NASA研究項目加速實現飛機電推進兆瓦級組件技術
要想在商用飛機上實現電推進，必不可少的是輕型、兆瓦級驅動系統，這種系統要比汽車上的功率更大，比艦船上的重量更輕，同時要具有較高的效率。因為在兆瓦等級，百分之幾的電力損失就意味著有數千瓦的廢能需要排散。
2035年時間範圍可選的部分渦輪電商用飛機概念圖（STARC-ABL方案），飛機尾部採用邊界層抽吸電動風扇。
針對商用飛機的電推進系統需求，NASA已經開始研究兆瓦級的電動機和電力變換裝置。這些系統將支持近期和中期的可用在單通道客機上部分渦輪電推進和混合電推進系統的研發。目前這些項目已經完成了硬體試驗。電驅動系統包括三個主要元素：電源、配電系統和消耗電力的載荷。NASA關注的重點包括發電機（電源）、電動機（載荷）以及電力變換裝置和用於配送更高功率電力的線纜系統（屬於配電系統的一部分）。其中，電力變換裝置又包括將交流變直流的整流器和直流變交流的逆變器。
一、NASA委託伊利諾斯州立大學和俄亥俄州立大學以及格林研究中心開展高功率密度電動機研究
伊利諾斯州立大學和俄亥俄州立大學分別獲得了一份NASA研究協議（NRA），開發功率密度達到13千瓦/千克的電機，其目標效率大於93%(GE近日公布的1MW新型演示電機效率達到98%)。NASA格林研究中心正在開發另外一種電動機，功率密度為16千瓦/千克，效率大於98%。這種功率密度已經遠遠超過了美國能源部為車輛電動機設定的2020年目標1.6千瓦/千克。
正在開發的電動機包括三種：永磁電動機（伊利諾斯州立大學）、感應電動機（俄亥俄州立大學）和繞線電動機（格林研究中心）。
伊利諾斯州立大學正在開發1兆瓦的永磁同步電機（永磁電機可用在電動車上，顧名思義，其轉子採用永磁鐵而非電磁線圈）。這種電機採用外部轉子，碳纖維殼體和永磁鐵，轉速18000轉/分。伊利諾斯州立大學已經完成了將空氣冷卻電機集成到羅羅自由工場「電動可變發動機」上的轉子全速試驗和設計工作。這是一種並聯混合電推進系統，其中由電池為電動機供電驅動風扇輔助地面滑行、起飛和空轉下降，以減少燃油消耗。研究的電動機功率範圍為1-2.6兆瓦。
伊利諾斯州立大學研製的1兆瓦電動機集成到羅羅電動可變發動機並聯電推進系統概念驗證機上
永磁電動機作為發電機用在渦輪電推進飛機上會面臨挑戰：如果出現緊急情況時如何讓其停止。NASA格林研究中心工程師拉爾夫·詹森（Ralph Jansen）稱，感應電動機和繞線電動機可以通過關斷電磁場來讓其停止。感應電動機功率密度比不上永磁電動機，但是其對電力電子器件的要求較低。
俄亥俄州立大學正在開發一種2.7兆瓦的環形感應電動機。該電動機為直徑1米的環狀，轉速為2700轉/分，外部轉子由定子線圈產生的磁場驅動旋轉。該電動機使用了帶狀導體纏繞定子。位於有源區外側的導體帶部分採用液體直接冷卻，這樣可以讓定子通過大電流，提高電動機功率密度。俄亥俄州立大學正在製造300kW、1兆瓦和1.7兆瓦的電動機樣機，用以驗證冷卻、製造和性能。該大學同時設計了10兆瓦的環形電動機，並將其集成到一個渦扇發動機上。該電動機轉速提高到5000轉/分，這樣可以提高功率密度，但是會增加結構設計的複雜性，並且當轉子和定子之間縫隙中空氣速度接近1馬赫數時會增加游隙損失。
NASA格林研究中心的1.4兆瓦繞線同步電動機追求更高的功率密度和效率，採用了自冷卻超導轉子和無槽定子。這在提高了功率密度和效率的同時無需因外部冷卻而增加重量。在發電模式下，繞線電動機可以通過為磁場線圈斷電來停止，而無需從驅動軸上分離。高溫超導體用於轉子線圈可以提供超過永磁和常規導體的磁場強度。用於冷卻超導體的冷卻裝置集成到轉子中。這種電動機直徑0.4米，轉速6800轉/分，保持轉子表面速度與其他兩種電動機相比相對較低。詹森稱，這使得這種電動機在某些飛機構型中可以採用直接驅動的方式。
NASA格林研究中心的自冷卻、超導繞線式電動機將冷卻裝置集成到了轉子上
二、NASA委託GE、波音和伊利諾斯州立大學開展高功率密度電力變換裝置研究
NASA分別授予GE公司和伊利諾斯州立大學研究協議，開發電力變換裝置，目標其功率密度為19千瓦/千克，目標效率為99%。波音獲得第三份研究協議，開發低溫變換器，目標功率密度為26千瓦/千克，目標效率為99.3%。這些目標與能源部為汽車電力電子設定的2020目標14.1千瓦/千克在同一量級。
對於電力應當採用直流還是交流來配送目前還存在爭議。詹森說：「我們仍然需要對這兩者進行比較。如果電源是電池，則很明顯應該用直流。但是如果電源來自渦輪風扇發動機，則直流和交流都適用。這就需要弄明白哪種方式是最好的。需要仔細考慮電動機用直流還是交流。」
同時需要確定配電的電壓。增加電壓可以減小電流，使電線更細更輕，但是增加了短路的風險。在高空低壓下，與海平面相比，產生電弧的電壓更低。目前飛機上採用的最高電壓為540伏（±270伏），但是在單通道飛機配送兆瓦級的電力需要更高的電壓。
NASA近期在研究1000-3000伏範圍，儘管對於部分渦輪電和混合電推進構型而言這已經足夠，但NASA仍計劃研究5000-10000伏範圍電壓用於N3-X大型商用飛機概念的完全渦輪電構型。詹森表示：「這與艦船電力系統相當了，但是艦船的是在海平面運行。」根據NASA測算，採用2000伏直流配送1兆瓦電力到150英尺的距離，相比於540伏，電線重量可以從900千克減輕至200千克。
NASA目前聚焦於直流變交流的逆變器，並假定輸入電壓為1000伏和2400伏直流。詹森表示：「在變換器領域兩種新材料的應用已經取得了實實在在的進步，這兩種材料是碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）。現在你可以購買商用集成電力開關用在變換器里，改善其性能和重量。SiC和GaN開關可以在更高的頻率下工作，損失小，效率高。「
GE公司製造了1兆瓦的逆變器，使用SiC開關技術將2400伏直流變換為三相交流。該裝置用GE公司的1.7kW金屬氧化物半導體場效應管電力組件。伊利諾斯大學製造了200千瓦「飛行電容器」裝置，用基於GaN的場效應管開關，並可以放大到1兆瓦的系統。匯流條電壓為1000伏直流。這些逆變器都採用液體冷卻。同時，波音正在研製低溫冷卻的1兆瓦逆變器，目標是實現更高功率密度和效率。該裝置用了商用貨架硅半導體。該項目目前處在第二階段，正在進行液氮冷卻的200千瓦逆變器製造，用於風險降低。第三階段將製造和測試1兆瓦逆變器。
三、NASA將利用NEAT試驗台進行兆瓦級電推進系統集成測試
上述委託NASA外部力量的研究將於2019財年完成，NASA內部研究項目則持續到2020年。計劃中的下一步工作是製造電動機和功率變換器，集成到兆瓦級的驅動系統中，該系統可以在位於俄亥俄州梅溪（Plum Brook）的NASA電動飛機試驗台（NEAT）進行測試，這裡此前曾是一個超音速風洞和核熱火箭測試設施。
NASA電動飛機試驗台（NEAT）可支持波音737級別飛機飛行重量的電推進系統地面端到端試驗
NEAT試驗台是NASA正在建造的電動飛機試驗台，以實現未來單通道飛機全尺寸、實際飛行重量的動力裝置在地面完成直到技術成熟度6級的試驗，為實際飛行做好準備。NEAT是測試功率水平高達24兆瓦、匯流條電壓高達4500伏的完整驅動系統。NASA於2016年9月在該設施中進行了第一次低功耗測試，使用一對現成的電動機來模擬通用電氣CF34渦扇發動機。NEAT目前已經配備了波音737大小電驅動動力裝置，計劃2017年9月開始測試STARC-ABL——帶後邊界層推進的單通道渦輪電推進飛機。該機是NASA面向未來混合電動航班的概念機。初始測試功率為0.5兆瓦，到2018年將增至2.6兆瓦—3500馬力。對於STARC-ABL測試，包括將尾部限制在6.10米長度範圍內，將壓力高度升至15240米高度，以測試全功率的電機和逆變器。因為在這個高度下，高電壓電弧對電機性能有較大影響。據NASA介紹，該裝置可在2024年之後進行擴展，以測試更寬的飛機。
（航空工業發展研究中心 孫友師）
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