淺談下一代商用航發的發展方向之三——油電混動

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面對越來越嚴苛環保標準，汽車行業在幾十年前就開始進行混動技術的嘗試，到如今已經有了很深的技術積累，在減排方面卓有成效。

但是至今為止由於種種技術和經濟性限制，在商用航空市場還沒有混動飛機的身影，甚至沒有具體的技術研發項目。

直到挪威政府在最近提出將於2040年短途航空全部由混動飛機來執飛，再次表現出北歐國家在環保領域的巨大野心。挪威國營航空公司Avinor表示非常支持，承諾將要多採購混動甚至電動飛機來鼓勵飛機製造商。

混動飛機在機場滑行和低空飛行時由純電驅動，消除了在地面和低空的排放，而且這部分排放對人和環境影響最大。其也並不是一個全新的概念。

動力架構

現代超大涵道比商用渦扇發動機製造的推力，90%以上推力都是由外涵道風扇製造的。更像是一台燃氣輪機驅動同軸的推力風扇。內涵道製造的推力已經沒那麼重要了。而電動推力風扇則是完全省去了內涵道，由電動機來驅動推力風扇，就空氣動力學來說，並不是全新的。

擴展閱讀：淺談新一代窄體客機動力明星，PW1000G與Leap

混動飛機的動力架構甚至比混動汽車要更簡單，飛機由電動風扇驅動，風扇的電能來自電池和增程燃氣輪機（渦軸發動機）。

如果沒有增程需求，甚至連燃氣輪機都省了，就成了純電動飛機。

不同於豐田普銳斯，它們都需要在地面上充電，也就是「插電混動」。

優點

由於飛機對動力的巨大需求和渦輪發動機的結構，不能像汽車發動機一樣安裝三元催化器降低氮氧 化合物排放。GE公司在GEnX、Leap等最新商用發動機項目中大幅提高發動機效率降低排放，其核心在於其先進的燃燒室技術，而其中最重要的又是其3D列印的噴油嘴。

儘管GE已經極大幅度優化了燃燒室，降低了巨量的排放，但這幾乎都是在巡航狀態中。

在地面滑行和低空飛行時，氮氧化合物排放幾乎沒有變化，還是非常高。而恰恰是這部分的排放對人類和環境影響最大。

混動飛機在這部分飛機狀態下都由電池驅動，不產生任何排放。在高空巡航時才開啟增程燃氣輪機。

此外由內涵道和APU產生的噪音也全部被避免。

限制與缺點

其最大的限制就是電池，首先是輸出功率。

一台起飛重量16噸的DHC-8-100/200，裝備兩台普惠PW120系列發動機輸出總功率大約3MW。而輸出3MW的電池需要極強的散熱系統，並且其極大降低了安全性，對載人商用飛行很不適合。

而A320級別的幹線窄體客機如果用電驅動起飛，則功率需求超過50MW。

但是最大的限制是電池能量密度，鋰離子電池最高每公斤0.65MJ，而航空煤油Jet-A則有超過40MJ/KG的能量密度。飛行對重量非常敏感，如此巨大倍數的能量密度差距，再加上電力系統需要額外的導線和控制系統，再加其各有冗餘，畢竟常溫超導還不存在。會極大降低飛機的效率，限制航程。

商用航空適航要求飛機要留有30分鐘的燃油冗餘，而一些全電的通用航空甚至只有30分鐘的總留空時間。

技術現狀

NASA成立了項目NASA Electrified Aircraft Technology (NEAT），在地面建造全套的混動飛機動力架構來測試。

以及電動推力風扇的研發和風洞測試。

NASA也提出了一個較為保守的方案，一台渦扇在機尾，製造推力的同時輸出電力給翼吊布局的兩台電推風扇提供動力。這個方案同時整合了渦扇發動機附面層吸入技術，發動機吸入整個機身造成的低速附面層，這可以提高發動機外效率。

這個提高效率的原理我在這裡介紹過：淺談下一代商用航發的發展方向之一——開式轉子（Open Rotor）

西門子在航空用大功率密度電機已經有了一定的技術積累，和空客與羅羅組成合資公司。對一台BAE146支線飛機進行改造，將其一台渦扇發動機換為2MW功率的電動風扇。並在機身內部加裝一台燃氣輪機。

另一航空巨頭波音當然不能袖手旁觀，與捷藍航空在西雅圖成立公司Zunum致力於開發混動飛機。

雖然挪威想要在2040年實現目標，但是一台傳統布局傳統動力的商用飛機的立項到投入商用需要經過大約6到7年的時間。況且這套全新的動力架構需要全新的結構，又由於是商用飛機涉及適航證。

這目標實際不是很容易實現，況且現在最核心的部分：電池、輸電系統在可預見的未來內還沒有巨大突破。

雖然困難重重，但是面對越來越嚴苛的環境問題和越來越高的航空旅行需求，工程師總是需要somehow找到可行路線。

雖然現在看來非常不切實際，可是技術就是這麼一點一點實現的啊。