多电、全电飞机发展前景研究-全电多电飞机发展技术

多电、全电飞机发展前景研究

作者：黄军

来源：《西部论丛》2018年第08期

摘要：在以化学燃烧为主要能源的飞机动力系统发展过程中，以电化学能源为主导的混合能源逐渐被用于实践领域，多电、全电技术成为飞机动力技术革新的重要方向，也对飞机电力运用技术提出了更高要求。本文对多电、全电飞机技术发展进行进行了对比研究，梳理了当前最新研究成果，并对多电、全电飞机的发展前景进行了展望。

关键词：多电飞机全电飞机对比研究

发动机是飞机的核心部件，而支撑发动力运转的动力能源则是最根本的基础。当前，在航空航天领域，依然是内燃发动机占据着绝对主导的地位。随着电力技术的发展，以电能为动力的多电、全电飞机技术得到加快的发展，其取代内燃式发动机已经成为航空航天技术发展的重要趋势。

一、多电飞机和全电飞机的基本概念

（一）多电飞机

多电飞机是实现全电飞机的中间产物，是指机上的主要功率是电功率，但不排除少量的其他功率的使用。大量采用机电作动器是多电飞机最重要的特征之一，采用机电作动器和功率电传技术，实现了电力驱动替代液压、气压、机械系统和飞机的附件传动机匣，可显著减轻飞机的重量和寿命周期费用，增强飞机系统的容错和故障后重构能力，提升飞机的整体性能。

（二）全电飞机

全电飞机是相对多电飞机而言的，是一种以电气系统取代液压、气动和机械系统的飞机，即所有的次级功率均以电的形式传输、分配。由于全电飞机技术还不成熟，在应用过程中远远落后于多电飞机，但是从飞机技术的发展趋势来看，全电飞机将逐渐取代多电飞机，成为与内燃动力飞机同样重要的飞机类型。

二、多电飞机和全电飞机的主要特点

（一）能源动力持续性更强

航空发动机单位时间排出气质量与速度是航空发动机作力的基本要件，与传统的化学燃烧能源相比，以燃料电池等为能源的多电、全电飞机简化了飞机的动力系统结构，动力更为强劲和持久。例如，燃料电池由燃料（烃类、天然气、氢、甲醇等）氧化剂、电解以及控制系统组

成，燃料电池的工作原理与一般电池类似，通过电极上的氧化—还原反应，使化学能转变为电能，供大量的、稳定的、安全的电力，取代内燃式航发动机。

（二）电力发动机性能更好

与传统飞机发动机相比，依靠电力作业的飞机取消发动机的引气，采用闭式循环系统，改善了发动机的效率和性能，使其具有噪音低，工作温度低、红外辐射小、重量轻等明显的特点，无论是用于军事领域，还是用于民用方面都具有十分突出的优势。例如，电力能源与隐形技术结合，飞机总重可减少8%，可以让隐形战机的作战能力得到较大提升。又例如，运用电力发动力噪音低的特点，可以极大的减少民用飞机扰民的情况。

（三）发动机响应更为快速

通过实验发现，以电力为主的混合电发动机的快速响应，有利于进一步改善飞机的横向控制，以及降低垂尾尺寸和阻力，使得飞机的反应能力和控制能力更灵敏，飞机的电气系统结构更加优化，可将飞机系统的可靠性提高4倍，易损性减少20%，飞机维护将由3级维护变为2级维护。

（四）飞机的能耗更低

不管是多电飞机和是全电飞机，与传统飞机相比还有一个巨大的优势，就是节约能源。在电力驱动系统中，飞机可以根据飞行的需求更精准的控制发电量，减少能源浪费。这一优势，也为未来发展机载高能武器提供了电力保障。

三、多电飞机和全电飞机的技术探索

虽然多电、全电飞机都很多的优势，但是与传统的内燃动力飞机相比，也存在很多的技术难题。无论是对动力系统的容量、转换效率和可靠性面临着更高的要求，飞机机体、动力装置和任务与功能系统的伞面融合则更具复杂性。因此，目前多电飞机、全电飞机的应用技术仍不完善，还处于探索研究过程中。

（一）国外多电飞机和全电飞机的技术探索

相对于多电飞机技术研究来说，世界各国航天航空领域对于全电飞机的探索都十分的积极，所取得的成绩也非常显著。从国外来看，在全电飞机技术研究方面起步较早。早在二战时期，美国就已经提出了“以电力为基础的飞机”理念，经过20多年的发展，到20世纪60年代，电动燃油泵和控制器开始在飞机上获得运用。20世纪90年代，美国又提出“全电飞机倡议”计划，启动了用电力作动系统取代传统飞机动力系统的研究，研究内容包括发动机、发电机、辅助电源启动、电力作动控制器和配电技术等，并于1998年成功推出第一代全电飞机。

2001年，美国国家航空航天局就进行了全电飞机试飞实验，虽然只是150KG的样机，但迈出了全电飞机实际运用的关键一步。2007年美国GE公司研究出用传统燃气涡轮发电机驱动的超导发电机。美国波音787就是一款全电操控的飞机。同时，欧洲各国也开始启动全电飞机技术研究，英国政府于2000年启动“全电发动机和机翼系统”研究计划，欧盟组织46家机构，于2002年启动了功率优化飞机（POA）计划，其主要内容是发动机电力系统、飞机电力系统等。2017年7月，空客公司正式批准启动其计划的支线客机级电推进验证机E-Fan X，该项目的主要内容是将一架BAe 146/Avro支线客机改装后进行全电起飞试验，混合电单通道客机成为可能，预计到2020年左右，全电飞机将进入使用阶段。

（二）国内多电飞机和全电飞机的技术探索

从国内来看，近年来随着航天航空技术的发展，我国在全电飞机领域也进行了很多有益的探索和研究。特别是航空电力系统航空科技重点实验室、中国航空工业发展研究中心，以及各类航空航天机构、高等院校等都把多电、全电飞机技术作为重点攻关对象，中国商飞等企业也在积极推进大型民机多电技术开发工作。但是相对而言，这一技术在国内还相当匮乏。通过对多电飞机和全电飞机的对比研究，本文认为随着电力技术的发展，航电设备现代化程度迅猛提高，全电、多电飞机技术已经成为航空科技发展的一项全新技术和重点课题，在我国飞机技术研制过程中，要进一步加大对电力动力技术的重视，在技术理论研究和实践运用领域争取更大的突破。