雷神公司布局机载电力系统核心领域

在波音787飞机迈出跨越创新的一步之后，关于多电飞机（MEA）时代到来的呼声也愈发高涨。787飞机产品线打破了传统架构束缚，更多地采用了电能而非传统气压能和液压能，减少了从发动机的引气量。但这一大胆探索在飞机首批交付后的定期服务阶段遇到了一些问题，加之早期积压的大量订单，这些问题亟需尽快解决，至少应完成临时性修复工作。

航空航天领域每一次重大革新都伴随着层出不穷的问题。随着新的设计理念出现，电力系统（EPS）占比呈现出逐渐增加的趋势。电力系统在提高系统整体性能和可靠性的同时，能够有效减轻产品重量，使客户对机载能源的认知发生了重大改变。雷神英国公司目前正在进行航空航天计划的核心就是显著提升机载电力系统的性能。雷神公司投入大量资金用于开发各种可在工业界应用的新型电力系统，特别是产品在严酷环境下运行所需的新标准。跟传统产品相比，电力系统系列产品呈现出小型化、轻量化和高效等特征，主要产品包括主电源、二次电源转换装置、固态功率控制器、起动装置和电机驱动装置等。

雷神集成电源解决方案航空航天电力系统负责人史蒂夫·克莱金表示：“行业所有从业者都敏锐地意识到，我们在市场中正在与新兴供应商争夺份额，航空服务业的飞速增长引发对采购成本、运营盈利能力和立法环境边界的关注。”

雷神公司正在通过软件算法开发推动基础材料研究应用于控制作动子系统、网络与智能解决方案、大数据开发和其他项目。公司力求通过应用碳化硅（SiC）材料，引领全新一代综合电力系统发展。

在过去的十年中，处理器的运算能力大幅提升，各企业专业技术水平不断提高。随着材料的应用范围不断拓展，雷神公司正在与领先的航空航天客户、学术研究机构开展合作。公司目前已经掌握了先进的SiC制造技术——高温SiC（HiSiC），研发了可以在250℃以上环境工作的互补金属氧化物半导体（CMOS）集成电路。该技术可以用于开发传感器、仪表电路和栅极驱动器，应用在现有硅基半导体无法正常工作的极端恶劣环境中。

为了应对多电飞机带来的技术挑战，雷神公司展示了技术成熟度达到5级的可扩展主电源转换器。功率等级达到90kW的双向非隔离电源可将发电机提供的115V交流电转换为540V直流电，以满足多电飞机大部分电网要求。转换器可以使用新型高频SiC功率半导体逆变器将直流转换为发动机起动所需的三相交流电。雷神公司的理念是超越传统单向配电，采用多功能智能化电力架构，利用电力作为共同的能源载体。以减轻重量为关键目标，采用高效和高功率密度的转换技术。

演示验证项目由航空航天技术研究院（Aerospace Technology Institute）和政府支持的创新英国（InnovateU.K.）负责开展一系列研发工作，主要项目包括罗罗公司Siloet 2项目和空客综合能源和推进架构项目。此外，项目还邀请英国航空电力系统领域的合作专家参与，旨在为航空航天工程师提供优化未来飞机电力架构和系统所需的数据，在提高效率的同时减少排放和运行成本。

作为空客创新（Airbus Innovations）与罗罗公司合作的一部分，空中客车的E-Thrust概念方案是分布式混合/电推进系统的长期愿景。雷神公司致力于为未来电力系统架构提供建模解决方案。由于传统硅基栅极驱动器电路无法在高温环境中运行，因此新型HiTSiC模块的成功研制是雷神公司在行业内实现技术突破的标志。最终产品是满足未来需求、可靠和高密度的电源转换器；其他产品将为下一代多电飞机的电力设备确定产品配置和规格。

克莱金表示：“多电飞机的终极目标是低排放和环保，这需要进一步减轻重量、增加燃油效率。尽管针对未来技术的投资已经开始推动技术边界不断推进，但实际上多电解决方案的发展还相对较为缓慢，仍有老问题以不同方式影响到我们今天的客户。”

航空行业需要权衡这样一个问题：许多目前正在使用的民用飞机将在未来20~30年内继续运营。因此，有必要通过低风险技术介入现有飞机平台的方式减轻系统重量。

克莱金表示：“电力设备厂商不断改进电力电子、机上娱乐、行李运输、全球互联和新型客舱照明等系统，这些升级需求为我们创造了新的业务领域。这些系统并非全部为安全关键系统，但其装备和使用导致对机载电力能源的需求不断增加。大部分现有飞机并非采用分布式电力系统架构，因此需要一个提高电功率供给等级且不增加重量的电力系统解决方案。另外，支线飞机的升级也是一个重要市场，这里需要风险较低的实际解决方案，雷神公司持续关注的固态功率控制器可以满足这一市场需求。”

雷神公司正在与研发团队进行直接合作，通过提供资助计划开展多种电力系统结构研究，确保工程师能够更好地了解未来客户的需求。

克莱金表示：“目前进行的研究瞄准2020年阶段的需求。其中一部分研究是具有革新性质的，可以用来引导客户发掘新的需求。所以尽管目前市场上有一定程度的惯性，但重量更轻、成本更低的解决方案将是雷神公司着力进行技术探索的领域。”

HiTSiC优势体现在功率密度高、系统重量轻，同时进一步降低了热应力、冷却系统和部件的需求。功率密度是质量、可靠性和效率三个重要参数的函数。在满足安全关键要求的前提下，采用HiTSiC的产品功率密度可以达到6~10kW/kg，并且系统结构更加复杂。主要应用包括起动系统、电滑行系统等，并在波音737和空客A320都已经增加了电力选项。

电力系统将由多任务系统进行控制和支持，在提供大功率电能的同时减小了体积。更加重要的是，这将简化系统故障定位。数据集成也能够实现飞机与地面的通信，完成计划和非计划的维护。民用飞机为应对网络扩展和开放带来的威胁，正在通过系统层面研究开发新的工具。

多电飞机的基础技术正在进行广泛、全面的测试。这种情况下，在飞机平台发展之前，应当首先通过解决系统层面的问题来降低风险，这也是未来民用航空领域改变游戏进程的重要方面之一。 （李丰羽）