2021年，航空機電與飛控領(lǐng)域繼續(xù)向電氣化和自主化方向發(fā)展，多個重要項目繼續(xù)進行，通過演示驗證提升技術(shù)成熟度。在電動飛機迅速發(fā)展的趨勢引領(lǐng)下，高功率密度電機、高能量密度儲能技術(shù)等發(fā)展迅速，同時，自主飛行技術(shù)成為研發(fā)熱點。
一、從政府到企業(yè)大力推動航空電氣化發(fā)展
1.英國政府資助全電推進系統(tǒng)研究項目
2021年1月，英國政府商業(yè)/能源和工業(yè)戰(zhàn)略部、航空航天技術(shù)研究所（ATI）、創(chuàng)新英國共同支持的“電動飛機綜合飛行控制、儲能與推進技術(shù)研究”（INCEPTION）項目正式啟動。該項目由藍熊系統(tǒng)研究公司（Blue Bear Systems Research）牽頭，項目周期24個月，旨在研發(fā)高功率密度、低噪聲、高效率、零排放全電推進系統(tǒng)。該推進系統(tǒng)具有可擴展性，將發(fā)展系列型號。項目研制的首個型號將用于5噸內(nèi)的小型飛機。通過模塊化擴展，該系統(tǒng)能為不同類型飛機提供動力。
圖 1 藍熊系統(tǒng)研究公司研制的綜合推進系統(tǒng)
2.NASA X-57項目開展高壓地面試驗
2021年2月，美國航空航天局（NASA）X-57“麥克斯韋”項目啟動了高壓地面試驗。根據(jù)計劃，X-57驗證機將首先開展低功率試驗，測試啟動和停機程序，驗證電機控制軟件效能；隨后將啟動2臺巡航電機，測試螺旋槳工作情況；進而提高電機功率，驗證功率輸出情況，測試儀表、傳感器是否正常；高壓試驗是地面試驗的最終驗證階段，是滑行試驗前的關(guān)鍵步驟。turbojet engine
3.歐盟“潔凈天空2”計劃支持航空領(lǐng)域電氣化高效應(yīng)用
2021年1月，歐盟“潔凈天空”計劃網(wǎng)站介紹了“飛機模塊化電力變換解決方案”（AMPS）項目的研究情況。該項目旨在開發(fā)既能有效傳輸功率又能供高功率密度的方法。研究團隊首先設(shè)計并制造了一系列電源模塊，隨后使用其中一種模塊構(gòu)建了一個高壓直流矩陣變換器演示器，成功開發(fā)出首款符合航空航天標準的無基座電源模塊。該無基座電源模塊不僅體積小、成本低、重量輕，且易于集成到配電系統(tǒng)中。
2021年6月，歐盟“潔凈天空”計劃網(wǎng)站介紹了“可靠飛機電絕緣系統(tǒng)選擇”（RAISE）項目的研究情況。該項目旨在解決寬禁帶半導(dǎo)體的可靠性問題，使航空領(lǐng)域更安全、更高效地部署寬禁帶半導(dǎo)體設(shè)備，滿足多電飛機發(fā)展要求。RAISE項目綜合采用了雙重方法，實現(xiàn)了寬禁帶半導(dǎo)體設(shè)備的應(yīng)用模擬和實驗驗證。
圖 2 RAISE項目示意圖
4.柯林斯航空航天公司參與多個航空電氣化項目
2021年9月，柯林斯航空航天公司稱，其正在從多電系統(tǒng)到混合電推進各個方面不斷探索飛機電氣化可能性，以助力實現(xiàn)航空脫碳目標?？铝炙购献骰锇槠栈菁幽么蠊居媱潓⑿碌幕旌想娡七M技術(shù)集成到德哈維蘭加拿大“沖-8”（Dash-8）飛行驗證機中。普惠公司的發(fā)動機將與柯林斯的先進電機以混合配置相結(jié)合，能夠在飛行的不同階段優(yōu)化發(fā)動機性能，節(jié)省約30%的燃料?？铝炙惯€與英國混合航空器公司和諾丁漢大學(xué)的研究人員合作，研制出全球第一種“Airlander10”零排放飛艇。為了實現(xiàn)零排放運營目標，柯林斯航空航天公司500千瓦電機將取代“Airlander10”飛艇上配裝的四臺燃油發(fā)動機。該項目將分階段進行，從2025年的兩臺前置發(fā)動機開始實現(xiàn)混合電動運行，到2030年的兩臺后置發(fā)動機實現(xiàn)零排放。此外，柯林斯正在與NASA和伊利諾伊大學(xué)合作研制兆瓦級的電機，以推動未來更環(huán)保和更經(jīng)濟的可持續(xù)飛機。在2021年春，該電機在伊利諾伊州羅克福德市柯林斯電力系統(tǒng)卓越中心的實驗室進行了測試。
5.萊特電氣公司計劃2026年前實現(xiàn)全電動支線客機商用化
2021年11月，萊特電氣（Wright Electric）公司表示，計劃2026年前實現(xiàn)全電動型BAE146系列支線客機的商用化。新電動支線飛機重新命名為“萊特精神”（Wright Spirit），將使用航空電機取代飛機原有的四臺渦扇發(fā)動機，使其續(xù)航時間達到一小時左右。根據(jù)萊特電氣公司計劃，2022年底前將完成新航空電機、變頻器和推進槳葉的開發(fā)，2023年使用完整的電推進裝置取代現(xiàn)有渦扇發(fā)動機，并完成首架電動BAE146飛機的試飛。萊特電氣公司設(shè)計的2兆瓦航空電機比其他廠商的產(chǎn)品功率大四倍左右，比功率達到10千瓦/千克；該逆變器效率達99.5%，比功率高達30千瓦/千克，可集成功率500千瓦到20兆瓦范圍的電推進系統(tǒng)。變頻器具有較低熱損失率，能夠更有效儲能，增加飛機航程和有效載荷。
二、先進電力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展迅速
1.兆瓦發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)逐漸成熟
2021年6月，羅羅公司啟動“動力生成系統(tǒng)1號”（Power Generation System 1，PGS1）航空發(fā)電系統(tǒng)地面試驗。該系統(tǒng)以AE2100發(fā)動機為核心機，提取軸功率發(fā)電，目標功率高達2.5兆瓦，是當前全球航空領(lǐng)域內(nèi)功率最大的發(fā)電系統(tǒng)。初始試驗在布里斯托市進行，主要涉及核心機、控制和熱管理技術(shù)領(lǐng)域。7月，挪威特隆赫姆工廠交付了發(fā)電機和電力電子設(shè)備，隨后進行全系統(tǒng)集成。12月，PGS1試驗功率超過1兆瓦，達到里程碑節(jié)點。
2021年3月，霍尼韋爾公司公布了一種正在開發(fā)中的全新渦輪發(fā)電機。該發(fā)電機專為空中出租車、貨運無人機和混合電動商用飛機設(shè)計，與目前A350XWB飛機上的HGT1700輔助動力裝置配套使用，可產(chǎn)生1兆瓦的電力?；裟犴f爾公司指出，許多新的空中出租車設(shè)計都采用了“分布式電推進架構(gòu)”，這種渦輪發(fā)電機可為飛機上的多臺電動機提供電力。
圖 3 霍尼韋爾兆瓦渦輪發(fā)電機
2.超導(dǎo)電力系統(tǒng)開始技術(shù)驗證
2021年3月，空客公司啟動了“先進超導(dǎo)冷卻試驗電力系統(tǒng)演示驗證”（ASCEND）項目，研究基于超導(dǎo)技術(shù)的電推進系統(tǒng)技術(shù)。該項目為期3年，目標是通過高溫超導(dǎo)技術(shù)大幅提高電推進系統(tǒng)功率密度和效率（功率密度較常規(guī)系統(tǒng)提高2-3倍，效率達到97%），以滿足未來大型長航程電動飛機的需求。項目將研制500千瓦級全電/混合電推進系統(tǒng)，包括：超導(dǎo)配電系統(tǒng)（超導(dǎo)電纜和電力電子設(shè)備）、低溫電機控制器、超導(dǎo)電機、冷卻系統(tǒng)。空客公司已經(jīng)啟動了ZEROe氫動力飛行器項目，開展液氫在航空推進系統(tǒng)的應(yīng)用。ASCEND項目可與之結(jié)合，利用機載液氫作為冷卻系統(tǒng)的冷源。heavy fuel engine
圖 4 ASCEND系統(tǒng)示意圖
2021年7月舉行的莫斯科航展上，采用超導(dǎo)電機的雅克-40飛機進行了演示飛行。該機的500千瓦高溫超導(dǎo)電機由俄羅斯前景研究基金會與SuperOx公司共同研發(fā)，項目于2016年12月啟動；2020年7月進行了世界上首次基于統(tǒng)一高溫超導(dǎo)平臺的航空綜合電力系統(tǒng)部件的實驗室試驗，平臺由電池、高溫超導(dǎo)電纜、高溫超導(dǎo)限流裝置和高溫超導(dǎo)電動機組成。2020年12月，SuperOx公司將超導(dǎo)電動機安裝在了作為試飛平臺的雅克-40飛機上，并進行了螺旋槳試運行。2021年2月開始進行地面臺架測試，隨后進行了地面滑行測試。
3.GE航空公司為“隼”10X公務(wù)機開發(fā)下一代配電系統(tǒng)
2021年7月，達索公司選擇了GE航空公司為其“隼”10X公務(wù)機項目提供主配電和二次配電系統(tǒng)。GE航空公司表示，“隼”10X的主配電和二次配電系統(tǒng)采用下一代設(shè)計方案，減少了設(shè)備，重量將比傳統(tǒng)架構(gòu)減少很多。這種配電系統(tǒng)通過一套構(gòu)型工具支持，為達索公司提供了高效配電能力，也為調(diào)整飛機客艙構(gòu)型帶來了靈活性。GE航空公司將利用位于英國切爾滕納姆的電源綜合中心（EPIC）先進的建模、仿真和分析軟件工具來預(yù)測該系統(tǒng)及其組件的運行狀態(tài)，同時還將在“銅鳥”試驗臺上進行全系統(tǒng)試驗。
4.賽峰集團和Pyroalliance公司共同開發(fā)高壓斷路器
2021年5月，賽峰集團宣布與Pyroalliance公司合作，為未來電動飛機上的大功率電網(wǎng)開發(fā)應(yīng)急電氣斷路解決方案。高壓斷路器解決方案適用于帶有電推進系統(tǒng)的飛機，其電網(wǎng)的電壓范圍為800-1200伏。該解決方案具備“毫秒級”超快速使用特性，可在發(fā)生電力故障的情況下為機上電網(wǎng)提供保護。
5.先進電機助力電動飛機發(fā)展
2021年6月，美國MagniX公司發(fā)布了兩種電機Magni350和Magni650，功率分別為350千瓦和650千瓦，兩者采用相同的通用核心架構(gòu)，配備該公司MagniDrive-100逆變器與電機控制器，采用液冷，轉(zhuǎn)速可達2300轉(zhuǎn)/分，可在10600米高空環(huán)境運行。
2021年10月，無人機愿景網(wǎng)站報道稱羅羅公司、Magnax公司等多家企業(yè)都在研究軸向磁通電機技術(shù)。由于轉(zhuǎn)矩重量比很高，軸向磁通電機被認為是電動航空的未來。Magnax公司宣稱，其軸向磁通電機的峰值與標稱比功率分別為15千瓦/千克和7.5千瓦/千克。
圖 5 Magnax公司軸向磁通電機
6.新型航空電池提升能量密度
2021年3月，法國LiBAT實驗室開發(fā)出能使載人滑翔機平飛的交流電池組，目前已通過實驗室測試。LiBAT研發(fā)團隊利用多電平逆變技術(shù)，開發(fā)出結(jié)構(gòu)獨特、性能可調(diào)的交流電池系統(tǒng)；利用電子氟化液對電池和多電平逆變器進行沉浸式熱管理，使得電池組重量較輕、尺寸較小，能量密度較高、輸出功率較大。
2021年4月，NASA開始實施“增強可充電性和安全性的固態(tài)架構(gòu)電池”（SABERS）項目，研究如何通過使用全新的材料和新穎的構(gòu)造方法來制造更安全的電池，目標是制造一種比目前使用的鋰離子電池具有更高能量的、可用于電動飛機的電池。項目團隊對使用硫和硒元素的獨特組合來保持電荷的方法進行了研究，發(fā)現(xiàn)固態(tài)硫硒電池具有諸多優(yōu)點。SABERS項目重點關(guān)注五個因素：安全性、能量密度、放電率、封裝設(shè)計和可擴展性。
2021年4月，英國OxisEnergy公司推出用于電動飛機的高性能固態(tài)鋰硫電池，性能較傳統(tǒng)鋰離子電池有顯著提升。OxisEnergy公司第一代準固態(tài)鋰硫電池單體比能量450瓦時/千克，能量密度550瓦時/升。據(jù)公司初步推測，2023年秋，固態(tài)鋰硫電池相關(guān)性能指標可提高到550瓦時/千克、700瓦時/升，2026年可提高到600瓦時/千克、900瓦時/升。
圖 6 OxisEnergy鋰硫電池原理示意圖
三、環(huán)控系統(tǒng)與防除冰技術(shù)推陳出新
1.泰萊達因控制公司新型環(huán)境傳感器獲FAA補充型號合格證
2021年3月，泰萊達因控制公司（Teledyne Controls）為波音737飛機開發(fā)的新型飛機客艙環(huán)境傳感器（ACES）獲得美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）補充型號合格證，成為同類產(chǎn)品中“首個獲得FAA認證的產(chǎn)品”。ACES系統(tǒng)采用傳感器和飛機數(shù)據(jù)采集技術(shù)相結(jié)合的方式，實現(xiàn)對客艙環(huán)境信息的采集，可記錄13個環(huán)境參數(shù)，包括0.3到10微米的空氣顆粒物、二氧化碳、一氧化碳、臭氧、揮發(fā)性有機化合物和其他一些參數(shù)。這些參數(shù)跟蹤可能在客艙中發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)，如液壓油、發(fā)動機滑油、除冰液或燃油。
2.美國BREEZE公司推出創(chuàng)新型機載空氣凈化過濾器
2021年6月，美國BREEZE公司開發(fā)出一種新型空氣凈化過濾器，并在實驗室環(huán)境條件（模擬飛機通風(fēng)系統(tǒng)條件）下完成原型產(chǎn)品演示。演示結(jié)果表明，這種新型過濾器可成功降低85%的揮發(fā)性有機化合物和80%的臭氧，同時具有去除生物污染物的特性。新型過濾器技術(shù)結(jié)合了吸附和光催化（PCO）。PCO過程可產(chǎn)生高活性物質(zhì)，如羥基自由基，在光催化劑暴露于具有足夠能量使其活化的光中時，能夠礦化有機物并破壞臭氧和生物污染物。
3.美國弗吉尼亞理工學(xué)院研究新型靜電除冰技術(shù)
2021年2月，美國弗吉尼亞理工學(xué)院研究人員在美國國家科學(xué)基金的資助下進行了靜電除冰研究，有望利用冰霜的電荷分離效應(yīng)開發(fā)出一種顛覆式的除霜/除冰解決方案。研究團隊在物體表面上人為生成了一層冰霜，然后通過濾紙在冰霜上面懸浮了一層水膜，通過高速攝像機觀察發(fā)現(xiàn)，由于異向電荷相吸，冰霜帶負電的頂部受到水膜中正離子的吸引，產(chǎn)生的電場會使冰霜顆粒從物體表面脫落。研究者認為，如果能夠放大這種靜電除冰效果，使整片冰或霜能即刻從其表面脫離，那將會改變飛機除冰行業(yè)的游戲規(guī)則。
四、自主飛行技術(shù)成為研發(fā)熱點
1.Xwing公司成功完成了無人機“門對門”自主飛行試驗
2021年2月，Xwing公司對其改裝的塞斯納208B“大篷車”飛機進行了完全自主的“門對門”飛行試驗。試驗在位于加利福尼亞康科德的布坎南機場進行的，飛機由任務(wù)中心進行遠程監(jiān)控，并搭載了一名飛行員用于在緊急情況時操控飛機。飛機從機庫門滑向跑道、起飛、降落，然后完全自主地返回機庫門，過程中與空管員的所有交流都是由任務(wù)中心的地面監(jiān)控人員進行的，地面監(jiān)控人員通過多冗余數(shù)據(jù)鏈來監(jiān)控飛行。
2.空客公司公布“頂點”直升機自主飛行系統(tǒng)研究項目
2021年4月，空客公司稱正在開展一個名為“頂點”（Vertex）的直升機全自主飛行能力研發(fā)項目，該項目使用的飛行試驗平臺為一架改裝的H130直升機，飛行員可通過觸屏設(shè)置飛行目的地并在系統(tǒng)推薦方案中選擇合適的飛行路線。該技術(shù)還具備障礙物探測能力，可在低速、低空飛行時自動探測并規(guī)避飛行路線上的障礙物。項目預(yù)計將于2023年開始飛行驗證。
“頂點”系統(tǒng)的組成包括一套先進傳感器、攝像機和激光雷達組成的探測系統(tǒng)，用于為飛行器提供其所處環(huán)境狀態(tài)的實時數(shù)據(jù)；使用2臺機載計算機，一臺用于視景系統(tǒng)，一臺用于航電系統(tǒng)，每臺計算機的計算能力都是當前產(chǎn)品的500-800倍；2臺計算機將處理各種傳感器獲取的數(shù)據(jù)，并通過算法識別障礙物，構(gòu)建三維地圖，識別直升機停機坪，最后完成飛行規(guī)劃并對電傳飛控系統(tǒng)實施操縱。
圖 7 空客“頂點”系統(tǒng)示意圖
3.瑞士蘇黎世大學(xué)利用人工智能實現(xiàn)無人機在未知環(huán)境下的自主高速飛行
2021年10月，瑞士蘇黎世大學(xué)的研究人員稱開發(fā)了一種新方法，可以使四旋翼飛行器僅憑借使用機載傳感和計算設(shè)備，在沒有地圖的未知復(fù)雜環(huán)境中自主高速飛行。該研究團隊在一架自主四旋翼飛行器應(yīng)用人工智能技術(shù)，使之可以在森林、建筑物、廢墟和火車等未提前準備地圖的環(huán)境中以高達40千米/小時的速度飛行且不會撞到障礙物。無人機的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是通過“觀察”一種“模擬專家”來學(xué)習(xí)飛行的。這種“模擬專家”是種算法，可隨時能獲取關(guān)于四旋翼飛行器狀態(tài)完整信息，依靠足夠的時間和計算能力找到最佳飛行路線。
4.天空居民公司完成飛機自主性與制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制飛行演示
2021年10月，太陽能飛機開發(fā)商天空居民航空公司（Sky Resident Aero）宣布，基于先前演示中收集和評估的數(shù)據(jù)，成功完成了飛機自主性與制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制系列飛行演示。該公司通過10次飛行測試了自主飛機控制和航路點導(dǎo)航功能，評估了所有自動駕駛儀指令，驗證了自主系統(tǒng)技術(shù)的初步能力以及不同高度的飛行品質(zhì)，并安裝和評估了新的通信鏈路和各種自動起降傳感器，以確保飛機為下一次升級做好準備。
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