推进航空业的电气化发展

多电飞机研发领域的全球领导者诺丁汉大学已经组建了全球最大的航空电力电子与控制研究团队。作为该校航空航天技术研究所前主管,Hervé Morvan对于实现愿景而必须面临的工程及业务挑战有着自己的独到见解。《Dimensions》近期采访了Morvan,并一同探讨了在实现更小的环境影响和更高的能效目标时,传统飞机设计的电气化过程需要作出哪些努力。

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Electrifying the Aviation Industry

DIMENSIONS: 您能否谈谈先进航空技术领域的全球领导者航空航天技术研究所?为什么诺丁汉大学会大力投资这个核心领域?

HERVÉMORVAN: 航空航天技术研究所(IAT)成立于2009年,因为学校当时在进行航空航天研究过程中研发出了一种临界物质。研究所成立的目的是整合各方资源,以便学校能够加快研究进度。目前我们拥有400多名研究人员,正在开展70多个项目的研究,研究投资超过8000万美元。

此外,目前英国对航空航天的广泛关注和大力扶持也使我们能够从中受益。英国已经拥有世界第二大航空航天产业,而全球航空旅行需求正在不断增长。据估计,到2030年大约会有27000架新的大型商用客机投入使用。到2050年,航空旅行乘客数量预计会从2015年的34亿人次增长到超过160亿人次。

欧盟委员会、航空业以及英国政府为我们的项目和其它计划提供资金,旨在帮助英国抓住发展机遇,满足航空领域更加严格的环境法规,而这些法规是实现全球可持续发展和服务效率的关键所在。例如,我们有14个总投入资金高达3800万英镑(约4350万美元)的项目直接关系到欧洲清洁天空二阶段计划的实现,该项目涵盖24个国家,目标是减少二氧化碳和其它气体的排放以及降低飞机相关的噪音等级。此外,我们还负责为一家英国航空航天研究机构——Aerospace Technology Institute(ATI)提供国家级设施。

Herve Morvan

DIMENSIONS:除了政府支持之外,贵机构是否还开展行业合作?

HM: 我们一直在进行行业合作;这是我们工作的核心。如果我们不通过行业合作来了解业务需求并把创新技术与知识传递给飞机制造商,那么严格来说我们就不能被称为全球研究中心。

我们致力于实现中等级别的技术成熟度(TRL),即:4~6级。这意味着,我们不仅可以在内部实验室中验证创意理念,同时还能够在实际的行业相关环境中支持关键系统的功能测试与验证工作。我们可以帮助合作伙伴进行所有研究活动,甚至是测试前的飞行演示。这意味着我们能够为那些与IAT合作的企业做出巨大贡献。

我们很荣幸能够携手包括Rolls-Royce、GE航空、空客、波音、BAE系统、庞巴迪和GKN在内的众多国际航空巨头,以及Romax这样的为航空航天产业提供支持的中小型企业。这些合作方不仅让我们的工作能够促进实际问题的创新,还能确保我们的解决方案具有重要的实际意义。

为实现这一目标,我们必须深耕在基础工程科学与学术界,同时具备相应能力并致力于实现4~6级TRL,甚至有些情况下能够达到7级TRL。例如,我们可帮助建立创新模型,同时探索光滑粒子流体动力学(SPH)等新方法。此外,我们还支持Rolls-Royce的设计项目,同时我们拥有的国家级测试设施有助于实现航空发动机模块的验证与演示。

最近,我们借助ANSYS软件开展仿真,将团队在过去10年中针对工业应用研发的众多模型和数值方法进行整合,从而获得了与Rolls-Royce合作开展清洁天空二阶段计划的机会。此次成为核心合作伙伴的原因在于,我们不仅具有良好的现场成绩记录,而且能够在企业内部开展适当规模的研究工作,比如将Rolls-Royce发动机模块安装到ATI资助的测试台上,方便我们收集相关数据以进行展示。

”研发多电飞机意味着需要用更加智能、更加互联、数字化程度更高、当然也包括更多电气化的技术来替代飞机中的许多传统系统。”

DIMENSIONS:”当今,“多电飞机”的发展无疑是最振奋人心的航空航天工程领域之一。它的准确含义是什么?IAT如何帮助它成为现实?

HM:研发多电飞机意味着需要用更加智能、更加互联、数字化程度更高、当然也包括更多电气化的技术来替代飞机中的许多传统系统。主要挑战之一是消除或减轻对某些最老式、最为广泛认可的部件的依赖,如:作为直接驱动或推进装置的燃气轮机。它们由更清洁、更高性能的替代品取代或者与其结合使用。另一大挑战是研发更大型的发电机并对整个系统进行集成。

当然,问题在于没有人完全清楚这种架构的最终模样。我们必须抛弃许多既定的认识,设想出涵盖更广泛物理现象的全新工程解决方案。这正是IAT等研究机构的用武之地。许多行业都面临资源紧缺的问题。他们有10年的客户订单需要完成,而且需要大量投资来支持当前的研发工作。此外,他们还需要维护产品,并支持和运行这个蓬勃发展的行业。这意味着他们需要合作伙伴的帮助,通过协作来投资新创意并对其进行研究。通过将不同技术领域的400名专家聚集在一起,IAT不仅能够起到智囊团的作用,而且也可充当交付工具,重点研究那些可能在数年内无法实现商业化、但对航空航天行业的未来发展有重要作用的创新工作。如果有下一次访谈,我可以介绍一下这些新解决方案的认证挑战。

“多电飞机是航空航天与国防行业的关键项目。其目的是通过将液压系统转换成电动与机电系统,创造更高效、更安全的飞机,从而实现更简单、更轻便及更可靠的机载技术。”

More electric aircraft 

DIMENSIONS:为了实现多电飞机的愿景,必须解决的最大工程挑战有哪些?

HM:唯一的最大工程难题就是如何生产和储存长途飞行所需的充足能源。不仅是起飞等超高功耗事件需要大量能量,而且推进飞机飞行数百或数千公里也是如此。

众所周知,传统喷气燃料存在经济和环境缺陷,但是与其重量相比它具有高能量产量,比如每千克Jet A燃料能够产生的能量高达12千瓦。相比之下,当前电池技术每千克重量产生的能量不足1千瓦。这并非可行的解决方案,因为电池永远无法满足由于其自身巨大重量所产生的新能量需求。此外,目前用于制造电气系统的材料可能无法承受所要求的恶劣工作条件。与此同时,有待解决的问题还包括集成问题、关于飞机上允许和禁止事项的严格认证准则以及可靠性与冗余问题。此外,设计框架也必须不断演变发展。

作为短期解决方案,我们在努力研发一种结合了燃气轮机的新混合系统,其可利用机载存储系统进行发电并将能量分配用于驱动电动风机。这只是其中一个例子。此外,我们也在试图实现传统机械系统与更多电子组件的机电耦合。这种耦合需要采用多物理场仿真方法,以研究热管理和其它问题。这些系统至少可以允许偶尔关闭涡轮机,以减轻它们对环境的影响。不过,从长远来看,我们需要设计出充分集成的推进系统、轻量化电池技术和更高效的储能机制,也许有一天它们可以逐步替代燃气轮机。我们已经看到支持短途飞行的新型电池的问世,这一成果令人备受鼓舞,虽然它们仍然不足以满足商业飞行的需求。

IAT目前正在解决的另外一些工程难题包括:减少许多飞机组件(例如:超级重的起落架)的重量以及探索新的机身材料和飞机制造方法。当今的飞机是极其复杂的系统,我们需要了解各个方面,以便终有一天实现多电飞机的愿景。这个问题并不是简单地替换技术,而是重新考虑整个系统的外观,包括采用全新技术的飞机。例如,未来的飞机不可能是由管道、机翼和吊舱组成。此外,它还会实现更多电气功能并更加依赖数字化的支持与操作。

DIMENSIONS: 众所周知,航空航天行业具有较长的研发和交付周期,即使是传统飞机也不例外。IAT如何加快未来飞机的研发周期?

HM: 虽然航空航天技术研究所拥有全尺寸物理测试设施,但是越来越多的研发工作需要借助工程仿真完成。显然,与建造并测试多个飞机物理模型相比,这样的确可以为我们节省大量的时间与资金。行业自然也在关注这个问题,而且“高价值设计”、“整体系统设计”和“快速失败”等仿真概念正日益突出。数字设计和简化测试极具吸引力,同时也是行业的关注焦点。为此,我们可以和英国的Digital Catapult等行业初创公司和机构合作并向其学习。

仿真使IAT研究人员能够承担风险,限制权衡因素与冗余的影响并提出假设问题。在用全新的技术替代燃气轮机或传统推进系统等基础技术时,我们需要询问,“工作原理是什么?”我们需要无拘束地提出大胆的问题,才能获得大胆的答案。从长远的观点看,这些解决方案中的大多数可能无法成功,但是仿真让IAT的研究人员有机会快速研究和抛弃许多推荐的创新方案、在多个物理场中全面限制昂贵的测试以及集中精力研究更有前景的新创意。仿真可为我们的团队提供高度的创造自由,这一点对于我们从本质上革新整个行业必不可少。

DIMENSIONS: 展望未来,您认为我们何时将看到第一架全电飞机?实现这一愿景的关键是什么?

HM:我们采用当今的技术将永远无法实现全电飞机;目前它不具有实际可行性。设计需要行驶数百英里的小型电动汽车是一回事,而利用电气推进让数吨重的飞机飞行数千英里则是另一回事,因为这不但要实现所需的能量和功率水平,而且要达到所需的可靠性。在梦想成真之前,我们首先必须实现新的革命性发电与储存技术。然后,我们还要重新设想支持多电或全电飞机所需的基础设施。我们已经能够预见未来,空客、Rolls-Royce和西门子合作开展的E-FanX等项目初见端倪的实质性进展以及颠覆性电动飞行出租车四处行驶的生动景象。尤其是美国的9~10座交通工具和培训市场欣欣向荣。这将是激动人心的时刻!

与此同时,我们可以继续增加飞机中的电气组件数量,逐渐消除具有最大不良环境影响以及最高成本的组件。混合推进系统是一种解决方案。此外,我们还需要了解如何完成这些新系统的认证。

一直保持进步的关键是打造持续创新的环境,将航空航天制造商与其供应商、政府机构、IAT等研究中心以及ANSYS等技术供应商全部囊括在内。此外,我们还需要向革新者和初创公司学习。通过并肩合作,共享我们的需求和技术发展,我们能够不断进步并且创造意义重大的影响。虽然可能还需要数十载才能实现全电飞机,但目前我们正在将多电飞机变成现实,这得益于技术的不断发展和全球航空业的紧密合作氛围。

Gas turbine

“我们需要设计出充分集成的推进系统、轻量化电池技术和更高效的储能机制,也许有一天它们可以逐步替代燃气轮机。”

诺丁汉大学一瞥

创立于1881年
英国第六大高校
学生人数: 33000多人
校址: 英国诺丁汉;中国宁波;马来西亚Semenyih

University of Nottingham

Hervé Morvan个人简介

Hervé Morvan在2003年入职诺丁汉大学,担任应用流体力学教授。此后,他在该校曾担任燃气轮机与变速箱研究中心(G2TRC)创始人兼主任,该中心拥有50名员工,资产价值高达2000万美元,他还负责航空航天与交通运输技术研究重点领域的工作。除了管理航空航天研究所之外,Morvan还曾担任创新、业务专注与影响力名誉副校长。在过去10年中,他曾经担任Rolls-Royce顾问并在2008与2012年奥运会期间担任Speedo的顾问。Morvan拥有格拉斯哥大学的硕士和博士学位。

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