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混合動力從地面走向天空(科技大觀)

2019-12-24 09:27:26来 源:人民网-人民日报      評論:0點擊:
  提起綠色出行,人們可能很少會聯想到飛機。事實上,航空業對于環境的影響不容忽視。隨著全球航班數量快速增長,航空業面臨著可持續發展的命題。

  在新能源汽車領域,混合動力汽車由于兼具燃油車與電動車的優勢受到不少消費者青睐。仰望天空,多國政府和企業也開始試水混合動力飛機技術,目前全球公開的相關研發項目超過30個。與制造混合動力汽車類似,混合動力飛機采用“燃油發動機+電驅動系統”架構,但從技術需求和實現途徑來說,兩者存在鮮明差異。

  首先是使用工況不同。一般飛機在起飛後,絕大部分時間維持在最大轉速80%左右的巡航狀態,不存在汽車行駛過程中的怠速與高速頻繁切換問題,也就不必像混合動力汽車一樣,需要考慮發動機和電動機在不同轉速段的分工。其次是對重量容忍度有別。在飛機設計界有“爲減輕每一克重量而奮鬥”的說法,任何增重都會對飛機的機動性和續航性能産生顯著影響。當前,锂電池的單位重量能量密度不僅與航空燃油相差了40倍,而且在放電之後,對于後續飛行無法再産生效益。所以,爲短時間提升性能而搭載電池的做法並不適合大多數飛機。

  盡管與汽車工業的應用思路相去甚遠,混合動力技術在航空領域仍有用武之地。一旦形成突破,完全有可能掀起飛機動力系統的一場革命。

  從飛機內部看,燃油效率有望借此提升。目前客機采用的噴氣發動機僅將40%左右的燃料燃燒能量轉化爲飛機動力。爲進一步提升燃油效率,噴氣發動機需要借助更大直徑的進氣風扇産生更大推力。爲了風扇更大,在高速渦輪轉子與低速風扇間,必須通過一套減速機構來匹配兩端不同的轉速等。而通過渦輪帶動發電機發電,再由電機驅動風扇轉動,不僅將提升燃油效率,還比傳統機械減速器結構簡單、重量輕、故障率低。類似的混合動力系統目前已在百噸以上巨型礦用自卸車、艦船等領域得到了廣泛應用。

  從飛機外部看,氣動效率也可以進一步提高。飛機飛行過程中,離機體表面越近處,氣流相對機體速度越低,不同距離上,不同速氣流之間互相拉扯,形成了飛機的摩擦阻力。目前有一種減阻方案,將過去集中吊挂在翼下的發動機,拆分爲專供發電的核心機和多個安裝在機翼上表面後緣的分布式電動推進器。這樣,每個推進器在産生推力的同時,通過在飛機表面不斷向後抽吸,能提升機體表面氣流速度,減少氣動摩擦阻力。與過去相比,混合動力系統中專供發電的核心機易于實現更高的熱效率,電動推進器結構也更爲簡單,重量、成本更具優勢。

  綜上所述,混合驅動方式對飛機的影響將不僅停留在動力系統本身,很可能會進一步向氣動外形等多個領域拓展,爲航空業的發展帶來新方向與新思路。

  (作者單位:北京航空航天大學航空科學與工程學院)


  《 人民日报 》( 2019年12月24日 18 版) 本文来源于上饒新聞網[www.srxww.com]
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