什么是多电飞机？ 我们为什么研究多电飞机

　　在竞争激烈的航空市场中，航空公司希望降低每座/公里的成本以提升航空公司的利润空间。同时，随着环境污染问题的严重，对飞机排放提出了更高的要求。由此，对飞机制造商提出了新的要求：更低的直接运营成本，更加绿色环保。

　　为了实现燃油消耗和维护成本降低，需从飞机的总体考虑来优化各子系统的性能，多电技术正是从这一角度出发，为优化整个飞机能源系统方案而提出的。

　　什么是多电飞机

　　多电/全电飞机就是以电力作为飞机的主要二次能源，逐渐或全部取代传统飞机系统中的液压能和气能，提高能量的综合利用效率，有效减少飞机的排放量，降低其对环境的影响。电能相较于液压能和气能，更容易实现能量传输与管理的自动化、智能化和集中化，更容易实现飞机二次能源架构的优化。飞机二次能源的优化直接降低了对发动机的功率提取，进而有效减少飞机的燃油消耗。由此可知，多电/全电飞机是未来环保型飞机的必然选择。

中国商飞北研中心多电综合研究部团队研究梳理多电技术各系统概念

　　其中，电启动技术、电环控系统、电热防除冰技术、电作动技术是多电技术中的重要技术组成。

　　由于取消了辅助动力装置（APU）引气，取消了APU到主发电机的引气管路，可以采用变频起动/发电机，将起动、发电功能集成为一体，减轻了系统的重量，提高了能源利用效率。在发动机关机时，APU或外界电源通过起动/发电机控制器驱动起动/发电机（工作于起动模式），为发动机提供起动所需的机械转矩。当发动机点火后，发动机通过机械转轴带动起动/发电机转动，当起动/发电机转速达到一定值时，起动/发电机从起动模式转变为发电模式，变成发电机向全机用电负载提供电能。

　　在飞机多电化的过程中，使用电动气源取代了从发动机中高压引气的传统气源，提高了发动机推力利用效率。采用电动机驱动空气压缩机进行引气，称之为电环控系统。由于该系统中取消了发动机引气及其相关部件，使得系统布置具有更大的灵活性和更强的适应能力，同时降低了对发动机热力循环的影响，减少了燃油代偿损失，提高了燃油的消耗效率。

　　在传统飞机能源架构下，环控系统和防/除冰系统均从发动机引气获取能量。由于取消了发动机引气也使防/除冰系统无法获得需要的高温高压气体，因此传统的热引气防冰系统被电热防/除冰系统替代。电热防/除冰系统只需在机翼前缘敷设电热膜，结构简单，维护方便，控制容易，可根据机翼结冰情况控制发热量，能量利用效率高。

　　电作动技术是采用功率电传作动技术替代传统的液压伺服作动技术，如电静液作动器（EHA）、电备份液压作动器（EBHA）和机电作动器（EMA）。与液压作动相比，电作动技术具有以下优势：功率传输方便、重量大大减轻、安全可靠无污染、易于进行故障诊断和健康管理、系统余度增加、可维护性高等。

　　为什么要研究多电飞机

　　随着我国经济的快速发展，人民生活水平不断提高，对航空运输业的市场需求越来越大。据统计，2014年我国出境游达到1.14亿人次，增长速度达20%。航空运输业的快速发展对环境造成了巨大压力，其高空排放物如氮氧化物等对高空环境特别是臭氧层的破坏非常严重。根据国际气候变化组织的统计数据，截止到2011年，航空运输业的碳排放达到了全球碳排放量的2%，而且按照目前的增长速度到2050年时要增长到3%。

　　为了应对这一问题，国际民用航空协会ICAO提出到2050年时，要实现单机碳排放量相比于2005年降低50%。为了实现这一目标，需要对民用飞机从发动机到机载系统进行重大技术革新。其中一项重大技术革新就是多电/全电飞机。

　　多电技术是当前飞机发展的主要方向之一，是实现飞机更高安全性、经济性、环保性的重要手段。在传统飞机的二级能源系统中，有超过70%的能量通过气能和液压能的形式进行传递，能量在传递过程中损耗很大，利用效率低，且输气管路和液压管路在机内的布置也极大地增加了机体结构设计的难度和复杂度。针对这些问题而提出的功率线传（Power by Wire，PBW），即把所需能量通过电缆进行传输，这是多电飞机的核心思想之一。

　　PBW不但可以大大降低能量在传输过程中的损耗，而且可以做到能量按需供应和能量的综合管理，大大提高能量的综合利用效率。而且柔性电缆在机内的布置相较于输气管路和液压管路来说要方便和容易的多，会给结构设计带来诸多便利。

　　多电技术是通过对能源系统集成化设计思想实现的对飞机能源的优化，采用了先进的能量管理理念，使用电能逐步替代传统的液压能、气压能和机械能，使能量的产生、分配和消耗效率更高，节省飞机直接运营成本，提高了系统的维护性。

波音787飞机（上图）空客A380飞机（下图）

　　波音787飞机采用了大容量起动发电系统、电动环控、电热除冰和电作动技术。同时采用了分布式固态配电技术，使配电网更加智能化。

　　空客A380飞机在电气系统采用了固态配电技术，在电作动上采用EBHA技术。北研供图

　　欧美多电技术研究各有侧重

　　欧洲侧重多电技术系统性研究

　　欧洲从20世纪90年代起，开展了多电技术的研究工作，主要涉及飞机能源优化、发配电技术、电环控和电作动等技术领域。

　　1996年，欧洲针对民用飞机开展了完全集成多电系统（Totally Integrated More Electric System，TIMES）的研究，主要目的是把先进的系统用到多电飞机上去。2000年，开展了MESA项目，通过研究磁伸缩和发电机驱动机，来减少电能使用，实现飞机整理重量的降低。

　　21世纪以来，欧洲针对多电技术开展了一系列研究计划。2002年，欧洲开展了功率优化飞机（POA）项目，主要通过优化飞机上的电能管理，减少飞机和燃料的消耗，减少维护成本。

　　2006年，欧洲开展了更开放的电气技术项目，其目的是在POA计划的基础上，通过优化进一步降低燃油消耗和维护成本。2008年，欧洲又开展了洁净天空（Clean sky）计划，通过飞机级架构和任务的优化，降低飞机的污染排放。

　　目前欧洲正在开展洁净天空2（Clean Sky 2）计划，Clean Sky 2计划，是欧盟第7框架计划的研发项目，研发资金约40亿欧元，由欧盟出资约18亿欧元、工业合作公司出资约22亿欧元，主要由空客、阿莱尼亚宇航公司、赛峰集团、达索、罗罗和泰雷兹等航空公司参与。

　　欧洲多电技术发展路线可概括为三个阶段。第一阶段，主要开展多电关键技术研究和关键部件开发。第二阶段，主要在多电系统层级对技术进行确认、集成和性能评估。第三阶段，主要在飞机层级对多电技术进行确认和集成验证。

图：空客A380飞机

　　欧洲在多电技术研究方面系统性较强，但在多电技术应用上相对保守。空客A380飞机电气系统采用了固态配电技术、电作动上采用EBHA技术，其他多电技术并没有实际应用。

　　美国侧重多电技术的应用

　　与欧洲相比，美国在多电技术研究方面起步较早。从20世纪80年代起，开展了多电技术研究和应用项，主要涉及到发电、配电、电力管理、电防冰、电刹车、电力作动和发动机等多个领域。80年代初期，美国开始了多电飞机电气系统多通道配电技术的研究。

　　波音公司开展了先进电源系统和控制方案的研究。80年代中期，美国对容错电气系统进行了研究，这些成果在波音B777的电气系统上得到了应用，实现了发电和配电系统的数字控制。到80年代末，波音和洛克希德公司开展了集成数字/电动飞机（Integrated Digital/Electric Aircraft，IDEA）的研究工作。

　　20世纪80年代中期，美国空军组织开展了对多电飞机技术的研究，主要从航空电力系统的概念出发，目的在于优化整个飞机的设计。

　　美国空军于1995年开始实施子系统综合技术演示验证计划，为了更好地解决F-35的热管理问题。美国空军研究实验室（AFRL）为解决下一代战斗机面临的严峻的能量和热管理问题，于2007年启动了综合飞行器能量技术（Integrated Vehicle energy Technology，INVENT）计划。

图：波音B777

　　目前美国在研的多电INVENT计划，提出了能量优化飞机（EOA）的概念。主要涉及综合飞行器能量技术、小型/微型无人机系统的功率和热管理技术、综合推进、功率和热管理系统技术以及直升机平台多电/混合动力平台适应性技术，分为三个阶段。

　　2007年至2010年为第一阶段。研发近期技术，其目标是将亚音速攻击以及持续的情报、监视与侦察所需的油耗降低10%，将地面维持时间提高1倍，低空飞行时间提高至原来的4倍，将动力与热管理任务能力提高15%-20%。

　　2010年至2016年为第二阶段。研发中期技术，其目标是通过系统综合将航程/续航时间提高50%，功率和制冷容量提高5倍，按需供给，无热约束等。第二阶段工作于2010年启动，其主旨是面向第6代能量优化飞机的综合飞行器能量技术开发，目前各项研究正在进行。第二阶段工作将分三步完成。第一步考虑子系统与飞行器需求的综合并进行概念设计开发；第二步考虑开发通用子系统、飞行器系统和发动机系统，用于综合地面演示；第三步关注硬件的综合地面演示并验证模型和演示对全机的效益。

　　2016年至2020年为第三阶段。研发远期技术，主要面向高超声速平台、超声速远程攻击系统等。研究高马赫数下的动力与热管理，将功率与制冷容量提高10倍以用于高负载循环定向能武器，以及长时间情报、监视与侦察任务。

　　INVENT提出了一种动态能量需求分析的设计方法。目前，飞机系统都是按照峰值功率进行设计，这导致在功率需求低的时候效率极其低下。解决这个问题的方法就是按照整个飞行包线中的平均功率和热载荷进行设计，以避免将发电机设计得过于庞大。为了满足峰值功率需求，可以采用能量存储技术。

　　美国在多电技术预先研究方面主要侧重于多电发动机、电气系统和飞机综合热管理等领域。在多电技术应用方面超前于欧洲，波音B787上采用了大容量起动发电系统，采用了分布式固态配电技术，使配电网的更加智能化。此外波音787飞机还采用了电动环控、电热除冰和电作动技术。