羅羅公司的飛機電氣化發展計劃

混合動力電動E-FanX驗證機。

VolanteVision概念飛行汽車渲染圖。

ACCEL演示飛機，相關技術可用於電動垂直起降和支線運輸。

中國航空報訊：與全球諸多航空發動機製造商一樣，羅爾斯·羅伊斯正處于軍、民用航空領域的新興電力革命浪潮之中。隨著羅羅公司在新型推進技術的多個並行領域開展嘗試，該公司21世紀電動飛機戰略發展計劃的關鍵細節逐漸顯現。羅羅公司在新型推進技術領域的嘗試主要包括如下三個方向：針對近期多電飛機需求的嵌入式起動/發電機測試；旨在打造世界上最強勁的飛機發電機E-Fan X計劃；推動電動技術發展的ACCEL、eVTOL和Volante項目。

立足燃氣輪機優勢形成航空電氣化能力

羅羅公司內部新近成立了電氣部門，專門負責監管電氣化相關的新工業戰略，以應對航空領域電氣化這一「不可避免的趨勢」。「在傳統發動機領域，我們即將達到技術曲線上的頂峰，材料技術無法獲得無限制的持續改進。」該部門主管薩拉·波克森表示，為了達成國際航空研究合作項目（ICARe）設立的2050年減排量目標，「無論是飛機設計還是發動機設計都必須徹底改變，電氣化將成為實現這一目標的促成技術。」

隨著羅羅公司對電氣化領域的日益關注，該公司開始關注永磁推進器等電氣產品領域，在最近對商業、海運等業務的剝離過程中，相關電氣化部分也得以保留。「值得注意的是，羅羅公司具有豐富的混合動力經驗，正在確保將這些技術中的一部分協同起來。」波克森表示。

廣泛的行業研究表明，電推進的初始應用更有可能在較小規模下實現。在有效載荷、速度和航程較大的應用場景，混合電動和多電技術更為合理；在有效載荷、速度和航程較小的應用場景，全電技術更為適合。就時間表而言，可能需要5年乃至25年、35年以上。

羅羅公司認為未來的單通道客機的電池化學成分可能與當前完全不同，未來將需要更高的電壓以提供高達數十兆瓦的功率。波音787是世界上首架多電飛機，其儲能元件的能量密度達到150瓦時/千克，電力電子設備功率密度為5千瓦/千克，2台發電機的功率密度為3千瓦/千克。但2030年代的小型混合電動客機的能量密度需求高達1000瓦時/千克，電力電子設備的功率密度需要4倍于波音787技術水平，發電機功率密度需要20千瓦/千克。

在多電飛機和電推進飛機方面已開展多項工作

羅羅公司的發展戰略反映了電氣化技術影響航空業的兩種方式，其一是漸進發展式，例如，多電飛機技術；其二是顛覆性的革命方式，如電推進技術。羅羅目前在這兩條路線上均開展了的研究工作。

持續推進多電技術提升——針對近期多電飛機需求的嵌入式起動/發電機的研究。羅羅在位於英國布里斯托的工廠正在開展E2SG項目，該工作正在被納入英國「暴風」第五代戰鬥機項目。該技術也可用於大型民用發動機，團隊正在研究如何更好地管理喘振裕度。

在大飛機上開展電氣化關鍵部件技術驗證——為空客E-Fan X驗證機打造世界上最強勁的飛機發電機。羅羅與空客、西門子共同開發了E-Fan X演示驗證機，用於評估支線客機的混合電推進可行性。波克森表示，羅羅公司將提供2.5兆瓦發電機與電力電子設備，安裝於1台羅羅AE2100渦槳發動機上。該發動機將裝載在深度改裝的BAe 146/Avro RJ飛機上進行飛行測試，如果測試成功，則該發動機發電機會成為「世界上最強勁的飛機發電機」。

測試平台原本裝配4台霍尼韋爾LF507渦扇發動機，其中1台會被電動機系統替換。該電動機系統配有碳化硅電力模塊和永磁材料，為電機提供3000V交流電以驅動風扇轉動。風扇來自於1台AE3007發動機。雖然E-Fan X飛機的推進裝置是燃氣輪機與電機的組合，因而屬於並聯式混合動力，但該實驗的主要目的是通過該電動機系統評估串聯混合動力的可行性，在該模式下推進裝置是電動的，具有額外的儲能裝置。

E-Fan X預計將在2020年末推出，但電推進飛機的最終構型與E-Fan X不同。「電推進飛機的概念可能發展為串聯混合電推進，或邊界層吸入設計。目前開展的工作是展示大型高壓電機在高空工作的能力。尚有許多問題待解決，包括熱綜合管理、電暈放電，其中還包括防止高壓電纜在巡航高度產生電弧的挑戰。在這方面，羅羅很大程度上依賴於設置於大學中研究網路，特別是在曼徹斯特，該研究網路正在研究安裝故障以及電弧和火花的影響。

在小型通用飛機上開展電動飛機概念驗證——推動電動技術發展的ACCEL、eVTOL和Volante項目。在全電推進領域，羅羅和合作夥伴YASA領導了一項由英國政府支持的研究項目「加速飛行電氣化」（ACCEL），以探索在演示飛機中使用高功率電氣系統。「這一項目是羅羅與電動飛行、YASA的合作。」波克森解釋道。「電動飛行」是一家總部位於英國的公司，專門從事高性能電力系統包括儲能系統的研製。

羅羅公司希望在ACCEL計劃中積累關於鋰離子電池模塊集成和封裝的寶貴經驗，以及更好地了解中央電池的熱分析方法，並確定電池可能在何種情況下發生過熱。此外，電池管理、以及特定複合材料是否有助於控制熱環境等問題也是羅羅在該計劃中可能遇到並需要解決的。

此外，羅羅公司針對個人飛行器和剛剛起步的城市空中交通市場的推出了小型電動和混合動力電動計劃，公司旗下的印第安納波利斯集團基於M250渦軸發動機開發了混合動力系統，正在進行地面測試。該計劃始於2018年初，通過1年的工作，研製一套混合動力推進系統並演示了三種運行模式——串聯混合動力、並聯混合動力和渦電。三種操作模式均已進行測試，初始的地面測試於2018年第四季度完成，今年的計劃是研究準備飛行的解決方案。這一項目覆蓋了500～800千瓦的功率範圍，是電動垂直起降的最佳選擇。

為了研究電推進的技術可行性和發展挑戰，羅羅設計了自己的電動垂直起降飛機。「這是羅羅第一次提出飛機層面的概念，概念的提出是基於M250混合動力推進系統。」波克森表示。這款5座串聯式混合電動飛機採用了螺旋槳和傾斜機翼設計，吸收了鷂式戰鬥機的垂直/短距起降技術的相關經驗。

目前。羅羅公司尚未推出相關產品，但所做的所有技術和集成工作都會支持產品發展。全尺寸飛機計劃也將與現有的飛機製造商和其他航空航天公司合作完成。如果新的電動飛機市場出現，大型企業希望確保其與現有市場一樣安全。

羅羅公司還與汽車製造商阿斯頓馬丁公司、克蘭菲爾德航空航天解決方案公司以及克蘭菲爾德大學合作，開發一款用於城市和城際航空旅行的混合動力3座飛機。該飛機被稱為Volante Vision概念機，動力系統基於M250發動機，初步計劃於21世紀20年代中期投放市場。

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