2024 年度分布式电力推进（DEP）系统发展探究

分布式电力推进 （DEP） 的发明是为了尝试和改进现代飞机：我们如何提高飞机的效率？提高它的机动性？缩短它的起飞和着陆距离？

DEP 概念有望在提高性能的同时减少燃料消耗，在我们孜孜不倦地努力使航空业更具可持续性的时代，这是一个有吸引力的前景。

在本文中，我们将介绍 DEP 的工作原理、优缺点以及值得关注的 DEP 飞机。此外，我们还提供用于测试 DEP 系统的解决方案。所有内容都包括在下面。

目录

1. 什么是分布式电力推进 （DEP）
2. 分布式电力推进的工作原理
3. 分布式电力推进有哪些好处
4. 分布式电力推进面临的挑战
5. 著名的分布式电力推进飞机
6. 如何测试分布式电力推进系统

1. 什么是分布式电力推进 （DEP）

分布式电力推进 （DEP） 描述了一种推进系统，其中推力产生分布在 3 个或更多电动推进器上。在许多 DEP 概念中，电推进器（风扇或螺旋桨）沿空气动力学表面（例如飞机的机翼）平行分布。

DEP 系统可以是全电动的，其中电动机由电池供电，也可以是混合动力的，其中电动机由涡轮发电机提供动力。

许多著名的组织都在开发 DEP 概念，包括像 NASA 这样的巨头，他们正在积极测试不同的 DEP 设计 。除了需要存在多个电力推进器外，目前还没有普遍接受的 DEP 定义。
图 1：飞行中的 Lilium Jet（来源：New Atlas)

2. 分布式电力推进是如何工作的

分布式电力推进是一个不断发展的概念，没有两架 DEP 飞机是相同的。也就是说，大多数 DEP 飞机往往属于以下两大类之一：a） 全电动 DEP 飞机，以及 b） 混合动力涡轮电动 DEP 飞机。

1）全电动 DEP 飞机：

在全电动 DEP 飞机中，高密度机载电池充当主电源。电池驱动多个电动机，每个电动机都单独连接到推进器（风扇或螺旋桨）。推进器产生飞机飞行所需的推力。
图 2：全电动 DEP 飞机的布局

全电动 DEP 飞机的例子包括 Lilium Jet、NASA 重新设计的 X-57 Maxwell 和空客 Vahana。

2）混合动力涡轮电动 DEP 飞机

在混合动力涡轮电动 DEP 飞机中，动力源是连接到发电机的燃气涡轮发动机，该发电机将涡轮机的机械能转换为电能。该电力传输到分布式电动机，这些电动机反过来旋转推进器，产生所需的推力。
图 3：混合动力涡轮电动 DEP 飞机的布局

混合动力涡轮电动 DEP 飞机的例子包括 Aurora XV-24A LightningStrike VTOL Demonstrator、Electra Model EL-2 "Goldfinch" 和空客 EcoPulse。

在 DEP 飞机中，这些组件的放置经过仔细考虑，因为动力源、推进器和空气动力学表面都协同工作以实现最佳性能。在接下来的部分中，我们将更详细地讨论这些组件，以及它们提供的优势和挑战。

3. 分布式电力推进的好处

分布式电力推进系统有几个潜在的好处：空气推进耦合器将推进器集成到飞机的产生升力表面（例如机翼的前缘）中，会产生空气推进耦合效应，这可以描述为空气动力和推进力之间的协同相互作用。这以几种不同的方式形成。

边界层吸入 （BLI） 就是这个概念的一个例子，其中推进器从边界层沿飞机表面吸入移动较慢的空气。加速这种空气所需的能量更少，它可以减少沿该表面产生的总阻力，因此燃油效率可以提高高达 8.5% 。

由欧洲宇航防务集团（空客、Astrium、Cassidian 和 Eurocopterby）与劳斯莱斯合作设计的 E-Thrust 概念旨在通过位于机翼后缘的推进器吸入边界层空气。

需要注意的是，边界层空气比自由流空气的扭曲要严重得多，因此需要更坚固的螺旋桨或风扇来处理它。
图 4：利用边界层摄取的空客 E-Thrust DEP 概念（来源：EADS)

BLI 也是尾流填充的一种形式，这是一个更广泛的术语，指的是旨在减少飞机尾流引起的阻力的策略，即飞机后面的扰动空气区域。在 DEP 飞机中，推进器的战略布局有助于尾流填充。例如，可以将推进器放置在飞机后部附近，以便在气流沿着机身通过时为气流重新供电。

风尖涡旋的重定向是另一个已经研究的气动推进耦合概念 。该系统利用安装在翼尖上的推进器单元，在那里它们改变漩涡的方向，以增强推进力并减少阻力。

推进控制飞机 （PCA）

推进控制飞机 （PCA） 是一种飞机，其运动（俯仰、滚动和偏航）由推进器的调整控制，而不是传统的控制面。与使用推力矢量的喷气式飞机和火箭不同，PCA 通常只依赖于对推力输出水平的调整，而不是对推力排气系统实际形状的改变。

DEP 动力飞机是推进控制机动的主要竞争者，因为每个推进器的推力都可以独立调节。这可能会导致燃油效率的提高，因为每个推进器的推力都可以进行微调以满足飞机的动力需求。

在大多数推进控制飞机中，推进动力机动通常是与传统控制面共存的冗余。然而，DEP 飞机可能提供第一个例子，但情况并非如此，它允许减小传统控制面的尺寸和飞机的整体重量。

一个例子是由伊利诺伊大学航空航天工程系开发的 Cirrus SR22T 的 21% 子尺度模型，该模型经过修改，通过 8 个管道风扇进行基于推进的控制 。
图 5：伊利诺伊大学的分布式电力推进控制 Cirrus SR22T 遥控飞机

涵道比

在飞机推进中，高涵道比是可取的，因为它们提供更高的推进效率和更低的噪音。在标准燃气涡轮发动机中，涵道比是衡量旁通流中空气质量相对于进入发动机核心的空气质量的量度。

在讨论某些类型的 DEP 系统时，我们还可以考虑"有效涵道比"，它是进入涡轮机和推进器的空气质量相对于进入涡轮发动机核心的空气质量的量度。这一原理存在于 NASA 的 N3-X 涡轮电动分布式推进 （TeDP） 飞机概念中 ，其中安装在翼尖上的涡轮发电机与安装在飞机机身上的风扇相连（图 6）。该概念的有效涵道比在 29-36：1 范围内 ，估计可减少 70% 的燃料消耗 。

作为参考，普惠的PW1000G涡轮齿轮发动机是市场上最安静、最高效的涡轮风扇发动机之一，其涵道比为15：1。
图 6：NASA 的 N3X 涡轮电力分布式推进 （TeDP） 概念

上述改进的实际好处包括：

降低运营成本

有两个主要因素有助于降低运营成本：

• 降低燃料成本：前几段中描述的推进和空气动力学优势有助于提高整体系统效率，从而减少燃料消耗和排放。
• 降低制造和维修成本：制造几个较小的组件，例如小型电动机和螺旋桨，可能比制造产生相同功率和推力的较少大型单元的成本更低。同样，当这些组件出现故障时，更换它们的成本也更低。

降低噪音

一般来说，电力推进系统产生的噪音比同等的燃气动力系统要小，多项研究已经证明。滑铁卢大学进行的一项此类研究指出，与传统的汽油动力教练机相比，由电动机驱动的教练机的噪音降低了 30 dB 。

再加上系统的高涵道比提供的降噪效果，以 DEP 为动力的飞机产生的噪音应该比具有类似性能的其他风格的飞机要小得多。

增强的起飞和着陆性能

上述气动推进耦合效应可以产生吹升力效应，从而产生相对较高的有效升力系数，尤其是在低速时。这种在低速时增加的升力可以显著缩短飞机的起降距离，提供相当于短距离起降 （STOL） 的性能 。

作为额外的好处，低速机动性也得到了提高。

提高冗余和安全性

DEP 系统在多个层面上整合了冗余，从而提高了飞机的整体安全性。如前所述，DEP 推进器可用于操纵飞机，提供一层冗余，如果飞机的任何控制面损坏，该冗余层可能会很有用。

此外，大量的推进器意味着没有单个单元在保持飞机在空中发挥单一作用。在具有 8 个或 16 个推进器的系统中，失去一个甚至几个推进器的动力并不是关键任务。
图 7：Aurora Flight Sciences XV-24 LightningStrike 概念有 24 个推进器

4. 分布式电力推进的挑战

虽然提供了许多潜在的好处，但分布式电力推进也带来了一系列挑战：

集成和复杂性

使用电力或混合动力推进会带来额外的复杂性和集成挑战。

例如，必须管理存储在机上的电池和电子设备产生的热量，而冷却系统增加了飞机的重量和复杂性。

高压电力的安全分配也是一个需要解决的挑战，要考虑到绝缘、电磁干扰 （EMI） 和所有组件的总重量。

重新设计标准件

虽然 DEP 设计提供了一定的效率，但需要进行一些设计更改才能实现这些效率。例如，为了从边界层摄取中受益，必须设计和制造更坚固的风扇/螺旋桨，以处理粗糙的边界层空气。

同样，虽然吹升力等性能增强效果允许更小的控制表面，但还必须考虑如果 DEP 系统的组件发生故障，需要哪些冗余来确保安全。这些考虑为上一节中讨论的降低的操作需求提供了物理和财务上的平衡。

可扩展性和功耗要求

与其他电动飞机概念一样，可扩展性成为一个问题，因为电源在能量密度方面仍然无法接近传统燃料。即使是能量密度最高的电池 也只能达到喷气燃料能量密度的一小部分 （7%）。

像上面讨论的 TeDP 概念这样的混合动力系统可能有助于填补这一空白，但这些系统带来了额外的复杂挑战（更不用说燃烧它们自己的燃料了）。同样，低温系统可以提供更高的功率输出，但这些系统很重，而且每公斤的整体效率较低。

虽然在飞机尺寸和行程长度方面，DEP 动力飞行可能规模较小，但商用飞机的长途飞行仍然不可行。

5. 著名的分布式电力推进飞机

以下是分布式电力推进飞机概念的列表，这些概念已经达到相当先进的发展阶段，成功地驾驶了全尺寸飞机或子比例模型。

Electra EL-2 金翅雀

Electra 的 EL-2 Goldfinch 是一种 eSTOL（电动短距起降）演示器，使用分布式电力推进和混合动力推进系统。该飞机有八个电动机和一个吹升结构，以增加机翼升力并实现 STOL 性能。2023 年 11 月 20 日，EL-2 金翅雀在飞行员 Cody Allee 的带领下完成了首次载人飞行。
图 8：2023 年 11 月 20 日试飞期间的 EL-2 金翅雀（来源)

Lilium Jet

Lilium Jet 的机翼内有 30 个电动机，鸭翼襟翼在悬停时向下倾斜，并在巡航时齐平对齐。该系统由 CustomCells 制造的硅负极锂离子电池供电，密度为 330 Wh/kg。迄今为止，Lilum Jet 已经成功完成了几次无人飞行测试，首次有人驾驶测试计划于 2024 年底进行。
图 9：使用 Lilium Jet 的 Lilium 团队（来源)

极光 XV-24 雷击

Aurora XV-24 LightningStrike 是由 Aurora Flight Sciences（2017 年被波音收购）制造的混合动力 DEP 演示机。该概念采用劳斯莱斯 AE1107C 涡轮轴发动机为三台霍尼韦尔发电机提供动力，这些发电机为 24 个管道风扇分配电力。2016 年 3 月 29 日，一名 20% 的次比例演示机在美国军事设施进行了试飞。
图 10：Aurora XV-24 LightningStrike 的艺术家渲染图（来源)

空客 Vahana

Aribus 的 Vahana 飞机是一款全电动、单座、倾斜翼车辆演示器，配备 8 个电动机和一个倾斜翼配置。2019 年 11 月，Vahana 在 138 次全面试飞后进行了最后一次飞行。Vahana 项目的研究结果已被用于开发新一代空客城市移动飞机，例如 CityAirbus NextGen。
图 11：试飞期间的空客 Vahana eVTOL（来源)

城市空客 NextGen

CityAirbus NextGen 飞机是一种全电动分布式推进器，有 8 个推进器单元。它紧随空客的另外两家示威者 Vahana 和 CityAirbus 之后。该飞机于 2023 年 12 月进行了首次"开机"，并计划于 2024 年首飞。
图 12：CityAirbus NextGen 位于德国多瑙沃斯的 Airbus 机库前

6. 如何测试分布式电力推进系统

由于分布式电力推进系统的复杂性，测试是安全开发不可或缺的一部分。但是如何测试 DEP 系统呢？

Tyto Robotics 开发了一个平台，用于测试具有多达 8 个动力系统的分布式电力推进系统。它配备了同时测量 8 个电机和螺旋桨性能所需的硬件、软件和电子设备。

单击此处查看DEP 测试平台。
图 13：分布式电力推进测试平台

硬件和电子设备使用称重传感器和传感器的组合来测量推进系统的推力、扭矩、RPM、电压、电流、温度和功率。

这些测量值用于得出单个动力总成或最多八个动力总成的电机和 ESC 效率、螺旋桨效率和整体效率。测试软件允许您手动、自动或使用我们的 Python API 对测试进行编程。我们还提供飞行回放功能，允许您将飞行控制器数据上传到软件中，使用油门点作为测试模板。
图 14：分布式电力推进测试软件 GUI

每个动力系统都可以映射和命名，因此数据易于追踪。通过实时显示输入数据，您可以快速确定哪些推进器的效率高于或低于其他推进器。