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战场电气化——防务领YE3电机域的能量系统技术革命(2)

时间:2020-02-06 10:11

英国“暴风”未来战斗机要求具备定向能武器、先进传感器与数据系统等,对电力系统提出了更高的要求。

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英国苏帕凯特公司的全电驱动全地形车辆

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战场电气化的发展现状

1.航空装备电气化

美空军早在二战期间就提出了“基于电力的飞机”(Electrically-based Aircraft)概念,设想了未来电气化的飞机架构。随着电力电子等相关基础技术的发展,20世纪70至80年代洛克希德公司率先提出了全电飞机概念,随后相关主要航空制造商开展了多电化技术研究,有力推动了航空装备电气化进程。

在相关技术和行业发展的推动下,美空军于20世纪90年代初提出了多电飞机发展计划,1992年联合航空指挥官小组组织了来自50余家航空制造企业、研究机构、高校及来自多军种的专家,建立“电动飞机联合计划组”(MEAJPT),开展多电飞机基础技术研究、原理样机研制和系统就成试验等工作。相关成果已应用于美国多个航空装备型号,例如F-22飞机应用了固态配电技术,F-35飞机应用了固态配电、电静液作动、外装式起动/发电技术等。

为了进一步提高F-35效能、降低研发和工程研制阶段的技术和周期风险,美空军于1995年实施了“联合攻击机综合子系统演示验证”(J/IST)计划,涵盖了容错式高压直流发电/管理和配电系统(采用270伏高压直流电力体制、双通道开关磁组起动/发电机)、热/能量综合管理系统(辅助动力装置APU、应急动力装置EPU、起动/发电机、环控系统的综合)等多项电气化关键技术。

随后美空军实验室开展了为期10年的“飞行器能量综合技术”(INVENT)计划,自2008年招标启动至2018年初完成,美国主要航空主机制造商(波音、洛马、诺格)、发动机制造商(通用电气、普惠、罗罗北美)、机载系统制造商(汉胜、派克、穆格、霍尼韦尔)等均参与了INVENT计划。该计划关注3大子系统,包括鲁棒电源系统、自适应动力与热管理系统、高性能电作动系统,开展了模型开发、仿真分析、系统综合、地面演示验证等研究。

INVENT计划完成后,美空军进一步提出“下一代热、电力与控制”(NGT-PAC)计划,增进对未来机载电力系统的认识,从主机和发动机两个角度评估其技术可行性,并开展演示验证。该项目被列为“绝密”级别,项目周期7年,内容包括电力与热管理架构综合研究、电力系统研究等多个领域,涵盖鲁棒高效电源管理、先进电力控制与分配技术等技术内容。

在开展多电技术研究的同时,以NASA、美国防部国防预先研究计划局(DARPA)、美空军研究实验室为代表的研究机构和以空客、罗罗为代表的企业正在开展电推进技术研究。NASA开展了X-57全电推进演示验证计划,资助开发兆瓦级电机和电力电子设备研究,建设24兆瓦、4.5千伏电推进飞机试验台(NEAT)。空客在电动通用飞机研究基础上与罗罗公司合作开展E-Fan X支线级混合电推进演示验证计划,测试2.5兆瓦发电机、2兆瓦电机、3千伏高压电网等技术。NASA与波音在“航空推进系统研究与技术”(RTAPS)项目下,共同研究提出了N3-X未来干线分布式超导涡轮电推进飞机概念,由2台涡轴发动机输出轴功率、利用超导发电机为系统提供电能,驱动15台嵌入机身后部的超导电机产生推力,同时配电系统、电缆也将广泛采用高温超导技术,一方面保证极高的能量效率,另一方面可显著降低系统重量。在民用航空市场的巨大投资驱动下,相关关键技术能够得到快速发展,有望迅速应用于武器装备领域。

英国奎奈蒂克公司的轮内电动轮毂驱动技术

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2013年,DARPA启动了“垂直起降实验飞机”(VTOL X)计划,由极光飞行科学公司(Aurora Flight Sciences,现属波音)、罗罗公司和霍尼韦尔公司合作开发名为XV-24的分布式电推进倾转翼垂直起降飞机。XV-24具有24个电机驱动的变距涵道风扇,可实现垂直起降并转换为平飞巡航模态。但由于霍尼韦尔在1兆瓦发电机研发过程中遇到了热管理困难、同时DARPA没有找到合适的军方合作项目,因而DARPA于2018年年初取消了该计划。


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