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客机也要上混合动力:NASA推出下一代客机设计,有望省油10%

分类:公司新闻 作者: 来源: 发布:2019-10-08 10:13
  

NASA可以说是美国的航空技术研发的先驱,比起洛克希德·马丁,诺斯罗普·格鲁曼和波音这些航空工业巨头,NASA显得更加的“学院派”,非常重视航空航天的基础研究。近两年,NASA开始了下一代客机的基础研究,提出了采用清洁能源的概念的客机模型。该项目属于美国宇航局先进航空运输技术项目(AATT)的一部分,旨在探索和开发适用于亚洲必赢飞机和推进系统的改变游戏规则的技术和概念,而这些技术和概念可以显着提高燃料的效率并减少氮氧化物对大气造成的污染。

STARC-ABL

该飞机被称为STARC-ABL。这种概念客机可以使飞机尾流阻力更小,更加省油,实现节能减排的目的,而且有望减小现有大型客机对涡扇发动机的推力需求。这主要是靠一个放置在客机尾部一个大型的风扇来实现的。该风扇由电力驱动,在风扇外面罩上一个外壳,形成外涵道。这个电力驱动的涵道风扇也被称为边界层吸收装置(Boundry Layer Ingesting,简称BLI)。它有两个作用,风扇在电力驱动下高速转动,本身会产生向前的推力;其次,这种风扇可以将流经机身和发动机的边界层抽取、加速后向后排出,改变尾部的气流场,将低压的湍流和涡旋吹走,从而减少尾流阻力。下面我们看看BLI是如何减少阻力的。

NASA的STARC ABL概念机,尾部有一个大大的电涵道风扇

STARC ABL的涡扇发动机和尾部电涵道风扇尺寸对比

边界层(Boundry Layer),是附在机身表面的一个薄层,也叫附面层。空气由于存在一定粘度的关系,在机身表面的空气速度几乎为0;在机身表面法向方向上,附面层的速度变化相当大,也就是说有速度很高的梯度。附面层流过机身后,会在飞机尾部发生分离,从而产生相当多的涡旋、湍流,导致机身尾部形成一个低压区,而这个低压区就和机身头部的空气形成了一个压差,表现为向后的一个阻力,这个阻力也叫压差阻力或者尾流阻力。压差阻力是一个很普遍的现象,在汽车上也非常常见,这也是为什么一些豪华跑车会配置一些空气动力学套件的原因。

附面层分离,圈圈状的就是附面层分离后产生的涡旋和湍流

汽车在高速行驶时主要的阻力都是压差阻力

流经飞机发动机的空气,红色为低速的边界层

飞机的压差阻力示意图

既然速度相对较慢的汽车都是如此,飞机的压差阻力自然也就更大了。而现在在飞机尾部增加的这个电力涵道风扇,起到的作用恰恰是将飞机的附面层加速,阻止附面层形成涡旋和湍流。这样,尾部的低压区也就不存在了,飞机的压差阻力将大大减小。

附面层(红色)被风扇加速后,变为高速流动的空气(绿色),不会在尾部形成低压区

其实这个方案早就得到了实际应用,只是最早是用在了炮弹上,而不是飞行器上。弹道学专家为了给炮弹减阻增程,在炮弹的尾部增加了一个火箭发动机,在炮弹出膛后火箭发动机工作,排出少量燃气,使得尾部获得了额外能量而改变了流场,从而减少了压差阻力。底排弹比起普通弹,可增程30%,效果非常明显。

底排弹弹结构,在炮弹尾部有一个火箭发动机

那么NASA的这个设计,到底获得了多大收益呢?首先我们要知道,即便是电动风扇,它的电源也是通过飞机发动机发电而得来的,飞机发动发电的过程中本身也是要消耗一定燃料的。但由于BLI减阻收益非常大,使得综合下来还是可以减少很多的燃料消耗。经过实验表明,比起常规的大飞机,STARC-ABL飞机可以节省10%的燃料消耗,这可是一项非常重大的革命性成果。

NASA实验的结果,使用BLI+涡扇发动机可以减少10%燃料消耗

尾部的BLI能源来自于两台涡扇发动机的发电

还有一个更大的收益是,飞机对涡扇发动机的最大推力需求也降低了。STARC-ABL在起飞阶段只需发动机达到最大推力的80%,而在巡航时只需要55%,而其他的推力全部由电涵道风扇提供。这意味着飞机可以选用涵道比更小的涡扇发动机,不仅减少了制造成本,而且涵道更小的发动机迎风面也更小,进一步降低飞机的阻力。在NASA的NEAT测试(NASA Electric Aircraft Testbed)中,这个方案也成功实现了在5秒内达到95%的能量输出,以满足紧急起飞情况的需求;此外在现有飞机的飞行包线中,这种混合动力的方案并未出现意外的失速,证明了这个系统的鲁棒性。

采用BLI电涵道风扇方案后,涡扇发动机可以选用更小的(由透明绿色的尺寸变为蓝色的尺寸)

电池功能的混合动力

如果说STARC ABL比较像丰田的增程式混合动力,那么NASA的另一种方案,则更像比亚迪的插电式的混合动力,这种方案是直接在飞机内部增加一套动力系统,使用电池驱动电机,电机与涡扇发动机将动力输出到同一个轴上,从而节省了涡扇发动机燃烧室的燃料消耗。由于电力本身来自于电池的充电,不需要涡扇发动机进行发电,所以可以实现更高的燃料节约。

混合推进方案采用电-燃复合联合推进

混合推进方案的发动机结构

看下图可知,涡桨发动机和涡扇发动机的实际效率只有39%和33%,而电池和氢燃料电池驱动电动机的方案,效率则可以达到73%和44%。不过由于实际可行性的关系,这种方案比较适用于小型飞机,而大型飞机则更适合使用STARC ABL这种方案。

涡桨、涡扇发动机和纯电方案的效率对比

NASA在新能源飞机上已经形成了混合动力和涡扇发电两大技术路线,覆盖所有功率级别的飞机

NASA的愿景是,在2035年前,实现30MW功率级的混合动力飞机的研制。这种方案如果能够实用化成功,无疑将对民用航空工业产生一次巨大的产业冲击。



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