廖忠权 2018年12月18日
赛峰集团将为美国Zunm公司ZA10的混合电推进系统提供阿蒂丹(Ardiden)3Z涡轴发动机。 ZA10飞机与PC-12或比奇“空中国王”相比,运营成本可降低60%~80%。
总部位于西雅图的Zunum公司创立于2017年4月,已经获得波音HorizonX和捷蓝(Jetblue)技术投资机构的风险投资,开展12座的ZA10支线飞机的研究。
ZA10支线飞机将采用电池和涡轮-发电机两种动力,共同驱动两个500 kW的电动涵道风扇产生动力。飞机机载电池组提供500kW的功率,涡轮-发电机系统也提供500kW的功率。赛峰集团提供的阿蒂丹3Z涡轴发动机用于驱动发电机发电,发电机则是由Zunum公司另行选择。涡轮-发电机系统将安装在ZA10机体后部的两个涵道风扇中间,而机载电池组则被置于机体、机翼和短舱里。
涡轮-发电机系统位于机体后部的两个涵道风扇中间,电池组则被置于机体、机翼和短舱里 |
阿蒂丹3Z是赛峰集团阿蒂丹3的改型,阿蒂丹 3发动机于2013年获得适航认证。Zunum公司想采用一型更加现代化的发动机,同时公司认为涡轴发动机比涡桨发动机更有优势,因此选择了阿蒂丹 3系列,赛峰集团也将按Zunum公司的需求研制阿蒂丹 3Z,并重新取证。对于选择涡轴发动机而不是涡桨发动机,Zunum公司的联合创始人兼首席技术官马特·克纳普评论说:“涡轴发动机更短更紧凑,动力轴从冷端输出功率,使得它更容易用螺栓固定在发电机上。”他进一步表示,与直升机配装的涡轴发动机功率有高低起伏不同,阿蒂丹 3Z 在ZA10飞机上将始终工作在最佳状态,使耗油率更低、寿命更长,而且将结合新材料和全生命周期管理来延长关键部件的寿命,以降低总的运营成本。值得一提的是,混合电推进系统的一大特点和优势就是带动发电机的燃气涡轮发动机始终工作在最佳状态,由电力系统去调节输出功率的升降。
Zunum公司正在开发电动机和涵道风扇,并计划于2018年年底前选定一型发电机。赛峰集团将把阿蒂丹3Z与Zunum公司选择的发电机组合起来,并计划于2019年中期在法国进行涡轮-发电机的地面试验,之后在飞行试验平台(FTB)上进行飞行试验。
Zunm公司已经采购罗克韦尔公司的“涡轮指挥官”(Turbo Commander)涡桨飞机作为推进系统试验平台。飞机将进行阶段性改装和测试。第一步,飞机的两台涡桨发动机中的一台将被电动机取代,开始只由电池组供电,通过一个齿轮箱驱动原来的螺旋桨,于2019年夏天进行试飞。第二步,待赛峰集团完成涡轮-发电机系统的地面试验以后,将之与飞机融合,在“涡轮指挥官”飞行试验平台上进行飞行试验,“涡轮指挥官”将在2019年年底前搭载涡轮-发电机和电动机首飞。第三步,将涵道风扇安装于“涡轮指挥官”的机翼下,试验完整的混合电推进系统。安装完整的混合电推进系统后,“涡轮指挥官”飞行试验平台将进行一系列改装,Zunum公司将升级其控制软件。克纳普声称,在ZA10首飞以前,其动力系统将在飞行试验平台上进行数月的确认试验。值得一提的是,Zunum公司选择“涡轮指挥官”做飞行试验平台的原因之一是该机的机翼离地高,方便安装涵道风扇。赛峰直升机发动机公司在20世纪70年代亦曾利用“涡轮指挥官”作为其阿斯泰方(Astafan)小型涡扇发动机的飞行试验平台。
“涡轮指挥官”飞机的一台涡桨发动机将由一个涵道风扇加一个电动机取代由置于机体的电池组和一个涡轮-发电机组合提供电力 |
Zunum公司将ZA10飞机称为混合电推进飞机,因为其推进系统为模块化设计,电池组和涡轮-发电机是两个相对独立的模块。电池组可随着技术进步定期升级,随着电池能量密度提升,飞机航程可由2020年的1126km提高至2030年的1609 km。初期,电池和涡轮-发电机各提供大概50%的动力。之后,随着电池能量密度的提高,运营商可以有两个选择:一是让飞机航程更远;二是用额外的电池替换涡轮-发电机,将飞机变成全电推进飞机,降低运营成本。
Zunum公司已经建造了涵道风扇的全尺寸试验台,正将电机整合到一起并开发控制律。公司已经开发了逆变器,准备试验电动机。克纳普表示,“已向美国联邦航空局(FAA)递交了涵道风扇的初步取证计划。” Zunum公司还没有最终确定电池产品,但正在与几家电池供应商洽谈,电池必须向前兼容。克纳普对此解释:“如果我们今天确定了电池选型,适航取证完成时电池就会过时。我们正在努力开发一种灵活的、模块化的蓄电系统,并建立每两年重新取证的简化流程。”Zunum公司的目标是将ZA10飞机运营成本,包括燃油、电力和电池,降到每座千米5美分,或者每小时250美元,与PC-12或比奇“空中国王”相比,运营成本降低60%~80%。
赛峰集团目前在混合电推进系统领域发展良好,贝尔直升机公司已经选择赛峰为其电动垂直起降(eVTOL)飞行器验证机提供分布式混合电推进系统,该机定于2020年首飞。目前,赛峰集团正在法国开展该混合电推进系统的地面试验。
此外,2018年7月,赛峰混合电推进系统发展路线图中达到了一个重要里程碑,其分布式混合电推进系统开展了首轮地面试验,1个涡轮-发电机组合与电池组连接,为多个电动机提供电力,电动机再驱动螺旋桨提供推力,试验中供电系统产生了100kW的功率。
(廖忠权,中国航发研究院,高级工程师,主要从事航空发动机前沿技术探索和产业发展研究)
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