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。     

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。     

超轻型飞机性能指标研究

国内航空工业对小型通用飞机的设计及研制还处于起步阶段,在超轻型飞机性能指标制定方面缺少相关的资料和可借鉴的成熟经验。本文从超轻型飞机的飞行使用和飞行特点出发,参考了国内外多个超轻型飞机适航标准,提出了飞机失速速度要求、机动过载包线限制、水平转弯特性、爬升特性、起飞着陆特性5个方面性能要求。另外文中还给出了多款小型通用飞机的最大起飞质量、最大航时及航程特性,为相关工作提供设计参考。     

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。     

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...     

小型综合航电加卸载技术研究

随着通用航空的发展，对小型飞机及小型航空电子系统的需求越来越大。基于小型综合航电系统的结构与应用需求，通过分析ARINC615A标准，设计了一个基于TnIP协议的数据与应用加卸载系统架构。针对系统架构中的难点，提出了TFTP协议栈、数据卸载与应用软件加载等三项关键技术，给出了具体的设计与实现方法。系统在Vxworks平台上实现，目前已在某小型综合航电系统项目中取得了较好的工程应用效果。     

基于粒子群算法的飞机总体参数优化

 现有的飞机总体参数优化方法在效率和适应性上存在不足。考虑到粒子群算法是一种基于群智能方法的演化计算技术,它对不同复杂约束条件下的多目标优化问题较常规方法更具简便性和适用性。因此,提出了使用非数值计算的粒子群算法来改进飞机总体参数优化效率。详细研究了粒子群算法在飞机总体参数优化上的应用方法,并着重于3个方面：①以航程、商载和起降距离为优化目标的粒子群算法构建;②粒子群算法中因子的自适应修正方法;③基于粒子群算法的飞机总体参数优化流程。计算结果与文献结果相比具有较好的一致性和合理性,所提出的方法可有效地应用于飞机总体参数优化。     

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。     

电动飞机分布式螺旋桨对气动性能影响的建模研究

作为电动飞机的一项关键技术，分布式螺旋桨推进已成为绿色航空未来发展的重要研究方向。本文以结合多参考系（MRF）的RANS方法作为气动性能分析手段，采用Kriging代理模型对分布式螺旋桨的安装位置对全机气动性能的影响进行了建模研究，并对基准构型和优选构型的流动进行了对比分析。结果表明，螺旋桨往前方移动后全机的升阻比增大；相对于原始构型，优选构型的上表面低压区面积明显增大，吸力峰明显增强，下表面的压强增大，低压区域减少，分布式电推进系统的效率得到有效提升。本文的研究能够支撑以分布式螺旋桨为动力的电动飞机的总体设计，为螺旋桨的安装提供有效参考，从而进一步提升电动飞机的经济性。     

民用飞机商载航程图解析方程的建立及应用

民用飞机的商载航程能力满足市场需求对民用飞机的成功至关重要,航程能力设计指标是否合理需要在方案初期结合市场特征进行全面的评估。通过推导商载航程图边界线的解析方程,建立了飞机总体参数与商载航程图的关系,构建了一种通过设计指标中的标准商载、设计航程以及特征重量参数即可快速准确求解出飞机商载航程图的方法。使得在性能计算输入参数有限的方案初期,仅通过基本的设计指标就能反映较为全面的商载航程能力,可应用于方案阶段基于市场需求的方案快速迭代,优化飞机设计指标。     

天翼1无人机电动化改造可行性分析

电动飞机正在国内外通用航空领域蓬勃发展,并影响着未来航空的发展方向。利用电推进技术对无人机进行电动化改造,能大大提高无人机的安全性、可靠性和维修性,降低使用成本。以天翼1无人机为电动化改造对象,提出了电动化改造方案,详细计算分析了电推进系统中电动机和锂电池组的主要参数,并从无人机的重量重心、性能以及电推进系统的安装方式等方面分析了改造的可行性。分析结果表明,天翼1无人机电动化改造基本可行;并提出了后续改造实施中需注意的问题。     

基于矩化GO法的某型电动飞机扰流板系统可靠性

扰流板冗余系统提升了新能源电动飞机的可靠性。采用GO法建立电动飞机扰流板系统可靠性模型,设计SIMULINK仿真界面,针对操作符11给出一种新的运算模块。针对扰流板冗余系统设计一种矩化操作符,给出运算流程,有效减少传统GO法在冗余系统建模工作量,利用故障树分析法对结果进行验证。结果表明,本文提出的方法切实可行,为新能源电动飞机扰流板系统可靠性分析提供了新的思路。     

飞机装配几何量质量检测体系构建及关键技术

针对新一代飞机装配过程几何量检测的高精度、高效率和高可靠性需求,分析了飞机装配过程几何量检测特征和具体的检测要求,提出了用于不同测量任务的测量方法,构建了装配几何量质量检测体系。研究了复杂装配现场多源异构整体测量工艺仿真及精度优化、三维点云数据的拟合与对齐和基于整体测量场的多系统协同测量3项关键技术,开发了装配检测质量管理平台,实现了检测数据管理信息化,为后续装配提供数据支撑,同步提升了飞机装配过程质控能力。     

基于飞机模型的性能计算与管理

针对大型飞机巡航段性能优化问题,文中以飞机模型和简化的飞机运动方程为基础,利用飞机的一些基本数据,首先计算出飞机的燃油里程,并在此基础上分别获得最大航程马赫数、远程巡航马赫数和经济巡航马赫数。最后建立了以巡航成本最小、燃油最省和续航时间最长为指标的优化性能数据库,并进行了仿真分析。     

提升通用飞机气动效率的设计策略研究

针对目前通用飞机借鉴大中型运输类飞机常规设计方法造成的气动效率较低、经济性较差的现状,分析通用飞机相对于其他飞机所具有的不同的设计特点;从空气动力学基本原理出发,结合通用飞机的特点,推导并分析其气动效率低下主要是由两个方面的矛盾耦合所造成的;提出可以有效改善通用飞机气动效率的设计策略;通过通用飞机总体参数设计优化实例印证新设计策略的有效性。结果表明:新设计策略可有效改善通用飞机的气动性能,提高其经济性,但相关研究具有较大的挑战性。     

向“永不着陆”进军的太阳能飞机

<正>为应对全球变暖,实现“双碳”目标,2023年10月,我国工业信息部、科技部、财政部、中国民航局等四部门联合印发了《绿色航空制造业发展纲要（2023-2035年）》（简称《纲要》）。《纲要》中指出,要加快电动通用航空器系列化、谱系化,突破高能量密度锂电池……太阳能无人机等关键技术;《纲要》要求到2025年显著提高国产民机节能、减排、降噪性能,全面提升航空绿色制造水平。显然,太阳能飞机,连同电动飞机、氢能源飞机,已被我国并列为未来绿色飞行的几大重要发展方向。     

一种面向飞机族的结构优化方法

 飞机族是一组共享通用部件或子系统的、但性能或使用要求不同的相关飞机产品的集合。针对通用模块化飞机族结构优化问题,提出一种基于代理模型的二级优化方法。该方法将结构优化分为两个层次：通用模块结构优化层次和专用模块结构优化层次。这种方法不但流程简单,且各层次的设计变量和约束较少,并且专用模块优化层次之间具有独立性,易于实现并行设计。以某支线客机族的机翼结构优化问题为例,首先阐述飞机族结构优化模型,然后应用本文提出的二级优化方法求解支线客机族的机翼结构优化问题。优化结果表明该方法能成功解决飞机族的结构优化设计问题,能同时优化飞机族中各型号的结构参数。     

电动通用飞机复合材料结构设计及验证技术

为了设计和制造出重量轻、工艺简单且经济实惠的电动通用飞机,提出了一种新型的复合材料结构设计和验证方法。对飞机的载荷传递进行了理论分析,采用CATIA对飞机结构进行建模,并使用PATRAN/NASTRAN进行了强度计算,根据计算结果,优化了复合材料铺层设计,采用二维图纸的形式快速完成发图。对所采用复合材料的组件和整机进行了一系列的力学试验验证,形成了一套适合轻型飞机的结构快速试验验证方法。根据不同类型零部件的特点采用不同的制造工艺,使生产成本和周期得到有效控制。设计结果、试验数据的有效性和工艺质量的可靠性已经在锐翔RX1E电动双座飞机上得到了证实,该飞机的各项性能满足设计指标要求。     

水上电动飞机浮筒设计及起飞滑行

水上飞机起飞滑跑时低速滑行阶段的阻力变化规律对于其设计研究十分重要,而电动水上飞机正常起飞所需最大拉力是否匹配现有电推进系统是飞机改型设计的关键。首先,针对基准浮筒水阻力较大引起的纵向不稳定问题进行了优化设计,优化后浮筒水动性能有明显提高。其次,基于Fluent中的多相流（VOF）模型对水上电动飞机起飞滑跑阶段的力学特征进行了数值模拟计算,着重分析了不同速度下的姿态变化规律、阻力变化及流场特性。最后,对"阻力峰"这一节点下所需电推进系统功率进行了验证计算,结果显示现有装置满足起飞的动力要求;将实际起飞滑跑试验与仿真结果进行对比,结果显示力学特性变化规律基本一致,所得误差在15%之内,验证了仿真计算的可行性,所得结论可为电动水上飞机的研究设计提供借鉴。     

电动飞机发展白皮书

与传统飞机相比,电动飞机以电能作为推进系统的全部或部分能源,是航空业贯彻绿色航空、应对全球环境挑战的重要举措,是实现航空业2050年全球碳排放量减至2005年排放水平50%目标的必然选择,同时也是"第三航空"时代的重要标志。电动飞机开启了航空领域新一轮创新与变革热潮,引领航空技术创新、推动绿色航空发展,将对世界航空业产生革命性的影响。在电动飞机领域,目前国内外各研究机构和企业均处于起步阶段,以此为契机,我国电动航空业有望迅速达到或赶超世界先进水平,同时带动我国多个相关产业的整体发展。为进一步引领国内电动飞机技术发展、推动电动飞机产业布局,中国航空研究院组织国内优势力量,从电动飞机发展必要性、定义与分类、重点产品、关键技术、措施建议等方面,研究提出电动飞机发展白皮书。白皮书提出我国应重点发展城市空运、轻型运动、通勤运输、干支线运输等4类电动飞机;聚焦总体设计技术、高效高功重比电推进技术、能量综合管理技术、能源系统技术等重点领域关键技术发展;建议制订电动飞机发展战略规划、加大研发投入,同时关注适航能力建设与人才培养,从而推动我国电动飞机发展。