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混合動力飛機將航空運輸帶入“環保時代”?

來源:科技日報 作者:于紫月 發布:2019-04-05 00:59:16

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日前,俄羅斯巴拉諾夫中央航空發動機研究所總裁戈爾金表示,俄羅斯將在2020年開展混合動力飛機飛行測試,并首先完成混合動力引擎的研制,而最終目標是研制出功率為500千瓦的混合動力飛機。

眾所周知,化石燃料燃燒是大氣污染的主要來源。功率強勁的飛機更是“油老虎”,最近頻發安全事故的波音737,一次起飛就能耗油5噸。混合動力技術已經給汽車帶來了環保希望,那么它能否將航空運輸也帶入“環保時代”呢?科技日報記者就此采訪了沈陽航空航天大學遼寧通用航空研究院副教授康桂文。

技術方案 花開兩朵 油-電混合和電-電混合有所不同

“現在國際上關于混合動力飛機的技術方案是比較類似的,主要有油-電混合和電-電混合兩種。”康桂文介紹,所謂油-電混合是指由傳統的航空燃油發動機和鋰電池組成混合推進系統,而電-電混合則是由氫燃料電池和鋰電池提供混合動力。在具體的工作方式上,則需結合不同動力裝置的特性和飛機的飛行特點加以設計。

康桂文談到,飛機起飛時所需功率最高。因此,油-電混合動力飛機起飛階段中鋰電池和燃油發動機一起工作,通過鋰電池分擔部分功率,減少燃油消耗。而在起飛結束后的巡航階段,保持平穩飛行所需功率一般只有起飛狀態下的三分之一,此時可以只開啟燃油發動機,既提供飛行的動力,又能同時為鋰電池充電。最后降落階段的功率需求更小,理論上只使用鋰電池就能滿足需求。

“電-電混合動力飛機則有所不同。”康桂文表示,氫燃料電池通過氫與氧氣的反應發電,產物主要是水,幾乎沒有污染。但通過化學反應發電的氫燃料電池,放電比較緩慢,難以快速達到起飛功率,不能單獨用于起飛階段,因而需要鋰電池加以輔助。所以,電-電混合動力飛機的工作模式是在起飛階段同時使用氫燃料電池和鋰電池提供動力,巡航階段只開啟氫燃料電池,降落階段既可以單獨使用氫燃料電池也可只啟動鋰電池。

記者了解到,相比傳統的燃油動力飛機,混合動力飛機除了具備環保優勢,還能夠大幅度降低運營成本并提高乘坐舒適性。美國混合動力飛機初創公司Zunum Aero評估認為,混合動力推進飛機排放量僅是同類傳統飛機的20%。通過減少燃油消耗,混合動力飛機能為航空公司節省40%至80%的運營成本。由于電動系統運行振動更小,飛行過程中的噪音也可減少75%。

“此外,混合動力飛機相當于有兩個動力系統,可以互為備份,一旦飛行過程中有一個出現問題,另一個能夠保證安全滑翔降落。”康桂文說。

商業運營 尚需時日 目前主要集中在搭載數人的小型飛機上

“當前國內外對混合動力飛機的研發還處在開發階段,沒有達到實際應用的程度。”康桂文告訴科技日報記者,由于現階段電池和電動機技術的限制,大飛機上的航空發動機是無法用電動機替代的,國際上正在研究使用電動系統助力大型飛機滑跑。這是由于飛機滑跑階段發動機為部分功率運轉,燃油燃燒效率低,污染比較嚴重。波音、空客等公司正在進行載客100人左右的混合動力支線飛機的論證,但目前尚未公布詳細的技術方案。

“因此,現在關于混合動力飛機的研究主要集中在小型飛機上,特別是用于通用航空領域,如‘專業作業’的森林尋險、緊急救援以及‘消費作業’的私人飛行執照培訓、娛樂飛行等。混合動力小型飛機也處于飛行驗證階段,沒有進入商業運營。”康桂文談道,國內方面,沈陽航空航天大學遼寧通用航空研究院和中國科學院大連化學物理研究所合作研制的電-電混合動力有人機和無人機都已經進行過試驗飛行。國際方面,美國、加拿大、歐盟等也都在進行相關研制,并已有多次試飛。但已經試飛過的幾乎都是只能搭載2到4人、功率不超過200千瓦的小型飛機,前文提及的俄羅斯500千瓦混合動力飛機能夠搭載8人左右,相當于小公務機型,現在還在計劃當中。

記者了解到,2016年9月29日,全球第一架采用電-電混合動力的飛機,代號HY4,在德國成功試飛。HY4采用雙艙設計,巡航速度每小時165公里,航程可達1500公里。該項目由斯洛文尼亞蝙蝠飛機公司(Pipistrel)牽頭實施,歐盟出資900萬歐元支持,德國航空航天中心、烏爾姆大學、意大利米蘭理工大學等多個研究機構參與。HY4預計在2020年投入市場運營。

相比已經上天的混合動力飛機,正在研發中的方案顯得更有“雄心”。歐洲空客、勞斯萊斯和西門子“三大巨頭”計劃共同開發一款50到100個座位的油-電混合動力式客機,并計劃在2020年完成地面測試后首飛,到2030年量產上市。這款飛機名為“E-Fan X”,以英航BAE 146型四引擎支線飛機為原型。它計劃將四臺渦輪發動機的其中兩臺換成2兆瓦功率的電動渦扇發動機。

電-電混合 更有前景 飛機的心臟——動力系統是發展難點

“混合動力飛機的發展難點主要是飛機的心臟——動力系統,包括鋰電池和燃料電池都面臨一些技術瓶頸。”康桂文指出,飛機既要求足夠的動力,還需有很輕的重量。當前鋰電池的問題就在于能量密度不夠高,導致飛機超重或者動力不足。

“氫燃料電池一方面能量密度不足,同時還面臨氫儲存難題。”康桂文表示,氫氣的密度很低,現在飛機上用的儲氫方案主要是高壓氣罐和液體儲存兩種。高壓氣罐的壓力需要達到35或者70兆帕,氫氣液化則要保持零下250攝氏度的低溫,這些技術用于飛機的長時間持續飛行都有難度。此外,由于電池功率限制,電—電混合動力飛機的飛行速度不高,還滿足不了航空運營要求。

“就像電動車的發展要兼顧經濟性和里程一樣,現階段的油-電混合是綜合考慮環保、航程、航時、經濟的一個折中型方案。”康桂文認為,如果鋰電池技術實現突破性的發展,比如能量密度在現有基礎上能夠提高2到3倍,油—電混合這種折中、過渡的方案就不需要了,純電動飛機就能夠實現4人以下的航空運輸。電—電混合完全無污染,環境更友好,也能夠滿足航程要求。

各國都比較重視氫燃料電池汽車的研發,資金人力投入更多,氫燃料電池技術愈發成熟,安全性進一步提升。在汽車上應用成熟后,就可以技術移植到航空領域,這也符合航空對安全性的更高要求。因此,電—電混合是更有前景的混合動力飛機方案。

責任編輯:伍行健
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