据《飞行国际》2019年5月20日报道,听到罗罗公司公布燃气涡轮发动机在未来很长时间内仍将叱咤风云这一言论并不奇怪。“遄达”这个名字因为以其命名的喷气发动机系列享誉全球,比起流经罗罗公司德比总部的河流名气要大得多。总之,罗罗公司在其超扇发动机的新齿轮传动结构方面投资很大,预计未来几年甚至几十年可以引领风骚。
但是在满足严苛排放目标的突破性技术方面,罗罗公司认为燃气涡轮发动机不是最佳选择。至少,单纯的燃气涡轮发动机无法满足要求。罗罗公司未来飞机议题的领头人Giulio Zamboni在早前于伦敦举行的关注电动飞行的改革航空会议上明确表示罗罗公司的愿景是混合电推进系统。罗罗公司相信电和燃气涡轮的组合动力将降低中长航程飞机的CO2和NOx排放,并将成为城市和支线运输的主要推进系统。
Zamboni谈到了罗罗公司计划的三个方面。首先,继续优化燃气涡轮发动机技术,在研究和发展(R&D)上每年投资10亿英镑。超扇研究项目目标旨在比遄达发动机的效率提升25%。这一改进大部分源自超扇的齿轮传动风扇结构,而且该技术还可升级,窄体客机和宽体客机都可从中受益。
其次,罗罗公司将重点提升动力与机身的一体化程度。
第三,电气化。全电飞机要实现商业用途需要先突破电池技术。这也是为什么罗罗公司相信混合推进系统可以实现商业运行的原因,混合推进系统的原理是用发动机燃烧燃料产生的能量发电驱动电动风扇产生推力。
罗罗公司把混合电推进系统的潜在市场分成三个部分。VTOL(垂直起降飞行器)可以搭载5名乘客,以大于200节或400千米/时的速度低空滑行飞行约900公里。更大一点的垂直起降飞机,可搭载4 ~ 20名乘客。能搭载20~100名乘客的支线飞机也是混合电推进系统的备选飞行器。
航程约1600 千米 的大型支线飞机,甚至是航程达到2800千米的中小型公务机或窄体客机都可以采用混合电推进系统作为动力。航程更长的窄体和宽体客机需要“更电气化”的动力,在燃气涡轮发动机提供动力和持续改进电气技术的前提下意味着推进系统无不是越来越电气化的。
罗罗eVTOL军用飞机
罗罗公司航空航天技术和未来项目负责人Alan Newby称,为了满足欧洲“航迹2050”大幅降低排放的目标,罗罗公司将竭尽所能推进电气化,而这需要新技术。
飞机-推进系统一体化带来的好处包括为流过飞机表面的气流附面层重新赋能。附面层的能量原则上通过驱动风扇来增加,而不是让风扇独自完成给从机翼下方自由空间吸入空气赋能的工作。这是电气化可以解决的问题,它可以采用分布式风扇。不仅如此,运用电气化还能带来更简单和更便宜的增升配置。
但是,Newby指出在转换为电能的时候存在损失,所以必须从飞机层面去考虑净提升量。最终,飞机层面集成证明电气化可以带来净收益。而罗罗公司作为系统集成商,具备丰富的发展和验证燃气涡轮发动机的经验,同时具备容错和安全关键系统的知识以及设计复杂旋转机械的能力。这些都将有益于混合推进系统集成。
罗罗公司将在最短的时间内进行试验评估这一方案。建立在罗罗公司M250涡轴发动机基础上的eVTOL(电动垂直起降飞行器)飞行试验将于2021年开始。eVTOL可以串联混合模式工作——只用燃气涡轮发动机带动发电机发电给电池充电,为eVTOL的电机驱动螺旋桨提供动力;或者以并联混合模式工作——推力的能量可以直接源自燃气涡轮发动机或者电池,或者由两者同时提供。
但是,可能很快会进行一项更重要的试验,即在2020年下半年实现E-Fan X飞机的首次飞行。该项目参与方包括空客、罗罗和西门子,用电动涵道风扇替换BAe 146飞机的其中一台霍尼韦尔的涡扇发动机,新的试验飞机称为E-Fan X。
E-Fan X概念图
E-Fan X结构图
从外形上看,除了右侧机翼一个发动机短舱里安置的是西门子电机驱动风扇以外,E-Fan X和其他所有的BAe 146非常相似。罗罗公司的设计是在机身内发电,罗罗公司AE3007燃气涡轮发动机将驱动发电机产生2MW电能。空客公司提供的电力系统所需的电池。
Newby认为,E-Fan X可能会在21世纪20年代后期或2030年取证。但从技术方面来说,下个十年的后半段可能性比较大。Newby强调,这种混合电动飞机想要进入商业运营,还需政府和管理部门的同意,而且将会改变机载系统。
罗罗公司非常清楚其电气化宽体客机动力方案需要整个行业的创新思维——包括运输政策和补贴、物理和网络安全、数字票务、机场和地面底层结构设计、空中交通管理以及管理和认证要求。还需要考虑考虑个体飞行员驾驶的因素。
总而言之,罗罗公司认为电气化是航空运输实现更广泛的社会转型的一个关键方面。
(翻译:李龙,审稿:陈小丽)