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。     

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。     

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。     

一种电动飞机电推进系统的能效优化方法

电动飞机依靠电推进系统为飞机提供所需的动力,而电动飞机蓄电池的能量密度制约了飞机续航能力的提升。在蓄电池能量密度受限的条件下,进行电推进系统能效优化,提高电推进系统效率,降低电推进系统损耗,对增加飞机的续航时间具有重要意义。以某双座可调定桨距螺旋桨电动飞机电推进系统为例,依据飞机的飞行任务剖面搭建了飞机电推进系统在起飞及巡航阶段的系统损耗模型,以可调定桨距螺旋桨桨矩角为优化变量,以飞机完成一次飞行任务剖面能耗最小为目标,提出一种适于可调定桨距螺旋桨电动飞机电推进系统的能效优化方法。为了验证该方法的有效性,搭建样机测试平台,进行了样机试验,试验结果表明：该能效优化方法能够有效提高飞机电推进系统效率,使飞机完成一次飞行任务剖面的系统能耗降低了8%以上。     

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.      

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。     

中国电动飞机技术创新与实践观点

电动飞机极大地提高了飞机的环保性、舒适性、维修性和经济性，是航空工业未来的发展方向。电动飞机应具备高气动效率、高推进效率、高结构效率、高能量密度，以提高航时。"十三五"期间，中国已完成2机首飞，2机取证。"十四五"期间，电动飞机研发应该以高功率高效率电推进系统为研发重点，以混合电推进系列飞机为研发核心，以现有新能源型号全寿命保障体系研究为关键，以拓展新型电动飞行器研发和标准构建为目标。     

Aerodynamics of cross-flow fans and their application to aircraft propulsion and flow control

Cross-flow fans offer unique opportunities for distributed propulsion and flow control due to their potential for spanwise integration in aircraft wings. The fan may be fully or partially embedded within the wing using a variety of possible configurations. Its inlet may be used to ingest the boundary-layer flow, and its high-energy exhaust flow may be injected into the wake at the wing trailing edge for drag reduction or vectored thrust. Cross-flow fans are high-pressure coefficient machines, so they can be diametrically compact. However, their efficiency is fundamentally limited by unavoidable recirculation flows within the impeller at all flight speeds, and by additional compressibility losses at high speeds. This article reviews the fundamental aerodynamics and flow regions of cross-flow fans using a simple mean-line analysis to examine the basic energy transfer and loss processes. Experimental data for fans intended for aircraft application are then reviewed and compared to calculations using unsteady Navier–Stokes methods, showing the state-of-the art in flow field and performance prediction capability. Alternative prediction methods where blade action is modeled in terms of body-force or vortex elements are discussed, including challenges in handling arbitrary non-uniform, unsteady blade flows for various design configurations. The article concludes with a review of cross-flow fan propulsion and flow control concepts that have been investigated by various researchers, and with discussions on future challenges in their application.     

Design of hybrid-electric aircraft with fault-tolerance considerations

The potential benefits of hybrid-electric or all-electric propulsion have led to a growing interest in this topic over the past decade. Preliminary design of propulsion systems and innovative configurations has been extensively discussed in literature, but steps towards higher levels of technological readiness, optimisation algorithms based on reliable weight estimation and simulation-based mission analysis are required. This paper focuses on the integration of a method for evaluating the lateral-directional controllability of an aircraft within a design chain that integrates aero-propulsive interactions, accurate modelling of the fuel system, and mid-fidelity estimation of the structural weight. Furthermore, the present work proposes a strategy for powerplant management in scenarios with an inoperative chain element. Benefits of hybrid-electric propulsion on the design of the vertical tail plane are evaluated involving the analysis of multiple failure scenarios and certification requirements. The proposed application concerns a commuter aircraft.