混合动力电动和燃油飞机如何使绿色航空旅行地平线:《欧盟研究与创新》杂志


航空业为欧洲经济做出了巨大贡献,每年创造超过5000亿欧元的收入,并提供930万个就业机会。 但这也有对环境的影响,需要解决。 飞行占全球温室气体排放量的2%以上,在欧洲约占3%。 为了实现欧盟到2050年实现净零温室气体排放的目标,需要更可持续的飞机。

随着该行业受到大流行的严重打击,导致空中交通流量下降,使航空旅行可持续成为欧洲复苏的关键。

开发混合动力飞机可能是解决方案的一部分。 与混合动力汽车类似,该技术结合了两种动力来源,通常是燃料和电池或氢燃料电池。

法国图卢兹大学LAPLACE实验室资深科学家兼副主任Xavier Roboam博士说:“通过混合来源,您可以减少飞机的燃油消耗,从而减少对环境的影响。” “这是最后一步之前的第一步,可能是零排放全电动飞机。”

能量密度或您每千克获得的能量数量仍然是电动飞机的限制因素。 为电动机提供动力所需的电池仍然太重,无法单独使用可行的替代品,在这种情况下,电池通常比可提供相同能量的煤油喷射燃料重约30倍。 小型电动飞机已经成功进行了短时间的试飞,到明年年底,世界上最大的电动飞机可能会开始载运多达9名乘客的长达160公里的商业航班。 但是,像今天的常规飞机那样,电池将使一架载满人的大型飞机行驶数千公里,这会使飞机太重而无法起飞。

“(混合动力飞机是)最后一步之前的第一步,它可能是零排放的全电动飞机。”

法国CNRS的Xavier Roboam博士

重量

混合动力飞机目前更具前景,因为使用一些燃料有助于解决重量问题。 Roboam博士及其同事正在研究如何通过HASTECS项目进一步减轻飞机的重量。

他们专注于主要组件,例如在两个电源和电动机之间转换功率的系统。 他们正在创建正在通过计算机仿真进行测试的新设计。 Roboam博士说:“我们正在努力使您能够提供的功率与传递该功率所需的重量之间的比率最大化。”

该项目针对特定目标。 我们的目标是设计一种电动马达,该电动马达将使当今使用的电动马达(如特斯拉电动汽车)的功率重量比增加一倍,到2035年达到每千克10千瓦。他们还希望提高功率输出。同期功率转换器的重量比为25千瓦/千克。 达到这两个目标将使混合动力飞机比预计的2025年减轻约1600公斤的重量,并节省多达10%的燃料。

经过大约四年的工作,该团队已经实现了电动机的目标。 他们能够通过使用电磁材料来优化其结构,例如使用称为Litz线的特殊线有助于提高其性能。 减小尺寸后,电动机的热量会增加,因此,团队成员还想出了一种使用内部冷却系统对电动机进行冷却的更有效方法。

对于功率转换系统,通过修改其结构和改进冷却系统可以超越其目标。 Roboam博士说:“我们超出了对该项目非常成功的目标。”

明年该项目完成后,Roboam博士和他的同事希望通过进行实验来验证HASTECS期间产生的仿真结果。 但是他们将需要找到一个可以提供高功率来测试其设计的实验设备。 Roboam博士说:“进行这样的验证非常复杂,而且也很昂贵,因为它是(要求)一兆瓦功率的高功率应用。”

Roboam博士认为,在五到15年的时间里,使用其概念的混合动力飞机可以飞上蓝天。 9月21日,空中客车公司宣布了全球首架以氢为动力的零排放飞机的计划。 由于HASTECS生产的混合动力飞机设计使用氢燃料电池,因此Roboam博士受到鼓舞。 他说,对我们来说,这是一个很好的消息。 “ HASTECS是实现这一目标的第一步。”

德国斯图加特大学飞机设计系主任Andreas Strohmayer教授和他的同事们也在努力使混合动力飞行成为现实。 他们正在努力加速具有50个座位的混合动力飞机的开发,该飞机将从2035年开始提供商业飞行,这是FutPrInt50项目的一部分。 Strohmayer教授说:“从40到50个座位的范围是第一个对运输能力产生影响的商业工具。” “从那里走的越大,您遇到的问题就越多,因此我相信应该采取进一步的方法。”

该项目的目标之一是设计这种飞机。 自从一月份项目开始以来,团队一直在分析所需的需求。 他们一直试图找出例如低排放,范围和速度对其设计的相对重要性,并在寻找动力总成等组件的不同选择,例如由电动机和相关部件组成的动力总成以及能量存储使用现有技术。 他们还在研究热管理解决方案。 Strohmayer教授说:“我们正在研究我们的参考飞机,以便我们可以将我们的设计与相同尺寸的常规飞机进行一对一的比较。”

FutPrInt50项目正在探索混合飞机设计的不同概念。 图片来源-斯图加特大学

该团队还将专注于开发收集能量的方法,这些方法还有助于减少混合动力飞机的电池和燃料重量。 例如,在下降期间,当飞机不需要动力时,螺旋桨可以从气流中产生能量。 Strohmayer教授说,在当今的电动汽车中,制动可以发电。 飞机同样如此,我们可以回收能量。”

到2022年项目结束时,团队将为所需的所有不同组件制定技术路线图,并为认证所需满足的标准制定路线图。 它将伴随着混合动力飞机设计,该设计可以移交给飞机制造商以使其实用。 斯特罗迈耶教授说:“我的愿景是,从20年以后,我的孙子孙女就可以和我一起坐在其中一架飞机上。” “我想看看这个建筑。”

本文中的研究由欧盟资助。 如果您喜欢这篇文章,请考虑在社交媒体上分享。



This article – “混合动力电动和燃油飞机如何使绿色航空旅行地平线:《欧盟研究与创新》杂志
” – was originally published in Horizon, the EU Research & Innovation magazine

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