X-57的電動機(jī)進(jìn)行地面測試
世界上有很多基于燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)試驗(yàn)設(shè)施，燃?xì)鉁u輪發(fā)動技術(shù)仍在不斷進(jìn)步。但對于方興未艾的電推進(jìn)技術(shù)來說并非如此。目前，航空界正在開展用于未來航空運(yùn)輸?shù)母鞣N電驅(qū)動概念研究，但是這些概念在安裝到飛機(jī)上試飛之前必須先在地面經(jīng)過大規(guī)模和高功率的試驗(yàn)，以排除安全性問題。
填補(bǔ)試驗(yàn)和實(shí)際飛行空缺
飛機(jī)電推進(jìn)系統(tǒng)必須做到重量輕，而且要在高功率、高電壓和高空工作，這些條件是使用電驅(qū)動的汽車和其他行業(yè)未曾遇見過的。電力與熱管理、容錯控制、電磁干擾減緩和意外的系統(tǒng)交互，這些都是電推進(jìn)給飛機(jī)和發(fā)動機(jī)設(shè)計帶來的新問題，必須充分了解。
為了填補(bǔ)試驗(yàn)室和實(shí)際飛行之間的空缺，NASA正在建造一個試驗(yàn)設(shè)施——“NASA電動飛機(jī)試驗(yàn)臺”（NEAT），以實(shí)現(xiàn)未來單通道飛機(jī)全尺寸、實(shí)際飛行重量的動力裝置在地面完成直到技術(shù)成熟度6級的試驗(yàn)，為實(shí)際飛行做好準(zhǔn)備。
NEAT是測試功率水平高達(dá)24兆瓦、匯流條電壓高達(dá)4500伏的完整驅(qū)動系統(tǒng)。NEAT坐落于NASA格林研究中心Plumb Brook試驗(yàn)站，此前這里是一個超聲速風(fēng)洞和核熱火箭測試設(shè)施。
經(jīng)過翻新后，NASA于2016年9月在該設(shè)施中進(jìn)行了第一次低功耗測試，使用一對現(xiàn)成的電動機(jī)來模擬通用電氣CF34渦扇發(fā)動機(jī)。NEAT現(xiàn)在配備了適用于波音737大小的機(jī)型的電動裝置來測試STARC-ABL——帶后邊界層推進(jìn)的單通道渦輪電推進(jìn)飛機(jī)。該機(jī)是NASA面向未來混合電動航班的概念機(jī)。
150座客機(jī)是攻關(guān)重點(diǎn)
STARC-ABL驅(qū)動系統(tǒng)的測試計劃于2017年9月開始，功率為0.5兆瓦，到2018年將增至2.6兆瓦。其他配置的試驗(yàn)隨后進(jìn)行。NASA格林中心的混合動力電推進(jìn)技術(shù)主管羅杰·戴森說：“從長遠(yuǎn)來看，我們計劃對不同電氣化階段的150座級單通道客機(jī)的電動力裝置進(jìn)行測試?！?/p>
之所以選擇Plum Brook作為NEAT所在地，是因?yàn)樗郧笆腔鸺郎y試設(shè)施和馬赫數(shù)7的風(fēng)洞，具有支持大功率常規(guī)和超導(dǎo)電驅(qū)動測試所需的功率、冷卻和低溫設(shè)施。
NASA在該設(shè)施翻新之后進(jìn)行了適度的初始試驗(yàn)，即運(yùn)行一對125千瓦的電動機(jī)和NASA開發(fā)的控制軟件及為NEAT安裝的儀器冷卻和其他服務(wù)。該測試還提供了有關(guān)電磁干擾的數(shù)據(jù)，以支持X-57“麥克斯韋”分布式電推進(jìn)驗(yàn)證機(jī)的開發(fā)。戴森說，X-57的功率等級在200kW，與NEAT初始試驗(yàn)類似。該機(jī)計劃2018年進(jìn)行試飛。
NASA現(xiàn)在在設(shè)施內(nèi)安裝一個737機(jī)身和截斷翼，為全尺寸單通道電動力系提供正確的布線和接線長度。對于STARC-ABL配置，其中翼下渦輪風(fēng)扇的發(fā)電機(jī)在尾部驅(qū)動涵道風(fēng)扇，渦輪發(fā)電機(jī)之間將有9.75米，從翼根到尾部推進(jìn)器為21.03米。
對于STARC-ABL測試，包括將尾部限制在6.10米長度范圍內(nèi)，將壓力高度升至15240米高度，以測試全功率的電機(jī)和逆變器。因?yàn)樵谶@個高度下，高電壓電弧對電機(jī)性能有較大影響。戴森說，NEAT設(shè)計用于測試波音737尺寸窄體噴氣式飛機(jī)的電動力裝置，但是可以在2024年之后進(jìn)行擴(kuò)展，以測試更寬的飛機(jī)。
NEAT試驗(yàn)臺計劃于2017年8月安裝完成。測試將從混合電動地面車輛中使用的貨架產(chǎn)品牽引電機(jī)開始。戴森說，由帕克生產(chǎn)的125千瓦永磁電機(jī)是最輕，最小的。電機(jī)以軸對連接的方式安裝：驅(qū)動和負(fù)載。他們一起模擬發(fā)電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動涵道風(fēng)扇。
電力推進(jìn)節(jié)能明顯
在STARC-ABL概念中，尾部中的涵道風(fēng)扇可吸收在機(jī)身上緩慢移動的邊界層，為尾流注入能量，從而減少阻力。這減少了巡航所需的渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)的尺寸，又節(jié)省了重量和燃油。NASA的設(shè)計研究表明，盡管有額外的電氣部件、風(fēng)扇和涵道（這部分對節(jié)省燃油貢獻(xiàn)20%），完整的推進(jìn)系統(tǒng)可以節(jié)省7%～12%的燃油。
在NEAT試驗(yàn)臺中，每個渦輪風(fēng)扇由一對電動機(jī)模擬，這對電動機(jī)被控制以匹配燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的速度、扭矩和慣性曲線。尾部推進(jìn)器是由成對的電動機(jī)模擬的，這些電動機(jī)被控制以模擬不同高度的涵道風(fēng)扇的動力。
測試將從8個250千瓦的電動機(jī)對開始，為涵道風(fēng)扇提供0.5兆瓦功率，但到2018年晚期，當(dāng)為NASA開發(fā)的高功率電機(jī)可用時，該試驗(yàn)臺將從每個模擬渦輪風(fēng)扇產(chǎn)生1.4兆瓦電力以驅(qū)動尾部推進(jìn)器處于其完全的2.6兆瓦功率水平。
戴森說，NASA正在資助5個不同的項(xiàng)目來開發(fā)1兆瓦的電機(jī)，這些電機(jī)對于航空使用來說是足夠高效和輕的?！八鼈冇胁煌募軜?gòu)，但是初步的演示顯示他們都接近99%的效率和13kW/kg的比功率的要求，到2018年，我們預(yù)計將有符合規(guī)格的硬件?！?/p>
STARC-ABL是從發(fā)動機(jī)到發(fā)電機(jī)、電機(jī)到風(fēng)扇的串聯(lián)混合動力。作為下一步，NASA計劃在NEAT中測試波音SUGAR Volt的并聯(lián)混合架構(gòu)。這種架構(gòu)采用安裝在渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)軸上的電動機(jī)，以使用電池在起飛和爬升時增加推力。除此之外，戴森說，NEAT可以測試實(shí)驗(yàn)航宇系統(tǒng)公司的ECO-150分布式渦輪推進(jìn)概念，這種概念是在采用安裝機(jī)翼上的渦輪發(fā)電機(jī)驅(qū)動嵌入在機(jī)翼中的涵道風(fēng)扇陣列。