我国船舶、高铁电力推进技术优势，实现引领全球绿色航空发展，占领关键技术领域及产业创新高地，提高综合科技创新能力。