據(jù)aviationweek網(wǎng)站2019年3月28日刊文，與全球諸多航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造商一樣，羅羅公司也正處在軍、民用航空領(lǐng)域的新興電力革命浪潮之中。隨著在新型推進(jìn)技術(shù)的多個(gè)并行領(lǐng)域開展嘗試，該公司21世紀(jì)電動(dòng)飛機(jī)戰(zhàn)略發(fā)展計(jì)劃的關(guān)鍵細(xì)節(jié)逐漸顯現(xiàn)。羅羅公司在新型推進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域的嘗試主要包括如下3個(gè)方向：針對近期多電飛機(jī)需求的嵌入式起動(dòng)/發(fā)電機(jī)測試；旨在打造世界上最強(qiáng)勁的飛機(jī)發(fā)電機(jī)E-Fan X計(jì)劃；推動(dòng)電動(dòng)技術(shù)發(fā)展的ACCEL、eVTOL和Volante項(xiàng)目。
一、把握電氣化發(fā)展機(jī)遇，立足燃?xì)廨啓C(jī)優(yōu)勢形成航空電氣化能力
羅羅公司內(nèi)部新近成立了電氣(Rolls-Royce Electrical)部門，專門負(fù)責(zé)監(jiān)管電氣化相關(guān)的新工業(yè)戰(zhàn)略，以應(yīng)對航空領(lǐng)域電氣化這一“不可避免的趨勢”。該部門主管薩拉·波克森(Sara Poxon)表示，“我們正處于歷史的關(guān)鍵時(shí)刻。”
汽車行業(yè)(預(yù)計(jì)到2040年將有多達(dá)10億輛電動(dòng)汽車運(yùn)行)推動(dòng)了電動(dòng)相關(guān)技術(shù)發(fā)展，提高了電機(jī)、電力電子設(shè)備和能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的功率密度，“相關(guān)技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用即將實(shí)現(xiàn)，我們意識(shí)到了這一現(xiàn)實(shí)。”波克森表示，羅羅公司的電動(dòng)戰(zhàn)略將基于在燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)方面的工業(yè)優(yōu)勢。“我們沒有指望電動(dòng)革命在一夜之間發(fā)生，”波克森表示，“在接下來的5年、10年乃至15年間，我們預(yù)計(jì)公司的大部分核心能力仍然集中在燃?xì)廨啓C(jī)領(lǐng)域，這也是我們繼續(xù)發(fā)展現(xiàn)有能力的原因。”
隨著燃?xì)廨啓C(jī)的不斷優(yōu)化以及未來飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)與機(jī)身更緊密的集成，2個(gè)關(guān)鍵因素推動(dòng)了羅羅公司將電氣化作為產(chǎn)品創(chuàng)新的關(guān)鍵領(lǐng)域之一。其一是電氣化領(lǐng)域內(nèi)的巨額資金正在培育新一代競爭對手，其二是由于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展在未來數(shù)十年可能遇到瓶頸，會(huì)限制航空業(yè)的長期可持續(xù)發(fā)展。
“在傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，我們即將達(dá)到技術(shù)曲線上的頂峰，材料技術(shù)無法獲得無限制的持續(xù)改進(jìn)。”波克森表示，為了達(dá)成國際航空研究合作項(xiàng)目(ICARe，歐盟在H2020框架內(nèi)設(shè)立的多國航空合作平臺(tái)項(xiàng)目)設(shè)立的2050年減排量目標(biāo)，“無論是飛機(jī)設(shè)計(jì)還是發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)都必須徹底改變，電氣化將成為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的促成技術(shù)。”
隨著羅羅公司對電氣化領(lǐng)域的日益關(guān)注，該公司在維持其現(xiàn)有能力的同時(shí)，開始關(guān)注永磁推進(jìn)器等電氣產(chǎn)品領(lǐng)域，在最近對商業(yè)、海運(yùn)等業(yè)務(wù)的剝離過程中，相關(guān)電氣化部分也得以保留。“最值得注意的一點(diǎn)是，羅羅公司在挪威特隆赫姆設(shè)有一個(gè)名為智能電機(jī)(SmartMotor)的設(shè)計(jì)集團(tuán)，在向康斯伯格公司的業(yè)務(wù)出售過程中，羅羅公司將該集團(tuán)保留下來，并更名為挪威羅羅電氣(Rolls-Royce Electrical Norway)。羅羅公司還擁有動(dòng)力系統(tǒng)公司(Power Systems)，該公司已經(jīng)完成了混合動(dòng)力列車、微電網(wǎng)和潛艇技術(shù)的研究。因此羅羅公司具有豐富的混合動(dòng)力經(jīng)驗(yàn)，正在確保將這些技術(shù)中的一部分協(xié)同起來。”波克森表示。
廣泛的行業(yè)研究表明，電推進(jìn)的初始應(yīng)用更有可能在較小規(guī)模下實(shí)現(xiàn)。奧爾表示，“在有效載荷、速度和航程較大的應(yīng)用場景，混合電動(dòng)和多電技術(shù)更為合理；在有效載荷、速度和航程較小的應(yīng)用場景，全電技術(shù)更為適合。就時(shí)間表而言，可能需要5年乃至25年、35年以上。”
羅羅公司認(rèn)為未來的單通道客機(jī)的電池化學(xué)成分可能與當(dāng)前完全不同，未來將需要更高的電壓以提供高達(dá)數(shù)十兆瓦的功率。波音787是世界上首架多電飛機(jī)，其儲(chǔ)能元件的能量密度達(dá)到150 Wh/kg，電力電子設(shè)備功率密度為5kW/kg，2臺(tái)發(fā)電機(jī)的功率密度為3kW/kg。但2030年代的小型混合電動(dòng)客機(jī)的能量密度需求高達(dá)1,000 Wh/kg，電力電子設(shè)備的功率密度需要4倍于787技術(shù)水平，發(fā)電機(jī)功率密度需要20kW/kg。
二、在多電飛機(jī)和電推進(jìn)飛機(jī)方面已開展多項(xiàng)工作
羅羅公司的發(fā)展戰(zhàn)略反映了電氣化技術(shù)影響航空業(yè)的2種方式，其一是漸進(jìn)發(fā)展式，例如多電飛機(jī)技術(shù)；其二是顛覆性的革命方式，如電推進(jìn)技術(shù)。羅羅公司目前在這兩條路線上均開展了的研究工作。
1、持續(xù)推進(jìn)多電技術(shù)提升——針對近期多電飛機(jī)需求的嵌入式起動(dòng)/發(fā)電機(jī)的研究
羅羅公司在位于英國布里斯托的工廠正在開展E2SG項(xiàng)目，該項(xiàng)目在阿杜爾軍用發(fā)動(dòng)機(jī)上裝載了嵌入式電動(dòng)起動(dòng)發(fā)電機(jī)并開展測試。“我們從智能電動(dòng)機(jī)團(tuán)隊(duì)獲得了從高壓(HP)軸和低壓(LP)軸獲取動(dòng)力的經(jīng)驗(yàn)，本項(xiàng)目是一種雙軸電力輸出電氣系統(tǒng)，”羅羅公司電氣的團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人埃迪奧爾(Eddie Orr)表示。“這一設(shè)計(jì)非常成功，同時(shí)將電氣、機(jī)械、熱管理和海洋等領(lǐng)域的工程師匯聚到一起。”
這項(xiàng)工作建立在2017年的研究基礎(chǔ)上，此前的工作中，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后通過嵌入式高壓軸起動(dòng)發(fā)電機(jī)切換到發(fā)電模式。“今年我們將把發(fā)電機(jī)與低壓軸連接，”奧爾說。“我們繼續(xù)使用高壓軸起動(dòng)發(fā)電機(jī)，并將能量存儲(chǔ)引入該系統(tǒng)。我們已經(jīng)完成了子系統(tǒng)檢查，現(xiàn)在正在與測試臺(tái)上的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行集成。”進(jìn)一步測試計(jì)劃于今年開展。
嵌入式電動(dòng)起動(dòng)/發(fā)電機(jī)在阿杜爾發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行測試，促進(jìn)了多電飛機(jī)技術(shù)發(fā)展。
上述E2SG的工作正在被納入英國“暴風(fēng)(Tempest)”第五代戰(zhàn)斗機(jī)項(xiàng)目。“該技術(shù)也可用于大型民用發(fā)動(dòng)機(jī)，團(tuán)隊(duì)正在研究如何更好地管理喘振裕度，”奧爾指出。“不需要打開引氣閥，該系統(tǒng)可通過減少電能輸出以降低壓縮機(jī)所做功。為了滿足平臺(tái)所需電能，可從高壓軸獲取剩余所需電能。”
2、在大飛機(jī)上開展電氣化關(guān)鍵部件技術(shù)驗(yàn)證——為空客E-Fan X驗(yàn)證機(jī)打造世界上最強(qiáng)勁的飛機(jī)發(fā)電機(jī)
羅羅公司與空客、西門子共同開發(fā)了E-Fan X演示驗(yàn)證機(jī)，用于評(píng)估支線客機(jī)的混合電推進(jìn)可行性。波克森表示，羅羅公司將提供2.5兆瓦發(fā)電機(jī)與電力電子設(shè)備，安裝于1臺(tái)AE2100渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)上。該發(fā)動(dòng)機(jī)將裝載在深度改裝的BAe 146/Avro RJ飛機(jī)上進(jìn)行飛行測試，如果測試成功，則該發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)會(huì)成為“世界上最強(qiáng)勁的飛機(jī)發(fā)電機(jī)”。
羅羅公司與空客和西門子公司合作推出混合動(dòng)力電動(dòng)E-Fan X驗(yàn)證機(jī)，計(jì)劃于2020年飛行。
測試平臺(tái)原本裝配有4臺(tái)霍尼韋爾LF507渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，其中1臺(tái)會(huì)被電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)替換。該電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)配有碳化硅電力模塊和永磁材料，為電機(jī)提供3000V交流電以驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)。風(fēng)扇來自于1臺(tái)AE3007發(fā)動(dòng)機(jī)(羅羅公司上世紀(jì)90年代推出的大涵道比700公斤級(jí)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī))。雖然E-Fan X飛機(jī)的推進(jìn)裝置是燃?xì)廨啓C(jī)與電機(jī)的組合，因而屬于并聯(lián)式混合動(dòng)力，但該實(shí)驗(yàn)的主要目的是通過該電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)評(píng)估串聯(lián)混合動(dòng)力的可行性，在該模式下推進(jìn)裝置是電動(dòng)的，具有額外的儲(chǔ)能裝置。
奧爾表示發(fā)電機(jī)是一項(xiàng)綜合性的工作。“位于德比的電氣設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)正在與挪威羅羅公司電氣團(tuán)隊(duì)合作，并得到了美國和新加坡的支持。”該計(jì)劃的大部分內(nèi)容是作為歐洲清潔天空2研究計(jì)劃的一部分進(jìn)行的，但“有些方面獨(dú)立于該計(jì)劃”。在E-Fan X項(xiàng)目中，羅羅公司提供動(dòng)力裝置、發(fā)電機(jī)和風(fēng)扇，空客公司提供儲(chǔ)能和各系統(tǒng)的組合方案，西門子提供電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。
奧爾強(qiáng)調(diào)，E-Fan X預(yù)計(jì)將在2020年末推出，但電推進(jìn)飛機(jī)的最終構(gòu)型與E-Fan X不同。“電推進(jìn)飛機(jī)的概念可能發(fā)展為串聯(lián)混合電推進(jìn)，或邊界層吸入設(shè)計(jì)。目前開展的工作是展示大型高壓電機(jī)在高空工作的能力。尚有許多問題待解決，包括熱綜合管理、電暈放電，”他補(bǔ)充說，提到了防止高壓電纜在巡航高度產(chǎn)生電弧的挑戰(zhàn)。在這方面，羅羅公司很大程度上依賴于設(shè)置于大學(xué)中研究網(wǎng)絡(luò)，特別是在曼徹斯特，該研究網(wǎng)絡(luò)正在研究安裝故障以及電弧和火花的影響。
“主要問題是線纜和終端，因?yàn)閮烧叨加袡C(jī)會(huì)產(chǎn)生電暈效應(yīng)，”奧爾說。“線纜問題主要包括監(jiān)測潛在的絕緣擊穿現(xiàn)象，以及由于內(nèi)部放電電弧導(dǎo)致的電纜擊穿。還必須考慮機(jī)器和終端內(nèi)線圈的絕緣兼容性。因?yàn)檫@一領(lǐng)域尚屬空白，因而還有許多問題需要解決。“作為一家航空航天企業(yè)，研究成果需要在行業(yè)內(nèi)共享，每個(gè)人都需要了解圍繞電弧和火花的失效機(jī)制，但“團(tuán)隊(duì)解決問題的過程是我們行業(yè)競爭力的體現(xiàn)”。
3、在小型通用飛機(jī)上開展電動(dòng)飛機(jī)概念驗(yàn)證——推動(dòng)電動(dòng)技術(shù)發(fā)展的ACCEL、eVTOL和Volante項(xiàng)目
在全電推進(jìn)領(lǐng)域，羅羅公司和合作伙伴YASA領(lǐng)導(dǎo)了一項(xiàng)由英國政府支持的研究項(xiàng)目“加速飛行電氣化(ACCEL)”，以探索在演示飛機(jī)中使用高功率電氣系統(tǒng)。“這一項(xiàng)目是羅羅公司與電動(dòng)飛行(Electroflight)、YASA的合作。”波克森解釋道。“電動(dòng)飛行”是一家總部位于英國的公司，專門從事高性能電力系統(tǒng)包括儲(chǔ)能系統(tǒng)的研制。
ACCEL演示飛機(jī)，相關(guān)技術(shù)可用于電動(dòng)垂直起降和支線運(yùn)輸。羅羅公司計(jì)劃通過該機(jī)創(chuàng)造新的飛行速度記錄。
不到20名工程師和1名項(xiàng)目經(jīng)理致力于這一全電推進(jìn)飛機(jī)項(xiàng)目，計(jì)劃在36個(gè)月內(nèi)、使用有限的預(yù)算，完成從概念到飛行的全過程。“我們在項(xiàng)目中輪換工程師，目的在于促進(jìn)電力供應(yīng)鏈并提供電氣系統(tǒng)能力獲取的獨(dú)立途徑。我們專注于儲(chǔ)能和高功率密度電機(jī)技術(shù)。”這項(xiàng)電池驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)飛機(jī)項(xiàng)目的飛行測試預(yù)計(jì)在2020年開展，羅羅公司計(jì)劃創(chuàng)造新的空速記錄。
羅羅公司希望在ACCEL計(jì)劃中積累關(guān)于鋰離子電池模塊集成和封裝的寶貴經(jīng)驗(yàn)，以及更好地了解中央電池的熱分析方法，并確定電池可能在何種情況下發(fā)生過熱。此外，電池管理、以及特定復(fù)合材料是否有助于控制熱環(huán)境等問題也是羅羅公司在該計(jì)劃中可能遇到并需要解決的。
此外，羅羅公司針對個(gè)人飛行器和剛剛起步的城市空中交通市場的推出了小型電動(dòng)和混合動(dòng)力電動(dòng)計(jì)劃，公司旗下的印第安納波利斯集團(tuán)(Indianapolis)基于M250渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)了混合動(dòng)力系統(tǒng)，正在進(jìn)行地面測試。
羅羅公司M250是該公司混合動(dòng)力電動(dòng)五座電動(dòng)垂直起降研究(eVTOL)概念的核心。
該計(jì)劃始于2018年初，通過1年的工作，“研制1套混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)并演示了3種運(yùn)行模式-串聯(lián)混合動(dòng)力、并聯(lián)混合動(dòng)力和渦電。三種操作模式均已進(jìn)行測試，初始的地面測試于2018年第四季度完成，今年的計(jì)劃是研究準(zhǔn)備飛行的解決方案。這一項(xiàng)目覆蓋了500-800千瓦的功率范圍，是電動(dòng)垂直起降的最佳選擇。“波克森表示。
為了研究電推進(jìn)的技術(shù)可行性和發(fā)展挑戰(zhàn)，羅羅公司設(shè)計(jì)了自己的電動(dòng)垂直起降飛機(jī)。“這是羅羅公司第一次提出飛機(jī)層面的概念，概念的提出是基于M250混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)。”波克森表示。這款5座串聯(lián)式混合電動(dòng)飛機(jī)采用了螺旋槳和傾斜機(jī)翼設(shè)計(jì)，吸收了鷂式戰(zhàn)斗機(jī)的垂直/短距起降技術(shù)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，鷂式戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)“飛馬”由布里斯托爾航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司設(shè)計(jì)，該公司于上世紀(jì)60年代被羅羅公司兼并。M250的功率約500千瓦，驅(qū)動(dòng)6個(gè)電動(dòng)螺旋槳，能夠使該機(jī)以250英里/小時(shí)的速度飛行約500英里(800公里)。在巡航高度上，飛機(jī)的升力螺旋槳將折疊，由機(jī)身后部安裝的螺旋槳提供動(dòng)力。
奧爾表示，“我們尚未推出相關(guān)產(chǎn)品，但所做的所有技術(shù)和集成工作都會(huì)支持產(chǎn)品發(fā)展。”全尺寸飛機(jī)計(jì)劃也將與現(xiàn)有的飛機(jī)制造商和其他航空航天公司合作完成。“如果新的電動(dòng)飛機(jī)市場出現(xiàn)，大型企業(yè)希望確保其與現(xiàn)有市場一樣安全。”
羅羅公司還與汽車制造商阿斯頓馬丁公司、克蘭菲爾德航空航天解決方案公司以及克蘭菲爾德大學(xué)合作，開發(fā)一種用于城市和城際航空旅行的混合動(dòng)力3座飛機(jī)。該飛機(jī)被稱為Volante Vision概念機(jī)，動(dòng)力系統(tǒng)基于M250發(fā)動(dòng)機(jī)，初步計(jì)劃于20世紀(jì)20年代中期投放市場。
奧爾表示：“Volante目前只是一個(gè)概念，但假設(shè)解決了所有的整合挑戰(zhàn)，我們相信它可以飛行。該設(shè)計(jì)具有合適的功率和儲(chǔ)能水平，因此功率重量比良好。由于主推進(jìn)系統(tǒng)不是全電動(dòng)的，因此在適航認(rèn)證等方面存在挑戰(zhàn)。但作為工業(yè)界的一員，我們正在與監(jiān)管機(jī)構(gòu)和認(rèn)證機(jī)構(gòu)合作以克服這些障礙。”
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