形形色色的电动飞机

为了保护人类赖以生存的地球环境和应对能源问题,各行业都在积极开发绿色环保和高效节能的技术,其中包括航空业目前大力开发的电动力系统和电动飞机.经过数十年的发展,电动力系统和电动飞机技术已经取得了较大进展,一些小型螺旋桨电动通用飞机和无人机已经成功进行了试验飞行.但是电动力系统和电动飞机尚未达到实用,一些重大关键技术还有待...     

电动飞机核心技术研究综述

电动飞机技术是航空工业未来的发展方向,由于其大量减少了二氧化碳和其他污染物的排放,减少了飞机的噪声,提高了飞机效率,在未来有着广阔的市场前景,其核心技术是高效高功重比的电动机技术、高温电力电子变换技术和高能量密度电池技术。核心技术的突破对于混合动力和电动力航空未来发展起着至关重要的作用。     

基于静态排水和被动排热技术的全被动氢氧燃料电池研究

常规氢氧燃料电池系统较为复杂,为简化燃料电池系统,设计了一种基于静态排水和被动排热技术的全被动燃料电池。通过增加静态排水和导热板等组件,加强了燃料电池的功能性,减少系统关键零部件。极化性能显示全被动燃料电池与常规燃料电池性能相当,表明全被动燃料电池结构改进并未对燃料电池性能造成不良影响。测试结果表明,全被动燃料电池可长时间恒电流稳定工作,且运行期间电池内部温度仅存在小范围的稳定波动,说明电池运行中产生的废热和多余的水分可以通过导热性能较好的热解石墨和排水组件排出电堆,达到热量和水的平衡。这种基于静态排水和被动排热技术的全被动燃料电池简化了电池系统结构,提高了可靠性,在航天领域具有广阔的应用前景。     

载人月球任务能源系统初探

针对载人月球任务多样、实施环境复杂等特点,分析了载人登月任务能源系统需求特点,结合国外载人月球任务航天器能源系统发展现状,提出了采用分布式能源网架构形式,逐步构建多源互补、物质循环利用、功率扩展的多子站互联能源系统。采用太阳电池、燃料电池、空间核能或锂离子电池等不同能源类型构建分布式发电和储能,并详细梳理了能源技术重点研究方向和共性关键技术,为未来载人月球任务能源系统顺利实施奠定技术基础。     

电动力轻型飞机的研制

概述了燃料电池在飞机上应用的发展过程和现状,并利用燃料电池加蓄电池的混合动力系统对现有某轻型飞机进行了改装设计,论述了所涉及的主要系统和技术要求,对改装飞机的性能进行了分析。分析结果表明,利用国内现有的燃料电池等技术,可以研制成功电动力的轻型飞机。     

超轻型电动飞机电动力系统的参数匹配

结合某型超轻型电动飞机的设计参数,阐述了电动力系统的布局、系统参数匹配的原则和步骤.提出了电动力系统参数匹配和性能验证的方法.从动力性、经济性、系统质量的角度验证了该系统的可行性.参考飞机的最大平飞速度为175.5km/h,大于设计要求的最大平飞速度170km/h,满足动力性能要求.电动力系统的运行费用为6.8元/h,是相近功率活塞发动机运行费用的1/8.与3种电动飞机相比,参考机型的功质比仍比较高,达0.0842kW/kg,为可接受值.      

电动飞机技术分析

经过数十年的发展,电动飞机技术已经取得一定进展。但总体来看,电动飞机的性能还较低,实用性也较差,其未来发展的关键在于动力电池和电机关键技术的突破,以及电动力系统布局／集成及优化技术和飞机平台技术的进一步发展。     

航空用燃料电池及混合电推进系统发展综述

随着世界范围内碳减排需求的日益增长及长航时飞机的发展需要,高效率的燃料电池航空电推进系统逐渐受到重视,氢能航空的理念被人们所熟知。可使用碳氢燃料的高温燃料电池还可与燃气涡轮组成混合动力系统,发电效率进一步提高至70%。本文首先回顾了燃料电池及燃料电池涡轮混合系统在航空能源、动力系统方向应用概况;接着,概述了几种突破现有涡轮发动机技术瓶颈的新概念混合电推进系统,如发电与推进一体化燃料电池涡轮混合动力系统和无涡轮燃料电池混合推进系统;基于此,本文分析了限制燃料电池混合系统实际应用的关键技术难题,主要体现在混合动力系统功重比较低、大分子碳氢燃料重整技术未突破两方面。     

直接氨SOFC-GT混合动力系统性能及航空应用

建立了基于直接氨燃料的固体氧化物燃料电池-燃气轮机（SOFC-GT）混合动力系统仿真模型,开发了一种架构优化的高功率-质量比的高效发电系统,并研究了燃料利用率和系统燃料分配对系统功率分配、各子部件质量以及其?损失等性能的影响。基于所建立的模型分析了压气机压比、燃料摩尔流量、空气摩尔流量等输入参数对系统性能的影响,在最优性能条件下对系统进行功率-质量比分析。仿真结果表明该系统的净发电效率为56.85%,?效率为50.71%,净发电量为213 kW,功率-质量比为0.730 3 kW/kg,达到美国能源部太平洋西北国家实验室（PNNL）为SOFC-GT混合动力系统应用于航空航天领域制定的标准。在此基础上,讨论了该系统在商用飞机主动力和辅助动力上的应用,表明SOFC-GT混合动力系统在航空领域具有良好的应用前景。     

绿色航空离我们有多远？

绿色航空是人们的一个目标。但是，要实现这个目标还有很长的路要走。 有判断称，至少在今后几十年内．大型飞机的动力系统还会沿用传统的喷气式发动机．包括燃料电池、太阳能甚至核能等新能源还难于进入实用阶段。基于这个现实．人们首先从新型航空发动机的节能减排性能入手，试图以新的概念和技术提高系统工作效率。按现在的研发速度，到2020年进入服役的新型飞机将比2005年生产的飞机效率提高20％～25％．比2000年的飞机则提高50％。     

分布式电推进飞机电力系统研究综述

继飞机二次能源逐步统一为电能形成多电/全电飞机之后,电推进技术成为飞机动力系统电气化的重要发展方向,有望进一步提高飞机动力系统能量转换效率、降低燃油消耗和排放,代表了航空电气化的高级阶段。飞机电力系统及相关技术是支撑电推进技术发展的重要基础。系统总结了电推进飞机的类型与发展现状,论述了飞机混合动力系统及分布式电推进系统的基本概念、特点与意义。阐述了航空电推进系统的基本结构,比较了适用于分布式电推进系统的电力系统架构,系统分析了实现电推进技术所需的高效高功率密度电机、高效大容量功率变换器和综合热管理等关键技术。小型纯电动飞机正在逐步迈向实用化,而分布式混合电推进技术是中大型飞机电气化的重要方向,仍然需要航空机电和动力系统等交叉融合与创新发展。     

基于自适应神经模糊推理算法的无人机电推进燃料电池供气系统性能优化

本文针对某无人机基于聚合物交换膜燃料电池和锂离子电池的混合动力电推进系统的应用,研究开发了一种基于自适应神经模糊推理系统的电源管理系统控制技术,以控制混合动力电力推进系统,同时优化燃料电池供气系统的性能。本文以所建立的某无人机混合电推进系统数学模型为研究对象,研究了燃料电池电流与燃料电池供气系统压缩机功率之间的关系,建立了燃料电池电流与最佳压缩机功率关系的参考模型。在参考模型的基础上,引入自适应控制器来优化燃料电池供气系统的性能。基于自适应神经模糊推理系统的控制器将压缩机的实际运行功率动态调整到参考模型中定义的最佳值。自适应控制器的在线学习和训练能力用来辨识燃料电池电流的非线性变化,并产生压缩机电机电压的控制信号,以优化燃料电池供气系统的性能。在Matlab 仿真环境中开发了质子交换膜燃料电池和锂离子混合动力电推进系统模型并对所设计的控制器进行了仿真分析,结果表明基于自适应神经模糊推理系统的控制器为燃料电池供气系统压缩机性能优化提供了一种新颖而全面的途径,使燃料电池供气系统获得最大净功率输出。将燃料电池系统的净功率输出与最佳压缩机功率和恒定压缩机功率进行了比较,结果表明优化的压缩机功率配置比恒定的压缩机功率配置节能2.62%。同时,燃料电池自适应神经模糊推理系统控制器优化了燃料电池供气系统的能量利用。     

分布式电推进飞机设计技术综述

分布式电推进系统利用电力驱动多个推进器作为飞机的动力装置,在提升飞机气动效率、载运能力、环保性和鲁棒性等方面蕴藏着可供人们挖掘和利用的巨大潜能,被广泛认为是一种航空领域的颠覆性技术。本文在对电动飞机的优势和不足,电推进系统的尺度独立性以及分布式电推进飞机分类进行初步研究之后,重点从飞机工程设计的专业划分角度出发,分别从飞机总体设计、气动设计、结构设计、系统及支持设施设计等学科对分布式电推进飞机设计技术的研究情况和学术进展进行综述。随着电池能量密度、电机及控制器功率密度的不断提升以及相关机载电气设备的小型化和轻量化,分布式电推进通用飞机基本具备按需航空市场化能力,尽管仍存在一些挑战,但该技术为未来飞机设计提供了更多的权衡空间与可能性。     

小型电动无人机航程航时估算模型

小型电动无人机通常采用锂电池、无刷电机和螺旋桨组成能源动力系统,飞行过程中锂电池的实际工作电压发生变化,但飞机的总重量不变,其航程航时的估算方法与传统的燃油飞机有所不同。为了准确评估动力系统对飞机设计的影响,建立了以锂电池为动力的电动飞机推进系统模型,通过与实验数据比较,验证了各部分模型的准确性。利用该动力系统模型,对某款小型电动无人机进行了航程和航时估算,结果表明本文的建模方法准确有效,航程航时估算接近实验数据,可作为小型电动无人机设计的重要参考。     

分布式电推进飞机动力系统评估优化方法

以电推进飞机的动力系统作为研究对象,开展了以下研究工作：采用电力系统潮流计算方法,分析了采用高压直流供电体制的分布式电推进飞机电气系统,模拟了其在稳定运行状态与断路故障状态下的能量流动关系,同时分析了直流电压等级对电气系统的影响。搭建了完整的分布式电推进飞机动力系统仿真模型,依据基于时间和基于高度的飞行剖面,对比分析了纯电推进与涡轮电推进架构在推进功率、推进效率与航程3个评价指标上的优劣。建立了动力系统典型部件的参数化模型,并使用符号规划算法对建立的参数化模型进行了优化计算,比较了传统涡轮推进与涡轮电推进架构下动力系统质量与燃油消耗率间的优化权衡关系。研究结果为分布式电推进飞机混合动力系统的设计提供了有价值的正向设计方法。     

新能源电动飞机发展与挑战

发展绿色航空是人类社会形成的基本共识,新能源电动飞机为实现彻底的绿色航空提供了一条光明的技术途径。简述了航空对环境的影响、电在飞机上的应用及电动飞机的发展历程,对新能源电动飞机的能源分类、电推进系统及其总体效率进行了研究,重点针对载人轻型运动飞机,分析了电动飞机的发展现状、特征以及能源需求,通过对电池作为能源的载人电动飞机的航程和极限航程研究,提出了电池能量密度提升和性能改进、高升阻比空气动力设计、低成本轻质高效复合材料结构设计与制造、高效率电推进系统设计与集成等电动飞机发展面临的挑战,给出了应大力发展电动飞机的建议和本领域未来的研究方向。     

突风气象条件下电动飞机电推进系统 PI控制参数的设定方法

电动飞机电推进系统采用高效永磁同步电机作为主驱动,配备矢量控制器。飞机在巡航过程中不可避免地会遭遇突风,影响飞机的稳定飞行。通过建立电动飞机在巡航阶段遭遇突风时的空气动力学模型和电推进系统的动态响应数学模型,并对模型进行求解,给出了突风气象条件下电推进系统速度PI控制参数的设定方法。以某双座电动飞机的电推进系统为研究对象,采用MATLAB仿真和样机地面试验对速度PI控制进行了仿真分析和试验测试,对比了未考虑和考虑突风气象条件下的速度PI控制器的动态特性。仿真和样机试验结果表明:当飞机遭遇突风时,采用考虑突风气象条件的速度PI控制参数可以有效地降低螺旋桨的转速波动范围。     

Challenges of future aircraft propulsion: A review of distributed propulsion technology and its potential application for the all electric commercial aircraft

This paper highlights the role of distributed propulsion technology for future commercial aircraft. After an initial historical perspective on the conceptual aspects of distributed propulsion technology and a glimpse at numerous aircraft that have taken distributed propulsion technology to flight, the focal point of the review is shifted towards a potential role this technology may entail for future commercial aircraft. Technological limitations and challenges of this specific technology are also considered in combination with an all electric aircraft concept, as means of predicting the challenges associated with the design process of a next generation commercial aircraft.