多電時(shí)代——波音787的航空革命
前言
隨著電力時(shí)代的到來，研發(fā)多電飛機(jī)意味著需要用更加智能、更加互聯(lián)、數(shù)字化程度更高，當(dāng)然也包括更多電氣化的技術(shù)來替代飛機(jī)中的許多傳統(tǒng)系統(tǒng)。然而，要將新技術(shù)立即大規(guī)模投入使用是不實(shí)際的，其中主要挑戰(zhàn)之一是消除或減輕對某些最老式、最為廣泛認(rèn)可的部件的依賴。但是，總有一些作為新時(shí)代下初露鋒芒的領(lǐng)頭羊值得我們關(guān)注。下面讓我們進(jìn)入今天的主題：夢想客機(jī)——波音787。
多電飛機(jī)的誕生
眾所周知，傳統(tǒng)噴氣燃料存在經(jīng)濟(jì)和環(huán)境缺陷，而當(dāng)前電池技術(shù)每千克重量產(chǎn)生的能量不足一千瓦。此外，目前用于制造電氣系統(tǒng)的材料可能無法承受所要求的惡劣工作條件。與此同時(shí)，有待解決的問題還包括集成問題、關(guān)于飛機(jī)上允許和禁止事項(xiàng)的嚴(yán)格認(rèn)證準(zhǔn)則以及可靠性與冗余問題。出于和同級飛機(jī)——A330的競爭，波音在2003年首次推出了7E7的概念設(shè)計(jì)圖，并于2009年在巴黎航展上首次公開亮相。2011年9月26日，首架787交付ANA（全日空航空公司），并在同年正式投入服役。
電力系統(tǒng)
在波音787上，首次使用了電啟動(dòng)原理啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，不僅改變了以往通過引用地面高壓氣源或者通過APU引氣啟動(dòng)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的模式，使其啟動(dòng)更加便捷，而且支持同時(shí)啟動(dòng)雙發(fā)動(dòng)機(jī)，這點(diǎn)相信大家都耳能聞詳。在787上，一共安裝了7臺(tái)發(fā)電機(jī)，它們分別是：?兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)各兩臺(tái)寬變頻啟動(dòng)發(fā)電機(jī)（VFSG）、APU兩臺(tái)啟動(dòng)/發(fā)電機(jī)（ASG）、RAT一臺(tái)。每一臺(tái)發(fā)電機(jī)都能提供近乎1000kVA的強(qiáng)大電力供應(yīng)。
寬變頻啟動(dòng)發(fā)電機(jī)（VFSG）
與其它常規(guī)飛機(jī)不同，波音787是電啟動(dòng)，其每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)擁有兩臺(tái)獨(dú)立的啟動(dòng)電機(jī)VFSG，除了平時(shí)發(fā)電給全機(jī)提供電力以外，還可以逆序作為起動(dòng)機(jī)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，因此無需額外安裝壓縮空氣起動(dòng)機(jī)?？梢?，相比于其它發(fā)動(dòng)機(jī)，GEnx和Trent1000的簡化設(shè)計(jì)在一定程度上減輕了其自身重量。同時(shí)，VFSG還擁有以下特點(diǎn)：
取代用于為飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)供電的傳統(tǒng)引氣系統(tǒng)，從而通過消除相對較重的引氣組件（如調(diào)節(jié)閥、管道和冷卻器）實(shí)現(xiàn)直接減輕重量
消除引氣系統(tǒng)預(yù)冷卻器的能量損失
無需使用單一用途的空氣渦輪機(jī)起動(dòng)機(jī)及其相關(guān)的油系統(tǒng)和維護(hù)
將APU設(shè)計(jì)簡化為僅軸動(dòng)力供電
完全獨(dú)立，具有自己的潤滑系統(tǒng)，能夠通過飛行甲板控制裝置進(jìn)行手動(dòng)或遠(yuǎn)程自保護(hù)斷開連接
兩臺(tái)VFSG的設(shè)計(jì)使其能更加迅速地啟動(dòng)，即便其中一臺(tái)VFSG發(fā)生故障，依然能通過另一臺(tái)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)（比常規(guī)啟動(dòng)慢一些）
APU啟動(dòng)電機(jī)（ASG）
除了發(fā)動(dòng)機(jī)，APU也和其他客機(jī)的有所不同。787使用了普惠PW的APS5000渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，相比其他同級APU，APS5000也利用電瓶實(shí)現(xiàn)簡單自啟，但不具備引氣功能，它只能提供電力和相應(yīng)的液壓驅(qū)動(dòng)。因此，APS5000是提供電力給客艙或主發(fā)VFSG以達(dá)到啟動(dòng)主發(fā)的目的。也許有人產(chǎn)生疑問：若發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車，則客艙豈不是失壓？別急，耐心往下看，會(huì)有解答滴 ?o(*￣▽￣*)ブ ?；氐秸}，由于沒有其他APU常規(guī)的引氣功能，APS5000在一定程度上減輕了不少重量。與VFSG類似，APS5000也擁有兩個(gè)起動(dòng)電機(jī)ASG，把起動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的技術(shù)融合在一塊，不僅減輕了重量，還可以實(shí)現(xiàn)雙發(fā)同時(shí)啟動(dòng)，以提升效率。
空氣壓縮機(jī)（CAC）
大家可能對此感到陌生，因?yàn)檫@玩意兒比較少聞。其實(shí)它就是我們上述提到的，用來提供客艙空氣的壓氣機(jī)（Cabin Air Compressor）。以往的傳統(tǒng)飛機(jī)都是靠APU或者主發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的壓氣機(jī)（Compressor）提供壓力和氧氣。而在787上，一共有4臺(tái)這樣的壓縮機(jī)，就是類似下圖這樣的壓縮機(jī)，以電作為能量，不斷給客艙提供源源不斷的氧氣。在增壓過程中，組件控制器（PCU）控制CAC工作，并根據(jù)傳感器反饋的數(shù)據(jù)和飛機(jī)實(shí)際反饋的空調(diào)信息發(fā)送指令調(diào)節(jié)CAC的轉(zhuǎn)速和流量，確保CAC正常工作，實(shí)現(xiàn)客艙的制冷、制熱及加壓。而下圖的CAC折流門，是為了保護(hù)CAC進(jìn)氣口，當(dāng)飛機(jī)在地面時(shí)、防止前起卷起的污水進(jìn)入CAC進(jìn)氣口，造成CAC的損壞。通過控制單元調(diào)節(jié)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速以及各活門開關(guān)的角度，能夠更加精確以及經(jīng)濟(jì)的方式控制客艙環(huán)境。
液壓系統(tǒng)
波音787同樣擁有三套獨(dú)立的液壓系統(tǒng)，分別為黃、綠、藍(lán)液壓系統(tǒng)（在787上更喜歡將其稱作左、中、右液壓系統(tǒng)）。左、右液壓系統(tǒng)和常規(guī)客機(jī)類似，給飛機(jī)提供飛行控制、起落架收 放動(dòng)作等等，而中間緊急液壓系統(tǒng)是由兩臺(tái)獨(dú)立的電力液壓泵來控制，這點(diǎn)與傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)不同，有效地節(jié)省了空間及重量。
超臨界機(jī)翼
波音在7E7設(shè)計(jì)理念中提出了超臨界機(jī)翼的思想，并在787上成功實(shí)現(xiàn)。超臨界機(jī)翼還可用于減輕飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量，不同于其它傳統(tǒng)機(jī)翼，波音787機(jī)身和機(jī)翼采用的，是碳纖維復(fù)合材料。相比于傳統(tǒng)的鋁合金材料，碳纖維能有效降低全機(jī)重量，并提升結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，降低金屬疲勞的發(fā)生幾率，增加使用年限，空客也在后來的A350機(jī)型中使用到。超臨界機(jī)翼的出現(xiàn)，則是碳纖維材料的典例。它不僅能提高機(jī)翼的臨界馬赫數(shù)，使機(jī)翼在高亞音速時(shí)阻力急劇增大的現(xiàn)象推遲發(fā)生，也能降低機(jī)翼重量，還可增加機(jī)翼內(nèi)的容積，用以放置燃油或其他一些重要的設(shè)備。
總結(jié)：787——?新時(shí)代的里程碑
通過以上的敘述，我們悉知，波音787無論是在技術(shù)上的創(chuàng)新，還是操控性的創(chuàng)新；無論是從選用材料、設(shè)計(jì)理念，還是環(huán)保理念上的創(chuàng)新，在航空發(fā)展的100多年來，它都是凝聚了人類智慧的結(jié)晶，也是一個(gè)里程碑式的，具有重大意義的發(fā)展歷程。
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