航空超導(dǎo)電驅(qū)動力系統(tǒng)發(fā)展研究

基于超導(dǎo)電驅(qū)的航空電推進系統(tǒng)具有高功率密度、高轉(zhuǎn)換效率和低損耗等優(yōu)勢，是大功率航空動力系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。俄羅斯、美國和歐洲的相關(guān)研究團隊對于超導(dǎo)電驅(qū)動力系統(tǒng)紛紛開展技術(shù)探索和方案預(yù)研，為超導(dǎo)技術(shù)在下一代飛行器的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。面向航空業(yè)節(jié)能減排、綠色低碳的發(fā)展目標(biāo)，美國和歐盟對于下一代飛行器在噪聲、燃油消耗和污染物排放等方面分別提出了量化指標(biāo)，而飛機動力系統(tǒng)技術(shù)的進步與革新是進一步提升燃油利用率、降低排放的必要保證。電推進技術(shù)是航空技術(shù)發(fā)展的重要方向，已成為下一代飛行器的一種可行的選擇。將電推進系統(tǒng)應(yīng)用于大型飛行器的主要挑戰(zhàn)為功重比，當(dāng)前渦輪發(fā)動機的功率密度在3～8kW/kg之間，而傳統(tǒng)工業(yè)電動機的功率密度通常低于2.5kW/kg，難以滿足大功率電動飛機的動力需求。超導(dǎo)材料在一定低溫環(huán)境下可以體現(xiàn)超導(dǎo)特性，能夠以幾乎為零的電阻傳導(dǎo)非常大的電流，能量損耗非常低。超導(dǎo)電機使用超導(dǎo)材料替換傳統(tǒng)電機的繞組材料，可以大幅提高導(dǎo)體電流密度并且減小損耗，從而提高電磁負荷、提升電機效率及功重比，成為傳統(tǒng)發(fā)電機和電動機的有利替代者。因此，超導(dǎo)航空電驅(qū)動力系統(tǒng)應(yīng)運而生，成為解決大功率航空電推進系統(tǒng)已有問題的很有前景的方案。超導(dǎo)電機發(fā)展與特點分析自1976年美國應(yīng)用超導(dǎo)大會上首次提出機載超導(dǎo)電機以來，超導(dǎo)電機已經(jīng)發(fā)展出低溫超導(dǎo)電機與高溫超導(dǎo)電機等不同超導(dǎo)材料的類型，以及半超導(dǎo)電機和全超導(dǎo)電機等不同結(jié)構(gòu)的類型。目前高溫超導(dǎo)電機的功率密度已超過10kW/kg，大幅超過傳統(tǒng)機載電機，甚至優(yōu)于渦輪發(fā)動機的功率密度，而且高溫超導(dǎo)體的臨界溫度高于液氮沸點，制冷成本較低，逐漸成為超導(dǎo)電機的主流研究方向。半超導(dǎo)電機是指使用超導(dǎo)材料替代勵磁繞組或電樞繞組的電機，通?？煞譃槎ㄗ有秃娃D(zhuǎn)子型，但定子半超導(dǎo)型電機因交流損耗較大導(dǎo)致電機轉(zhuǎn)速受限、效率較低，因此轉(zhuǎn)子超導(dǎo)型是半超導(dǎo)電機的主要研究對象。轉(zhuǎn)子半超導(dǎo)電機僅使用超導(dǎo)材料替代常規(guī)的轉(zhuǎn)子線圈，利用超導(dǎo)勵磁繞組中的直流電場產(chǎn)生高強氣隙磁場，沒有交流損耗，電機效率很高。通常需要將轉(zhuǎn)子超導(dǎo)電機的轉(zhuǎn)軸設(shè)計為中空無鐵芯結(jié)構(gòu)，如圖1（a）所示，以通入冷卻介質(zhì)、避免鐵芯磁飽和同時減輕質(zhì)量，而且需要對定轉(zhuǎn)子進行熱隔離，該型超導(dǎo)電機的主要技術(shù)難點在于旋轉(zhuǎn)密封及冷卻系統(tǒng)。典型樣機如韓國電工技術(shù)研究所設(shè)計的1MW半超導(dǎo)電機，如圖1（c）所示，用BSCCO超導(dǎo)線材制造的跑道型線圈繞制成雙極轉(zhuǎn)子，空心轉(zhuǎn)軸內(nèi)的液氖熱虹吸冷卻系統(tǒng)維持低溫環(huán)境，定子電樞采用常規(guī)銅繞組并用非磁性材料固定。圖1

半超導(dǎo)電機與全超導(dǎo)電機結(jié)構(gòu)及典型樣機全超導(dǎo)電機是勵磁繞組與電樞繞組同時采用超導(dǎo)材料的電機，理想狀況下全超導(dǎo)電機可以在利用超導(dǎo)勵磁繞組提高磁負荷的同時利用超導(dǎo)電樞繞組提高線負荷，進而達到最高的功率密度，結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示。但超導(dǎo)電樞繞組的交流損耗問題難以解決，尤其是在超導(dǎo)強勵磁場作用下尤為明顯，因此現(xiàn)有的全超導(dǎo)樣機多處于較低轉(zhuǎn)速的驗證階段，尚不能完全開發(fā)出全超導(dǎo)電機的潛力。莫斯科航空學(xué)院于2017年在多電飛機會議中展示的一臺1MW全超導(dǎo)電機，功率密度約為12kW/kg，如圖1（d）所示，利用跑道型超導(dǎo)線圈分別作為定轉(zhuǎn)子的電樞繞組和勵磁繞組，改進為無鐵芯結(jié)構(gòu)后，又能夠避免鐵芯磁飽和并有效減輕質(zhì)量，達到20kW/kg的功率密度。全超導(dǎo)電機是最具有發(fā)展前景的超導(dǎo)電機，理論上其功率密度可達20kW/kg以上，但是由于目前超導(dǎo)線材的交流損耗問題難以解決，轉(zhuǎn)子半超導(dǎo)電機可能將率先應(yīng)用于實際的機載項目中。航空超導(dǎo)電驅(qū)動力總成系統(tǒng)發(fā)展態(tài)勢在航空動力總成系統(tǒng)中應(yīng)用超導(dǎo)技術(shù)，理論上可以減輕系統(tǒng)質(zhì)量、減小損耗并提高系統(tǒng)的效率。目前，航空超導(dǎo)電驅(qū)動力系統(tǒng)視為未來飛機電推進的重要突破點，是實現(xiàn)航空脫碳目標(biāo)至關(guān)重要的解決方案。相關(guān)科研單位和研究機構(gòu)已開展超導(dǎo)電推進技術(shù)預(yù)研和驗證，探索其應(yīng)用于大功率支線飛機動力系統(tǒng)的可能性。俄羅斯俄羅斯中央航空發(fā)動機研究院（CIAM）于2017年莫斯科航展上宣布其首個混合電推進系統(tǒng)研究計劃，并展出了500kW混合電推進概念模型。該動力系統(tǒng)由燃氣渦輪發(fā)動機驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，同電池一起供電給超導(dǎo)電動機驅(qū)動六葉螺旋槳。由于超導(dǎo)材料的使用將其項目命名為高溫超導(dǎo)平臺（HTSP）混合動力總成，參研單位包括負責(zé)試驗平臺研制和飛行試驗的西伯利亞航空研究所（SibNIA）、負責(zé)飛行器空氣動力學(xué)、結(jié)構(gòu)強度和相關(guān)流體力學(xué)研究的中央空氣流體動力學(xué)研究院（TsAGI）、負責(zé)混合電推進動力驗證裝置研究的茹科夫斯基國家研究中心、負責(zé)航空發(fā)電機研制的烏法國立航空技術(shù)大學(xué)（UGATU）以及負責(zé)超導(dǎo)電動機設(shè)計和研制的莫斯科航空學(xué)院和超級奧克斯（SuperOx）公司。該項目原型機是采用蘇聯(lián)/俄羅斯雅科夫列夫設(shè)計局（Yakovlev）研制的三發(fā)噴氣支線飛機雅克-40，其主要動力為尾部3臺AI-25渦扇發(fā)動機，如圖2（a）所示。為將雅克-40飛機改裝為超導(dǎo)混合電推進驗證平臺，將原有發(fā)動機替換為2臺由霍尼韋爾公司研制的TFE731-5BR發(fā)動機和1臺克里莫夫TV2-117渦軸發(fā)動機驅(qū)動發(fā)電機。動力總成系統(tǒng)中發(fā)電機由UGATU和CIAM共同研制，功率約為400kW，轉(zhuǎn)速約為12000r/min，效率約為96%；鋰電池作為輔助動力裝置，主要是為雅克-40起飛和爬升時提供輔助動力，并在巡航飛行期間存儲多余的能量。圖2

俄羅斯超導(dǎo)電動系統(tǒng)SuperOx公司目前已經(jīng)研制了數(shù)百個電機繞組原型，以及大約10個不同功率的電機原型。該系統(tǒng)中超導(dǎo)電動機質(zhì)量約為100kg，轉(zhuǎn)速為2500r/min，可以產(chǎn)生400～500kW的功率，但超導(dǎo)材料只有在低溫環(huán)境下才能保持超導(dǎo)特性，因此需要配備對應(yīng)的機載低溫冷卻系統(tǒng)。圖2（d）～圖2（e）為500kW超導(dǎo)電動機測試試驗現(xiàn)場，采用溫度為77K的液氮冷卻，液氮流量為6L/h以保持超導(dǎo)材料零電阻特性。SuperOx公司于2020年12月將其研制的500kW超導(dǎo)電動機安裝在了作為試飛平臺的雅克-40飛機上，超導(dǎo)電動機、冷卻系統(tǒng)和螺旋槳安裝在機體頭部，如圖2（b）和圖2（c）所示，并進行了螺旋槳試運行，于2021年2月開始進行地面臺架測試，隨后進行了地面滑行測試?；旌蟿恿︱炞C機雅克-40LL配備了基于燃氣渦輪發(fā)動機和超導(dǎo)電動機的混合動力系統(tǒng)，已于2021年7月24日在莫斯科航展上完成了首次試飛，如圖2（f）所示。SuperOx公司將繼續(xù)生產(chǎn)功率1MW的超導(dǎo)電動機，將在伊爾-114飛機上安裝2臺來取代其型號為TV7-117的渦槳發(fā)動機。另外在2030年左右SuperOx公司將與CIAM等單位合作研制出不低于2MW的超導(dǎo)發(fā)電機，為俄羅斯超導(dǎo)混合電動系統(tǒng)的發(fā)展助力。歐洲為探索超導(dǎo)材料在航空應(yīng)用的可能性，空客公司已成立先進超導(dǎo)和低溫動力總成系統(tǒng)演示器（ASCEND）項目，計劃在3年內(nèi)研制一套500kW通用的超導(dǎo)航空電驅(qū)動力總成驗證系統(tǒng)，結(jié)合液氫冷卻和超導(dǎo)技術(shù)演示純電/混合電推進，探索超導(dǎo)材料和低溫系統(tǒng)對飛機電力推進系統(tǒng)性能的影響。該項目的地面演示器將由空客子公司UpNext來建造，與傳統(tǒng)技術(shù)相比，其目標(biāo)是將動力總成質(zhì)量和電氣損耗至少降低50％，同時將效率提高5％～6％。ASCEND項目的動力總成系統(tǒng)如圖3所示，包括低溫冷卻系統(tǒng)、超導(dǎo)電動機、低溫冷卻電動機控制單元、超導(dǎo)配電系統(tǒng)、電纜和保護裝置等。超導(dǎo)直流電纜和連接器將功率傳遞到電動機控制單元，轉(zhuǎn)換為交流電輸入給超導(dǎo)電動機驅(qū)動涵道風(fēng)扇/螺旋槳正常運轉(zhuǎn)。低溫冷卻系統(tǒng)為超導(dǎo)組件提供冷卻，根據(jù)當(dāng)前信息可以確定其冷卻工質(zhì)為液氫。盡管整個超導(dǎo)系統(tǒng)需要保持冷態(tài)，但是動力總成的不同組件需要不同的冷卻溫度，例如，電纜可能需要80K，常規(guī)半導(dǎo)體需要100～150K，因此該項目也將著眼于調(diào)節(jié)冷卻溫度或為一些組件開發(fā)特定的冷卻系統(tǒng)。圖3

空客超導(dǎo)電動總成系統(tǒng)架構(gòu)ASCEND項目中動力總成系統(tǒng)預(yù)計在2023年年底測試和評估適用于純電/混合電推進的解決方案，為空客公司決策未來飛機所需要的推進系統(tǒng)架構(gòu)類型提供支持。目前項目研究對象為500kW以內(nèi)的超導(dǎo)電驅(qū)通用總成系統(tǒng)，并不是針對某個特定機型，旨在證明超導(dǎo)電驅(qū)技術(shù)應(yīng)用的可行性和潛力。當(dāng)前現(xiàn)有的飛行器類型中，電動垂直起降（eVTOL）飛行器、輕型和支線飛機可能需要幾百千瓦的功率，而大型飛機則需要數(shù)兆瓦的功率，因此超導(dǎo)電驅(qū)動力系統(tǒng)目前研究和短期應(yīng)用集中于前者。賽峰集團等公司及研究實驗室已加入到超導(dǎo)電驅(qū)的研究中，成為ASCEND項目的合作伙伴，空客公司預(yù)計于2023年驗證系統(tǒng)方案，2025年完成飛行演示，2026年確定飛機開發(fā)方案，并在2035年投入使用。美國美國國家航空航天局（NASA）、波音公司等研究團隊一直在探索未來大功率航空超導(dǎo)電驅(qū)動力系統(tǒng)架構(gòu)方案，SUGARFreeze是波音公司在亞聲速超綠色飛機研究（SUGAR）項目支持下的一種混合電推進飛機，如圖4所示，其尾端推進風(fēng)扇由固體氧化物燃料電池循環(huán)供電，并由帶有超導(dǎo)電源管理系統(tǒng)的超導(dǎo)電動機驅(qū)動。NASAN3-X通過安裝在機頭的2臺燃氣渦輪發(fā)動機驅(qū)動4臺超導(dǎo)發(fā)電機發(fā)電，總發(fā)電功率約為50MW，每臺發(fā)電機為3～4臺功率為2.5MW的超導(dǎo)電動機供電，總推進功率約為35MW。圖4

NASA大功率超導(dǎo)航空電驅(qū)動力系統(tǒng)概念設(shè)計NASA格倫研究中心正建造電動飛機試驗平臺（NEAT），如圖5所示，以實現(xiàn)未來單通道飛機全尺寸、實際飛行質(zhì)量條件下的電推進系統(tǒng)地面試驗，提高推進系統(tǒng)的技術(shù)成熟度，為飛行試驗做準(zhǔn)備。NEAT可以測試全套電推進系統(tǒng)，其功率可達到24MW，匯流條電壓可達到4500V。試驗臺周圍還有熱核火箭試驗設(shè)施和高超聲速風(fēng)洞，可提供NEAT所需要的功率、冷卻和低溫基礎(chǔ)設(shè)施，確保大功率常規(guī)或超導(dǎo)電驅(qū)系統(tǒng)試驗的開展。圖5

美國NEAT超導(dǎo)航空電驅(qū)動力推進技術(shù)面臨挑戰(zhàn)機載低溫冷卻技術(shù)尚未成熟超導(dǎo)航空電驅(qū)動力推進系統(tǒng)的亮點在于創(chuàng)造性地使用了超導(dǎo)磁體，但對動力系統(tǒng)來說，超導(dǎo)磁體并不是其電機系統(tǒng)不可或缺的要素，只是一個可能的性能加分項，因為超導(dǎo)技術(shù)要求嚴苛的低溫工作條件。要持續(xù)維持超導(dǎo)電機處于超導(dǎo)狀態(tài)必須依賴一套非常精密復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)，而現(xiàn)有的超導(dǎo)電機常使用液氮、液氫、液氦或者液氖作為冷卻介質(zhì)，對應(yīng)的低溫制冷設(shè)備大多是針對特定的地面基礎(chǔ)試驗，且質(zhì)量和體積較大。機載超導(dǎo)電機冷卻設(shè)備須根據(jù)飛機尺寸及型號進行特殊的設(shè)計，保證在飛機質(zhì)量和體積裕度內(nèi)發(fā)揮制冷作用，保證超導(dǎo)材料的超導(dǎo)特性和電機的冷卻。因此，超導(dǎo)電機的體積、質(zhì)量優(yōu)勢，需要在電機功率和尺寸的需求足夠大的背景下，才能展現(xiàn)出一定的實用價值。超導(dǎo)材料高度依賴冷卻系統(tǒng)，而低溫冷卻系統(tǒng)可能削弱超導(dǎo)電機固有的高可靠性優(yōu)勢，而飛機的動力系統(tǒng)對可靠性要求是最高的。美國、歐洲目前所研發(fā)的超導(dǎo)電驅(qū)動力系統(tǒng)，其主要規(guī)劃和驗證性使用都集中在工業(yè)級用途，尤其是船舶動力方面，尚未應(yīng)用于機載動力系統(tǒng)，因此啟用超導(dǎo)動力系統(tǒng)將對飛機安全提出極大的挑戰(zhàn)。另外，從經(jīng)濟的角度來講，超導(dǎo)材料、超導(dǎo)電機冷卻系統(tǒng)等產(chǎn)品價格奇高，客觀上也阻礙了超導(dǎo)電驅(qū)動力系統(tǒng)的大規(guī)模市場化應(yīng)用。大容量、高效率的功率變換器技術(shù)亟待解決超導(dǎo)航空電推進系統(tǒng)的動力源于超導(dǎo)電機，要實現(xiàn)對超導(dǎo)電機的精準(zhǔn)控制需要大容量、高效率的功率變換器，實現(xiàn)交流電和直流電之間的轉(zhuǎn)換。電推進系統(tǒng)中的功率變換器主要有發(fā)電機側(cè)的整流器、電動機側(cè)的逆變器和為機上其他設(shè)備供電的功率變換器。兆瓦級功率變換器所依托的大容量電力電子技術(shù)需要在以下方面獲得突破：開關(guān)器件、半導(dǎo)體材料、功率電路拓撲、濾波器、封裝和熱管理等。目前亞兆瓦或兆瓦級大容量電力電子裝置局限于傳統(tǒng)硅基晶閘管或絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）換流技術(shù)，開關(guān)頻率偏低、體積大且功耗高，難以實現(xiàn)電力系統(tǒng)性能的大幅提升。功率器件的開關(guān)損耗也可以通過優(yōu)化電路拓撲來降低，如軟開關(guān)技術(shù)。輸入/輸出濾波器有助于降低干擾，提高電能質(zhì)量，降低對機載電子設(shè)備和電機的影響。但濾波電容體積和質(zhì)量大、不耐高溫、可靠性差，因此對于濾波器的設(shè)計需要盡可能做到體積小、質(zhì)量輕。