2021年，航空機(jī)電與飛控領(lǐng)域繼續(xù)向電氣化和自主化方向發(fā)展，多個(gè)重要項(xiàng)目繼續(xù)進(jìn)行，通過演示驗(yàn)證提升技術(shù)成熟度。在電動(dòng)飛機(jī)迅速發(fā)展的趨勢引領(lǐng)下，高功率密度電機(jī)、高能量密度儲(chǔ)能技術(shù)等發(fā)展迅速，同時(shí)，自主飛行技術(shù)成為研發(fā)熱點(diǎn)。
一、從政府到企業(yè)大力推動(dòng)航空電氣化發(fā)展
1.英國政府資助全電推進(jìn)系統(tǒng)研究項(xiàng)目
2021年1月，英國政府商業(yè)/能源和工業(yè)戰(zhàn)略部、航空航天技術(shù)研究所（ATI）、創(chuàng)新英國共同支持的“電動(dòng)飛機(jī)綜合飛行控制、儲(chǔ)能與推進(jìn)技術(shù)研究”（INCEPTION）項(xiàng)目正式啟動(dòng)。該項(xiàng)目由藍(lán)熊系統(tǒng)研究公司（Blue Bear Systems Research）牽頭，項(xiàng)目周期24個(gè)月，旨在研發(fā)高功率密度、低噪聲、高效率、零排放全電推進(jìn)系統(tǒng)。該推進(jìn)系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性，將發(fā)展系列型號(hào)。項(xiàng)目研制的首個(gè)型號(hào)將用于5噸內(nèi)的小型飛機(jī)。通過模塊化擴(kuò)展，該系統(tǒng)能為不同類型飛機(jī)提供動(dòng)力。
圖 1 藍(lán)熊系統(tǒng)研究公司研制的綜合推進(jìn)系統(tǒng)
2.NASA X-57項(xiàng)目開展高壓地面試驗(yàn)
2021年2月，美國航空航天局（NASA）X-57“麥克斯韋”項(xiàng)目啟動(dòng)了高壓地面試驗(yàn)。根據(jù)計(jì)劃，X-57驗(yàn)證機(jī)將首先開展低功率試驗(yàn)，測試啟動(dòng)和停機(jī)程序，驗(yàn)證電機(jī)控制軟件效能；隨后將啟動(dòng)2臺(tái)巡航電機(jī)，測試螺旋槳工作情況；進(jìn)而提高電機(jī)功率，驗(yàn)證功率輸出情況，測試儀表、傳感器是否正常；高壓試驗(yàn)是地面試驗(yàn)的最終驗(yàn)證階段，是滑行試驗(yàn)前的關(guān)鍵步驟。turbojet engine
3.歐盟“潔凈天空2”計(jì)劃支持航空領(lǐng)域電氣化高效應(yīng)用
2021年1月，歐盟“潔凈天空”計(jì)劃網(wǎng)站介紹了“飛機(jī)模塊化電力變換解決方案”（AMPS）項(xiàng)目的研究情況。該項(xiàng)目旨在開發(fā)既能有效傳輸功率又能供高功率密度的方法。研究團(tuán)隊(duì)首先設(shè)計(jì)并制造了一系列電源模塊，隨后使用其中一種模塊構(gòu)建了一個(gè)高壓直流矩陣變換器演示器，成功開發(fā)出首款符合航空航天標(biāo)準(zhǔn)的無基座電源模塊。該無基座電源模塊不僅體積小、成本低、重量輕，且易于集成到配電系統(tǒng)中。
2021年6月，歐盟“潔凈天空”計(jì)劃網(wǎng)站介紹了“可靠飛機(jī)電絕緣系統(tǒng)選擇”（RAISE）項(xiàng)目的研究情況。該項(xiàng)目旨在解決寬禁帶半導(dǎo)體的可靠性問題，使航空領(lǐng)域更安全、更高效地部署寬禁帶半導(dǎo)體設(shè)備，滿足多電飛機(jī)發(fā)展要求。RAISE項(xiàng)目綜合采用了雙重方法，實(shí)現(xiàn)了寬禁帶半導(dǎo)體設(shè)備的應(yīng)用模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
圖 2 RAISE項(xiàng)目示意圖
4.柯林斯航空航天公司參與多個(gè)航空電氣化項(xiàng)目
2021年9月，柯林斯航空航天公司稱，其正在從多電系統(tǒng)到混合電推進(jìn)各個(gè)方面不斷探索飛機(jī)電氣化可能性，以助力實(shí)現(xiàn)航空脫碳目標(biāo)?？铝炙购献骰锇槠栈菁幽么蠊居?jì)劃將新的混合電推進(jìn)技術(shù)集成到德哈維蘭加拿大“沖-8”（Dash-8）飛行驗(yàn)證機(jī)中。普惠公司的發(fā)動(dòng)機(jī)將與柯林斯的先進(jìn)電機(jī)以混合配置相結(jié)合，能夠在飛行的不同階段優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)性能，節(jié)省約30%的燃料?？铝炙惯€與英國混合航空器公司和諾丁漢大學(xué)的研究人員合作，研制出全球第一種“Airlander10”零排放飛艇。為了實(shí)現(xiàn)零排放運(yùn)營目標(biāo)，柯林斯航空航天公司500千瓦電機(jī)將取代“Airlander10”飛艇上配裝的四臺(tái)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)。該項(xiàng)目將分階段進(jìn)行，從2025年的兩臺(tái)前置發(fā)動(dòng)機(jī)開始實(shí)現(xiàn)混合電動(dòng)運(yùn)行，到2030年的兩臺(tái)后置發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)零排放。此外，柯林斯正在與NASA和伊利諾伊大學(xué)合作研制兆瓦級(jí)的電機(jī)，以推動(dòng)未來更環(huán)保和更經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)飛機(jī)。在2021年春，該電機(jī)在伊利諾伊州羅克福德市柯林斯電力系統(tǒng)卓越中心的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了測試。
5.萊特電氣公司計(jì)劃2026年前實(shí)現(xiàn)全電動(dòng)支線客機(jī)商用化
2021年11月，萊特電氣（Wright Electric）公司表示，計(jì)劃2026年前實(shí)現(xiàn)全電動(dòng)型BAE146系列支線客機(jī)的商用化。新電動(dòng)支線飛機(jī)重新命名為“萊特精神”（Wright Spirit），將使用航空電機(jī)取代飛機(jī)原有的四臺(tái)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，使其續(xù)航時(shí)間達(dá)到一小時(shí)左右。根據(jù)萊特電氣公司計(jì)劃，2022年底前將完成新航空電機(jī)、變頻器和推進(jìn)槳葉的開發(fā)，2023年使用完整的電推進(jìn)裝置取代現(xiàn)有渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，并完成首架電動(dòng)BAE146飛機(jī)的試飛。萊特電氣公司設(shè)計(jì)的2兆瓦航空電機(jī)比其他廠商的產(chǎn)品功率大四倍左右，比功率達(dá)到10千瓦/千克；該逆變器效率達(dá)99.5%，比功率高達(dá)30千瓦/千克，可集成功率500千瓦到20兆瓦范圍的電推進(jìn)系統(tǒng)。變頻器具有較低熱損失率，能夠更有效儲(chǔ)能，增加飛機(jī)航程和有效載荷。
二、先進(jìn)電力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展迅速
1.兆瓦發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)逐漸成熟
2021年6月，羅羅公司啟動(dòng)“動(dòng)力生成系統(tǒng)1號(hào)”（Power Generation System 1，PGS1）航空發(fā)電系統(tǒng)地面試驗(yàn)。該系統(tǒng)以AE2100發(fā)動(dòng)機(jī)為核心機(jī)，提取軸功率發(fā)電，目標(biāo)功率高達(dá)2.5兆瓦，是當(dāng)前全球航空領(lǐng)域內(nèi)功率最大的發(fā)電系統(tǒng)。初始試驗(yàn)在布里斯托市進(jìn)行，主要涉及核心機(jī)、控制和熱管理技術(shù)領(lǐng)域。7月，挪威特隆赫姆工廠交付了發(fā)電機(jī)和電力電子設(shè)備，隨后進(jìn)行全系統(tǒng)集成。12月，PGS1試驗(yàn)功率超過1兆瓦，達(dá)到里程碑節(jié)點(diǎn)。
2021年3月，霍尼韋爾公司公布了一種正在開發(fā)中的全新渦輪發(fā)電機(jī)。該發(fā)電機(jī)專為空中出租車、貨運(yùn)無人機(jī)和混合電動(dòng)商用飛機(jī)設(shè)計(jì)，與目前A350XWB飛機(jī)上的HGT1700輔助動(dòng)力裝置配套使用，可產(chǎn)生1兆瓦的電力。霍尼韋爾公司指出，許多新的空中出租車設(shè)計(jì)都采用了“分布式電推進(jìn)架構(gòu)”，這種渦輪發(fā)電機(jī)可為飛機(jī)上的多臺(tái)電動(dòng)機(jī)提供電力。
圖 3 霍尼韋爾兆瓦渦輪發(fā)電機(jī)
2.超導(dǎo)電力系統(tǒng)開始技術(shù)驗(yàn)證
2021年3月，空客公司啟動(dòng)了“先進(jìn)超導(dǎo)冷卻試驗(yàn)電力系統(tǒng)演示驗(yàn)證”（ASCEND）項(xiàng)目，研究基于超導(dǎo)技術(shù)的電推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)。該項(xiàng)目為期3年，目標(biāo)是通過高溫超導(dǎo)技術(shù)大幅提高電推進(jìn)系統(tǒng)功率密度和效率（功率密度較常規(guī)系統(tǒng)提高2-3倍，效率達(dá)到97%），以滿足未來大型長航程電動(dòng)飛機(jī)的需求。項(xiàng)目將研制500千瓦級(jí)全電/混合電推進(jìn)系統(tǒng)，包括：超導(dǎo)配電系統(tǒng)（超導(dǎo)電纜和電力電子設(shè)備）、低溫電機(jī)控制器、超導(dǎo)電機(jī)、冷卻系統(tǒng)?？湛凸疽呀?jīng)啟動(dòng)了ZEROe氫動(dòng)力飛行器項(xiàng)目，開展液氫在航空推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用。ASCEND項(xiàng)目可與之結(jié)合，利用機(jī)載液氫作為冷卻系統(tǒng)的冷源。heavy fuel engine
圖 4 ASCEND系統(tǒng)示意圖
2021年7月舉行的莫斯科航展上，采用超導(dǎo)電機(jī)的雅克-40飛機(jī)進(jìn)行了演示飛行。該機(jī)的500千瓦高溫超導(dǎo)電機(jī)由俄羅斯前景研究基金會(huì)與SuperOx公司共同研發(fā)，項(xiàng)目于2016年12月啟動(dòng)；2020年7月進(jìn)行了世界上首次基于統(tǒng)一高溫超導(dǎo)平臺(tái)的航空綜合電力系統(tǒng)部件的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，平臺(tái)由電池、高溫超導(dǎo)電纜、高溫超導(dǎo)限流裝置和高溫超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)組成。2020年12月，SuperOx公司將超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)安裝在了作為試飛平臺(tái)的雅克-40飛機(jī)上，并進(jìn)行了螺旋槳試運(yùn)行。2021年2月開始進(jìn)行地面臺(tái)架測試，隨后進(jìn)行了地面滑行測試。
3.GE航空公司為“隼”10X公務(wù)機(jī)開發(fā)下一代配電系統(tǒng)
2021年7月，達(dá)索公司選擇了GE航空公司為其“隼”10X公務(wù)機(jī)項(xiàng)目提供主配電和二次配電系統(tǒng)。GE航空公司表示，“隼”10X的主配電和二次配電系統(tǒng)采用下一代設(shè)計(jì)方案，減少了設(shè)備，重量將比傳統(tǒng)架構(gòu)減少很多。這種配電系統(tǒng)通過一套構(gòu)型工具支持，為達(dá)索公司提供了高效配電能力，也為調(diào)整飛機(jī)客艙構(gòu)型帶來了靈活性。GE航空公司將利用位于英國切爾滕納姆的電源綜合中心（EPIC）先進(jìn)的建模、仿真和分析軟件工具來預(yù)測該系統(tǒng)及其組件的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)還將在“銅鳥”試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行全系統(tǒng)試驗(yàn)。
4.賽峰集團(tuán)和Pyroalliance公司共同開發(fā)高壓斷路器
2021年5月，賽峰集團(tuán)宣布與Pyroalliance公司合作，為未來電動(dòng)飛機(jī)上的大功率電網(wǎng)開發(fā)應(yīng)急電氣斷路解決方案。高壓斷路器解決方案適用于帶有電推進(jìn)系統(tǒng)的飛機(jī)，其電網(wǎng)的電壓范圍為800-1200伏。該解決方案具備“毫秒級(jí)”超快速使用特性，可在發(fā)生電力故障的情況下為機(jī)上電網(wǎng)提供保護(hù)。
5.先進(jìn)電機(jī)助力電動(dòng)飛機(jī)發(fā)展
2021年6月，美國MagniX公司發(fā)布了兩種電機(jī)Magni350和Magni650，功率分別為350千瓦和650千瓦，兩者采用相同的通用核心架構(gòu)，配備該公司MagniDrive-100逆變器與電機(jī)控制器，采用液冷，轉(zhuǎn)速可達(dá)2300轉(zhuǎn)/分，可在10600米高空環(huán)境運(yùn)行。
2021年10月，無人機(jī)愿景網(wǎng)站報(bào)道稱羅羅公司、Magnax公司等多家企業(yè)都在研究軸向磁通電機(jī)技術(shù)。由于轉(zhuǎn)矩重量比很高，軸向磁通電機(jī)被認(rèn)為是電動(dòng)航空的未來。Magnax公司宣稱，其軸向磁通電機(jī)的峰值與標(biāo)稱比功率分別為15千瓦/千克和7.5千瓦/千克。
圖 5 Magnax公司軸向磁通電機(jī)
6.新型航空電池提升能量密度
2021年3月，法國LiBAT實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出能使載人滑翔機(jī)平飛的交流電池組，目前已通過實(shí)驗(yàn)室測試。LiBAT研發(fā)團(tuán)隊(duì)利用多電平逆變技術(shù)，開發(fā)出結(jié)構(gòu)獨(dú)特、性能可調(diào)的交流電池系統(tǒng)；利用電子氟化液對(duì)電池和多電平逆變器進(jìn)行沉浸式熱管理，使得電池組重量較輕、尺寸較小，能量密度較高、輸出功率較大。
2021年4月，NASA開始實(shí)施“增強(qiáng)可充電性和安全性的固態(tài)架構(gòu)電池”（SABERS）項(xiàng)目，研究如何通過使用全新的材料和新穎的構(gòu)造方法來制造更安全的電池，目標(biāo)是制造一種比目前使用的鋰離子電池具有更高能量的、可用于電動(dòng)飛機(jī)的電池。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)對(duì)使用硫和硒元素的獨(dú)特組合來保持電荷的方法進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)固態(tài)硫硒電池具有諸多優(yōu)點(diǎn)。SABERS項(xiàng)目重點(diǎn)關(guān)注五個(gè)因素：安全性、能量密度、放電率、封裝設(shè)計(jì)和可擴(kuò)展性。
2021年4月，英國OxisEnergy公司推出用于電動(dòng)飛機(jī)的高性能固態(tài)鋰硫電池，性能較傳統(tǒng)鋰離子電池有顯著提升。OxisEnergy公司第一代準(zhǔn)固態(tài)鋰硫電池單體比能量450瓦時(shí)/千克，能量密度550瓦時(shí)/升。據(jù)公司初步推測，2023年秋，固態(tài)鋰硫電池相關(guān)性能指標(biāo)可提高到550瓦時(shí)/千克、700瓦時(shí)/升，2026年可提高到600瓦時(shí)/千克、900瓦時(shí)/升。
圖 6 OxisEnergy鋰硫電池原理示意圖
三、環(huán)控系統(tǒng)與防除冰技術(shù)推陳出新
1.泰萊達(dá)因控制公司新型環(huán)境傳感器獲FAA補(bǔ)充型號(hào)合格證
2021年3月，泰萊達(dá)因控制公司（Teledyne Controls）為波音737飛機(jī)開發(fā)的新型飛機(jī)客艙環(huán)境傳感器（ACES）獲得美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）補(bǔ)充型號(hào)合格證，成為同類產(chǎn)品中“首個(gè)獲得FAA認(rèn)證的產(chǎn)品”。ACES系統(tǒng)采用傳感器和飛機(jī)數(shù)據(jù)采集技術(shù)相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)客艙環(huán)境信息的采集，可記錄13個(gè)環(huán)境參數(shù)，包括0.3到10微米的空氣顆粒物、二氧化碳、一氧化碳、臭氧、揮發(fā)性有機(jī)化合物和其他一些參數(shù)。這些參數(shù)跟蹤可能在客艙中發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)，如液壓油、發(fā)動(dòng)機(jī)滑油、除冰液或燃油。
2.美國BREEZE公司推出創(chuàng)新型機(jī)載空氣凈化過濾器
2021年6月，美國BREEZE公司開發(fā)出一種新型空氣凈化過濾器，并在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件（模擬飛機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)條件）下完成原型產(chǎn)品演示。演示結(jié)果表明，這種新型過濾器可成功降低85%的揮發(fā)性有機(jī)化合物和80%的臭氧，同時(shí)具有去除生物污染物的特性。新型過濾器技術(shù)結(jié)合了吸附和光催化（PCO）。PCO過程可產(chǎn)生高活性物質(zhì)，如羥基自由基，在光催化劑暴露于具有足夠能量使其活化的光中時(shí)，能夠礦化有機(jī)物并破壞臭氧和生物污染物。
3.美國弗吉尼亞理工學(xué)院研究新型靜電除冰技術(shù)
2021年2月，美國弗吉尼亞理工學(xué)院研究人員在美國國家科學(xué)基金的資助下進(jìn)行了靜電除冰研究，有望利用冰霜的電荷分離效應(yīng)開發(fā)出一種顛覆式的除霜/除冰解決方案。研究團(tuán)隊(duì)在物體表面上人為生成了一層冰霜，然后通過濾紙?jiān)诒厦鎽腋×艘粚铀?，通過高速攝像機(jī)觀察發(fā)現(xiàn)，由于異向電荷相吸，冰霜帶負(fù)電的頂部受到水膜中正離子的吸引，產(chǎn)生的電場會(huì)使冰霜顆粒從物體表面脫落。研究者認(rèn)為，如果能夠放大這種靜電除冰效果，使整片冰或霜能即刻從其表面脫離，那將會(huì)改變飛機(jī)除冰行業(yè)的游戲規(guī)則。
四、自主飛行技術(shù)成為研發(fā)熱點(diǎn)
1.Xwing公司成功完成了無人機(jī)“門對(duì)門”自主飛行試驗(yàn)
2021年2月，Xwing公司對(duì)其改裝的塞斯納208B“大篷車”飛機(jī)進(jìn)行了完全自主的“門對(duì)門”飛行試驗(yàn)。試驗(yàn)在位于加利福尼亞康科德的布坎南機(jī)場進(jìn)行的，飛機(jī)由任務(wù)中心進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，并搭載了一名飛行員用于在緊急情況時(shí)操控飛機(jī)。飛機(jī)從機(jī)庫門滑向跑道、起飛、降落，然后完全自主地返回機(jī)庫門，過程中與空管員的所有交流都是由任務(wù)中心的地面監(jiān)控人員進(jìn)行的，地面監(jiān)控人員通過多冗余數(shù)據(jù)鏈來監(jiān)控飛行。
2.空客公司公布“頂點(diǎn)”直升機(jī)自主飛行系統(tǒng)研究項(xiàng)目
2021年4月，空客公司稱正在開展一個(gè)名為“頂點(diǎn)”（Vertex）的直升機(jī)全自主飛行能力研發(fā)項(xiàng)目，該項(xiàng)目使用的飛行試驗(yàn)平臺(tái)為一架改裝的H130直升機(jī)，飛行員可通過觸屏設(shè)置飛行目的地并在系統(tǒng)推薦方案中選擇合適的飛行路線。該技術(shù)還具備障礙物探測能力，可在低速、低空飛行時(shí)自動(dòng)探測并規(guī)避飛行路線上的障礙物。項(xiàng)目預(yù)計(jì)將于2023年開始飛行驗(yàn)證。
“頂點(diǎn)”系統(tǒng)的組成包括一套先進(jìn)傳感器、攝像機(jī)和激光雷達(dá)組成的探測系統(tǒng)，用于為飛行器提供其所處環(huán)境狀態(tài)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；使用2臺(tái)機(jī)載計(jì)算機(jī)，一臺(tái)用于視景系統(tǒng)，一臺(tái)用于航電系統(tǒng)，每臺(tái)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力都是當(dāng)前產(chǎn)品的500-800倍；2臺(tái)計(jì)算機(jī)將處理各種傳感器獲取的數(shù)據(jù)，并通過算法識(shí)別障礙物，構(gòu)建三維地圖，識(shí)別直升機(jī)停機(jī)坪，最后完成飛行規(guī)劃并對(duì)電傳飛控系統(tǒng)實(shí)施操縱。
圖 7 空客“頂點(diǎn)”系統(tǒng)示意圖
3.瑞士蘇黎世大學(xué)利用人工智能實(shí)現(xiàn)無人機(jī)在未知環(huán)境下的自主高速飛行
2021年10月，瑞士蘇黎世大學(xué)的研究人員稱開發(fā)了一種新方法，可以使四旋翼飛行器僅憑借使用機(jī)載傳感和計(jì)算設(shè)備，在沒有地圖的未知復(fù)雜環(huán)境中自主高速飛行。該研究團(tuán)隊(duì)在一架自主四旋翼飛行器應(yīng)用人工智能技術(shù)，使之可以在森林、建筑物、廢墟和火車等未提前準(zhǔn)備地圖的環(huán)境中以高達(dá)40千米/小時(shí)的速度飛行且不會(huì)撞到障礙物。無人機(jī)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是通過“觀察”一種“模擬專家”來學(xué)習(xí)飛行的。這種“模擬專家”是種算法，可隨時(shí)能獲取關(guān)于四旋翼飛行器狀態(tài)完整信息，依靠足夠的時(shí)間和計(jì)算能力找到最佳飛行路線。
4.天空居民公司完成飛機(jī)自主性與制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制飛行演示
2021年10月，太陽能飛機(jī)開發(fā)商天空居民航空公司（Sky Resident Aero）宣布，基于先前演示中收集和評(píng)估的數(shù)據(jù)，成功完成了飛機(jī)自主性與制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制系列飛行演示。該公司通過10次飛行測試了自主飛機(jī)控制和航路點(diǎn)導(dǎo)航功能，評(píng)估了所有自動(dòng)駕駛儀指令，驗(yàn)證了自主系統(tǒng)技術(shù)的初步能力以及不同高度的飛行品質(zhì)，并安裝和評(píng)估了新的通信鏈路和各種自動(dòng)起降傳感器，以確保飛機(jī)為下一次升級(jí)做好準(zhǔn)備。
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