面向电动航空的高温超导电机技术研究发展

超导电机因体积小、功率密度高和效率高等优势，在航空电推进中展现出重大的应用前景。对比分析了纯电力超导电动系统和混合动力超导电动系统的方案特点，突出超导电机对于大功率航空电推进的重要性。针对航空电推进超导电动系统对电动机和发电机的不同需求，对过去研究的高温超导样机的运行原理及结构拓扑进行归类综述，并总结分析了各自利弊。在此基础上，从超导技术、电枢绕组技术、转子技术、低温技术和绝缘技术这5方面对超导电机本体关键技术分别进行回顾总结。最后，梳理了当前超导电机在航空电推进中应用的研究进展，并对未来超导电动航空发展进行了展望。     

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。     

并联混合动力齿轮传动涡扇发动机建模与性能分析

为对比探究未来大推力航空混合动力系统与传统航空发动机的优劣,本文依托某概念型齿轮传动涡扇(Geared turbofan,GTF)发动机,设计了一个并联航空油-电混合动力系统(hybrid GTF,hGTF),在Matlab /Simulink数字仿真软件中建立相匹配的电动力模型以及氮氧化物NOx排放和噪声预测等性能参数计算模型,并在稳态和飞行任务剖面下初步分析了电动力系统的引入对原基线GTF发动机的性能改变状况。稳态仿真结果表明,大推力等级的并联油-电混合动力系统中,至少需要兆瓦级的电动力系统进行匹配;当电动力系统处于电动模式时,可能会带来低压压气机喘振的隐患;当电动力系统处于再生模式时,电能源相当于经过了电能到机械能再到电能的二次效率损失,不建议采用。飞行任务剖面动态仿真结果表明,相比于传统GTF发动机,hGTF推进系统的燃油消耗率最高下降15%,总燃油消耗节省8.3%, NOx总排放量减少18.8%,各部件起飞噪声总声压级减少1.5~3.3dB。分析结果表明采用并联混合动力系统具有显著提升省油、减排效果的能力,同时也具有一定的降噪潜力。     

液化天然气船舶动力系统加速性能优化策略研究

目的 针对船舶天然气发动机匹配定距桨直接推进加速速率慢动态性能差的缺陷，提出了一种系统级优化方案，设计并联型式气电混合动力系统，通过轴带电机辅助推进优化系统的加速性能。方法 建立船舶气电混合动力系统仿真模型，根据试验数据对LNG发动机的加速性能进行数据标定保证模型动态精度，以仿真手段分别验证混合动力系统使用变频器动态切换策略和变频器超前控制策略的加速优化效果。结果 综合考虑实际工程控制难度和加速过程优化效果，变频器动态切换策略优于变频器超前控制策略。结论 气电混合动力系统PTI模式使用变频器切换控制策略可达到较好的加速性能，在降低主机机械负荷和热力负荷的同时船舶快速性最大提升16%。PTO模式加速时轴带发电机负载转移至船舶辅机，稳定一段时间后切换至电动模式助推，加速性能可达到PTI模式加速水平。     

欧美积极开展多电发动机研究

多电航空发动机在20世纪90年代就已经被美英等国确定为21世纪的航空发动机。近20年来,美国和欧盟国家通过专项和综合性研究计划,对其进行了大量的探索和研究,开发和验证了主动磁力轴承、一体化起动机／发电机．分布式控制系统、电力作动装置等技术和部件。     

航空混合电推进系统的发展现状及应用前景

介绍了混合电推进系统的概念,以及以美国国家航空航天局、美国空军研究实验室、欧洲空中客车集团和俄罗斯中央航空发动机研究院为代表的国外组织在混合电推进系统领域的主要研究项目和发展现状,最后分析了混合电推进系统在城市空中交通、支线/干线客机、通航飞机等民用领域和忠诚僚机、高空长航时无人机、运输机和远程轰炸机、下一代战斗机等军用领域的应用前景。     

航空燃气涡轮-电混合动力系统关键技术分析

本文介绍了串联式和并联式混合动力系统的基本原理与性能特点,对混合动力的性能优势来源进行了原理性阐述。针对混合动力的系统架构,分析了性能设计、控制系统、电机设计以及热管理方面的关键技术。航空燃气涡轮-电混合动力技术的发展,有可能对传统航空发动机领域产生颠覆性变革。需要打破原有航空发动机热力机械设计思维,将动力系统所涉及的推进、电能以及热管理进行融合设计,推动航空动力系统效能进一步提升。     

涵道风扇电推进系统关键应用技术探讨

涵道风扇可作为分布式电推进航空器的动力装置,具有良好的发展潜力,现阶段在涵道风扇电推进系统设计和集成应用方面面临一些技术问题。对涵道风扇电推进系统的发展现状及应用前景进行综述,以分布式电推进航空器为背景分析对涵道风扇电推进系统的技术需求,重点探讨了涵道风扇气动设计、涵道风扇与航空器翼身融合设计、电机和涵道风扇结构一体化设计、强迫风冷散热、电磁兼容设计、复杂结构精密制造等关键技术及解决途径,为涵道风扇电推进系统开发和集成应用提供参考。     

NASA亚声速大型飞机电推进技术研究综述

本文通过对近年来美国国家航空航天局(NASA)在亚声速大型电推进飞机(EAP)领域探索的研究,从飞机布局的变革、电推进系统技术成熟度的提高以及基础设施建设等几个方面进行总结分析。梳理了NASA研究的几种大型飞机可能的电推进布局形式,跟踪NASA在电机、功率变换器以及所采用的电推进材料等关键技术方面的研究进展,以及测试电推进飞机性能必需的地面试验台的建设情况。电推进技术的进步和发展,改变了传统的飞机设计思想,利用电推进的技术特征,考虑电推进与飞机机体的集成等设计理念,对我国大型飞机电推进技术的研究具有一定的参考和借鉴意义。     

混合励磁电机的技术现状及新进展

在永磁电机的基础上,增设电励磁绕组,以辅助调节永磁磁场,形成混合励磁电机,融合了永磁电机和电励磁电机的优点,应用前景广阔。介绍了混合励磁电机的调磁原理；从电机原型的角度,分析了混合励磁电机的发展思路；以励磁方案为着眼点,提出了一种混合励磁电机的分析方法；结合混合励磁电机的电磁特性,研究了混合励磁电机应用于汽车、风力发电和航空航天等领域的控制方案和系统结构；提出了混合励磁电机技术的研究思路,展望了混合励磁电机的发展趋势。     

船舶并联气电混合动力系统动态特性研究与能量效率分析

针对天然气发动机单独使用动力性能较差、动态响应较慢的缺陷问题,提出新型船舶并联气电混合动力系统解决方案,通过电机快速响应特性来提升船舶动力整体效率;设计相关试验,利用上升时间、峰值时间和超调量三个参数对新型动力系统的动态特性进行定量分析,研究不同工况下能量效率提升程度和最优工作模式.研究表明:可逆电机的加入将船舶混合推...     

多电飞机高压直流并联供电系统发展现状与关键技术

多电飞机（MEA）逐步实现机载二次能源的统一,可有效提升飞机能源利用率。高压直流（HVDC）供电系统（EPS）从原理上更容易实现电源的并联运行,利于多发动机/多发电机布局下供电容量的扩展,并实现不中断供电,进一步提升系统的供电品质和鲁棒性。分析了高压直流供电系统的特点与优势,系统总结了高压直流并联供电系统的研究现状,在此基础上阐述了并联供电系统的关键技术和问题。提出并构建基于新型双凸极无刷直流发电机的双通道高压直流并联供电系统,实现了系统均流控制,完成高压直流并联供电时突加突卸负载、投入并联、退出并联等动态过程的实验验证。研究结果表明高压直流并联供电系统具有良好的稳态精度与动态性能,在多电乃至全电飞机（AEA）上有重要研究价值和应用潜力,其动态行为、建模方法和控制保护逻辑等问题值得进一步深入研究与实践。     

航空混合电推进系统

正航空电推进技术被看作是航空工业进入"第三时代"的重要标志,获得了世界主要航空强国的高度关注。航空推进系统的电气化有多种实现路径,其中受当前电池能量密度水平所限,以航空燃气涡轮发动机和电池共同提供能源的混合电推进系统是近中期的重点研究方向。美、欧政府均将混合电推进系统视为有潜力在2030年后投入使用的、具有前景的民用航空动力解决方案,     

大功率离子推力器和流动控制单元验证现状及其2000小时寿命试验（英文）

为了发展基于电推进的大功率空间运输系统,需要开发和验证功率达数十千瓦的电推进系统,深空任务电推进系统优化的比冲要求高达105s。凯尔迪什研究中心(KeRC)正在开发这样的电推进部件。本文概述了35kW离子推力器IT-500及其流动单元FCU-500的验证现状。作为其验证的一部分,完成了IT-500和FCU-500的2000h寿命试验。其中,离子推力器大部分验证条件是:输入功率17.8kW,使用了40kg氙,2018h寿命试验。本文介绍了磁场和离子光学以及石墨格栅开发现状。     

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。     

基于绿色能源的分布式混合电推进系统性能分析

基于绿色能源的电推进飞行器是是航空运输业实现碳中和的重要技术途径。本文旨在利用理论分析和数值计算的手段,研究基于绿色能源的分布式混合电推进系统的性能,重点关注锂电池和固体氧化物燃料电池(SOFC)在航程和载荷方面的影响。本研究构建了一个包含多种能源形式的混合电推进系统架构,并基于能量流建立了功率传递模型,推导出综合考虑部件特征参数、能量分配参数、飞行气动参数的电推进系统航程方程和载荷方程。研究结果显示,在航程方面,锂电池的能量分配系数和能量密度对飞机航程有显著影响,特别是在能量密度阈值之上,增加锂电池的能量分配系数对提升航程有正收益。此外,SOFC的能量分配系数和效率的增加也提高了飞机航程,特别是在其高值区域。在载荷方面,上述锂电池和SOFC参数对飞机零燃料质量(MZF)和有效载荷具有重要影响,尤其在高能量密度、高效率和高能量分配系数的情况下飞机的载荷性能改善最佳。参数敏感性分析揭示了升阻比、边界层吸入(BLI)风扇效率、锂电池荷电状态(α_soc)和氢燃料剩余状态(α_soh)对航程的显著影响,其中在以往研究中较少出现的α_soc     

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。     

涡轮电推进系统建模及控制规律设计

为了研究涡轮电推进系统的工作特性及控制规律设计方法，建立了涡轮电推进系统总体性能仿真模型。基于部件法建立了涵道风扇性能计算模型；基于电机效率图建立了发电机及电动机性能计算模型；基于面向对象的建模方法建立了电推进模块计算模型。将建立的电推进模块计算模型加入涡扇发动机部件级仿真模型中，构建了涡轮电推进系统的共同工作方程组，即其性能仿真模型。采用逆算法研究了不同几何参数控制规律下，涵道风扇推力调节时推进系统的工作特性。通过在性能仿真模型中添加推力平衡方程，并结合差分进化算法构建涡轮电推进系统优化模型，形成了涡轮电推进系统控制规律优化设计方法，应用此方法计算了推进系统节流过程控制规律和性能参数。计算结果表明：本模型设计点性能计算结果与国外发动机性能计算软件计算结果最大偏差仅为0.22%，验证了建模方法的有效性；当涵道风扇推力改变时，可能导致涡扇发动机出现超温、超转和喘振等问题，通过联合调节尾喷管喉部面积和涵道引射器面积，可以有效改善这些问题；设计出的节流过程控制规律可以保证不超温、不超转，具有足够的喘振裕度，且在节流过程中还能进一步降低耗油率；该控制规律还具有连续、单调的特点，利于工程实现。     

大功率离子推力器和流动控制单元验证现状 及其2000小时寿命试验

为了发展基于电推进的大功率空间运输系统,需要开发和验证功率达数十千瓦的电推进系统,深空任务电推进系统优化的比冲要求高达10⁵s。凯尔迪什研究中心（KeRC）正在开发这样的电推进部件。本文概述了 35kW离子推力器 IT-500及其流动单元FCU-500的验证现状。作为其验证的一部分,完成了IT-500 和 FCU-500的2000h寿命试验。其中,离子推力器大部分验证条件是：输入功率17.8kW,使用了40kg氙,2018h寿命试验。本文介绍了磁场和离子光学以及石墨格栅开发现状。     

基于GaN-HEMT并联的航空电机驱动系统设计研究

在深入了解宽禁带电力电子器件的发展现状和开关特性基础上,提出了一种基于GaN-HEMT并联的航空电机驱动系统,开展了GaN-HEMT并联的驱动电路及数字控制器平台设计与实践。搭建了试验系统,进行了相关测试。试验结果验证了设计的正确性。