飞机发动机突破兆瓦大关

麻省理工学院的新型发动机让电池驱动的飞机准备起飞。

飞机制造商计划通过飞机的电气化来降低实际碳排放，但该行业严格的重量限制使实现这一点困难重重。事实证明，制造与喷气发动机功率重量比相当的电动机尤其具有挑战性，因此，大多数的工作都局限于小型飞机。麻省理工学院的研究人员推出了一种重量轻的新型紧凑兆瓦级电机设计，这可能打开大型飞机电气化的大门。

虽然汽车行业正在经历从化石燃料向电池动力的转型，但要在航空业实现这一点，难度要大很多。现代电池的能量密度仍然远远不足以为远距离飞行的飞机提供动力，因此Eviation等公司专注于短途城际飞行，许多电动垂直起降航空器的公司目标也是日常通勤。

虽然电池可能最受关注，但电池不是唯一面临重量问题的领域，实现发动机的电气化也是一个挑战。电动机产生推力的原理是，让电流经过大量的铜线和钢以产生可以转动转子的磁场。麻省理工学院的航空学教授佐尔坦•斯帕科夫斯基（Zoltán Spakovszky）说，这些材料本身就很重，因此制造具有高功率重量比（也称特定功率）的电动机很困难。

因此，当今电动飞机中使用的电机只能产生数百千瓦功率，这对于大型飞机而言太低。不过，在2023年6月12日至16日在圣地亚哥举办的美国航空工业协会航空论坛上，斯帕科夫斯基和他的同事公布了一种能够产生1兆瓦电力的电动机设计。他们表示，借助这一成就，实现支线飞机的电气化指日可待。

在该麻省理工学院团队的设计中，转子是圆形滚筒，其内表面衬有永磁体。通常，发动机接收功率时，需要重钢层将所产生的磁场集中在一起，而该方案中的磁体使转子运行不再使用重钢层，而是使用相对较轻的钛。在转子内部，设计了一个非常紧凑的定子，有助于提高电效率。它是一块圆柱形的钢体，外表面覆盖着突出的“齿”。这些齿上覆盖了密集的铜线。电流通过这些铜线时，会产生强大的磁场，磁场与转子上的永磁体相互作用，从而让滚筒旋转并驱动发动机。

该设计还采用了一个由30块定制电路板制成的高速电力电子系统。这些电路板在定子中产生非常高频率的交变电流，可大大提高发动机的转速。

虽然研究人员尚未组装其设备，但已经测试了所有的主要组件，并通过仿真证明该设备能够达到预期的功率级别。完全组装后，电机的重量将达到57.4千克，比功率相当于17千瓦/千克，明显高于美国国家航空航天局之前确定的驱动大型电动飞机所需的13千瓦/千克。

麻省理工学院的研究人员开发了一种1兆瓦的电动机，有助于实现商用客机的电气化和新型混合动力或全电动飞机。上图为原型机示意图，包括:（1）一个低损耗齿槽定子，外圈是热管理系统;（2)30个定制的高速电力电子板，它们能够在定子中产生高频交变电流，从而提高电机的转速。

斯帕科夫斯基说，取得这些并不容易。“实现特定功率所需的范式转变没有良方。”他说，“许多因素组合在一起才能让设计成为可能，而细节是魔鬼。”

最关键的因素之一是团队解决热管理的方法。斯帕科夫斯基说，输出1兆瓦功率大约会有50千瓦转换为热量。“想象一下一台汽车发动机全速运转，将所有功都转化为热量。”他说，“或者想象在一个类似小啤酒桶的空间里，点亮500个100瓦的白炽灯泡。”

该麻省理工学院团队还在定子内设计了一个由铝合金制成的新颖的风冷热交换器。

在圆柱形结构上有一个由细小空气通道组成的蜂窝，其复杂的几何形状需要通过3D打印实现。斯帕科夫斯基说，该团队设计所实现的冷却效率接近液体系统，同时还能保持所需的结构完整性。

“很高兴看到麻省理工学院取得的进展。”伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的电气和计算机工程教授吉鲁巴•哈兰（Kiruba Haran）说。哈兰的团队和俄亥俄州立大学以及威斯康星大学麦迪逊分校的团队也在开发兆瓦级电机。哈兰说，它们也可能很快就会对航空业产生影响，只是电池技术需要一些时间才能跟上。氢和氨等化石燃料替代品可能要依赖燃料电池将化学能转化为电能，然后将需要电力推进系统。哈兰说，混合动力系统可能会出现得更早，在混合动力系统中，电机与燃气涡轮机集成在一起，可实现部分飞行的电池驱动。

作者：Edd Gent 审核编辑：黄飞