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减少航空碳排放的伟大开端——混合电推进

2020-03-31 10:18:18 柯林斯宇航微信公众号 柯林斯宇航

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我热爱航空业。它可以安全有效地运送人和货物,也是全球贸易的强大动力。航空业一直处于技术创新的前沿和领先地位。现在,全世界都在期待我们能找到碳排放和影响环境的持久解决方案。

航空业深知面临着越来越大的挑战——需要更有效的方式减少碳排放。多年来,航空航天在飞机效率、运营和生产环境方面取得了巨大进步,但仍有大量工作需要去做。这些数据是不容置疑的。航空业产生的二氧化碳占全球人为二氧化碳排放量的2%-3%,以及所有运输方式所产生的二氧化碳排放量的12%。作为航空业认真对待这一问题的例证,今年2月,达美航空宣布将投资10亿美元用于碳排放治理,它也成为全球首家实现碳中和的航空公司。

因此,一些重要的问题成为这一挑战的症结所在。

航空业如何保证在发展技术和经济的同时减少其碳排放?航空业怎样才能保证可持续发展的同时,继续成为经济活力的“源泉”?

航空业界的许多人相信,航空业的发展在于电推进。最大的困难是储能(电池技术)需要进步。今天,我们在电推进方面面临两大严峻挑战。

能量和功率密度

重量大并不利于飞机的飞行。如果我们的商业航空飞机需要安装电池来提供动力,那么,飞机将会非常重,无论从空气动力学、运营还是经济角度来说均不可行。甚至如果是更为小巧的电动支线飞机,其航程也将无法超过500海里,这在经济上也是不可持续的。

原因是能量储存的能力(以能量密度表示,单位是千瓦时/千克)和将该能量转换为动力的能力(以功率密度表示,单位是千瓦/千克)。当你意识到喷气式飞机燃料的能量密度是现今电池的50倍、而一台典型的喷气式发动机的功率密度是当今电动发动机的3倍时——我们眼前亟待解决的任务便显而易见了。此外,由于传统飞机燃料燃烧,飞机变得更轻。

值得注意的是,航空燃料比前几代燃料更清洁、更高效,创新应该确保将来的污染更少,但是燃料仍然会产生污染。

总之,全电动洲际飞机需要在能量和功率密度方面实现巨大的改进,而这不会很快实现。

动力管理

除了产生更大的动力,我们还需要加强对动力和热环境的控制、保护和管理。而且,在高空进行大规模的电力管理绝非易事,这需要更加完善的专业技术。

高效的电力分配和转换技术需要最大限度地利用可用电力,并将热管理系统最小化。我们需要高电压系统来帮助商用飞机实现这一目标。然而,在高空实现超高电压绝缘十分困难。我们需要额外的间距和绝缘系统,而这将影响飞机的重量。同时,在飞机上安全地使用和管理电力,其系统设计至关重要,这构成了另一项重大挑战。

由于交付具有电推进的商用航空运输飞机面临重大技术挑战,因此,我们认为,降低航空业碳排放的最佳方式是从混合电推进开始。

这在技术上是可行的,如果有效加以规划,将确保企业的生存能力和增加就业机会。小型飞机的混合电推进就是一个很好的起点。

我们认为,要为一架载客量不足50人的混合电动支线飞机提供动力,电池的能量和功率密度需要在当前的基础上翻倍。我们相信,这一目标将在未来数年内达成,并且载客量不超过50人、航程不超500英里的混合电动客机将在未来10到15年内实现适航。

要知道,我们花了30年的时间才把上世纪80年代的大型商业航空运输飞机的功率密度提高了50%,由此可将这一新的挑战将有多么艰巨。

在商用混合电推进方面,航空业走在了技术的前沿,这也是波音、空客、柯林斯宇航等公司现在加大投资研发力度的一个重要原因,旨在推动商用飞机电动和混合电推进早日成为现实。如果你在航空航天和国防这样的高科技行业落后于人后,就很难迎头赶上了。作为一个航空业的公司,保持领先是至关重要的。

但是,这些挑战不应被视为推迟商用电动和混合电推进技术研发的理由。事实上,我认为我们应当加速推进这项工作最强有力的理由是:这一技术能为原始设备制造商、航空公司、乘客和我们的环境所带来的巨大裨益,值得我们付出努力。

联合技术公司的内部研究表明,商用电动和混合电推进技术能够:

1.降低多达85%的飞机噪音 

2.提升高至40%的燃油消耗率 

3.减少20%的二氧化碳排放

4.降低多达20%的航空公司运营和维护成本

电动推进技术 混合电推进技术 电动和混合电推进技术

在2019年4月,柯林斯宇航宣布建立“电网”(The Grid)彰显了其对开发电动和混合电推进技术的决心:在伊利诺斯州罗克福德建造一个占地25,000平方英尺的下一代电力系统集成设施。“电网”将成为航空业最先进的电力系统实验室,并将成为电动飞机新产品和系统开发的测试平台。

柯林斯将利用“电网”测试大功率发电机、配电系统和电机,以及安装和测试连接系统,如驱动、空气管理和涡轮机械。“电网”将飞机架构集成测试提升到一个新的水平。

柯林斯宇航预计于未来三年内投入1.5亿美元在电源系统领域,其中包括投资于该实验室的5000万美元;过去10年里,柯林斯宇航已在推进多电架构方面投资了30亿美元。

柯林斯宇航在建立“电网”时,可持续地实施建设也是关注重点。到目前为止,我们已经使用了:

1.400万磅再生混凝土

2.50万磅再生钢

3.全电动拖拉机挖掘和移动土壤

“电网”实验室还将作为联合技术公司“804”项目关键部件的研发基地,该项目是是一架支线飞机大小的混合动力验证飞机,我们与普惠公司一起支持该项目。该验证机将包括一个优化巡航效率的发动机和一个电池供电的电动机。804”项目的混合电推进系统预计将平均节省30%的燃料。

除了主要关注于混合电推进,“804”项目预计还将推进其他技术的发展,如功率密度更高的电子设备、轻度混合动力的大型发动机和混合辅助动力装置。

当我们考虑应用于更广泛的航空业时,我们发现了一个独一无二的机会,可以继续与世界连接,在减少排放量和整体环境足迹的同时促进全球贸易,对下一代混合动力和电动平台的战略投资是非常值得的,这对我们的行业来说也是一个激动人心的时刻。

责任编辑:实习生 马丽