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强劲的超轻型发动机助力电动飞行

西门子开发出一款杰出的电动发动机，它兼具大功率和超轻盈之优势。发动机的所有部件均得到系统化改进，由此造就的全新驱动系统在同级别产品中创造了功率-重量比的世界纪录。这项开发成果是电动飞机和电动直升机普及化道路上的重要一步。

有时候，几个简单的数据就足以表明一项技术革新。对于这款全新的电动发动机，这个数据就是5千瓦/千克。这个数据代表西门子中央研究院电动飞机部新研发的电动发动机的功率-重量比。“新发动机的重量是50千克，但它可以持续供应260千瓦左右的电力。”电动飞机团队负责人Frank Anton博士介绍道，“它打破了这一功率等级的世界纪录。当前业界采用的强劲电动发动机的功率-重量比高不超过1千瓦/千克，在汽车行业，他们高也只达到了2千瓦/千克。”

对于西门子团队关注的应用领域，功率-重量比是一项关键指标。毕竟，他们的长远目标是带来整个航空业的变革。2011年，Anton的研发团队与空客集团、钻石飞机携手合作，实现了有史以来*架混合电动飞机的首航。2013年，这架飞机再次启航，当时它的驱动系统已得到优化。那一次所使用的新电动发动机的功率-重量比为5千瓦/千克左右，在当时这个水平已经，不过这款发动机的持续供电水平相对一般，大约为60千瓦——多只能支撑单引擎轻型飞机的航行。

因此，Anton的目标是开发出一款更为强劲、轻盈*的电动发动机，唯有如此才能*取代目前飞机和直升机中采用的内燃式引擎或喷气式引擎，或者将这些引擎与电动驱动系统相结合，组成混合系统。

为给这个端罩“瘦身”，轻型工程领域的专家和西门子产品生命周期部门的开发人员联合开发出了一种专门的优化算法，并将其集成到西门子CAD（计算机辅助工程）程序NX Nastran中。

算法增强缔造世界纪录

西门子研究人员开发出了一种新型电动发电机，
它的重量只有50千克，但能够持续输出260千瓦左右的电能，
这一水平比同类驱动系统高出五倍。

为研制出一款创纪录的发动机，大型驱动部和中央研究院的专家们着手对以往发动机的所有组件展开测试，在技术可行范围内对组件进行优化。通过这一系列工作，他们得以将发动机端罩的重量缩减一半以上，从10.5千克减轻到只有4.9千克。端罩由铝质材料制成，此组件安装到连续驱动轴上，中间没有变速箱，端罩的作用是支撑发动机的轴承和推进器。Anton介绍道：“每当飞机的头部扬起或下降时，端罩要承受极其巨大的力，所以对于飞行安全而言，它是至关重要的组件。所以过去这个组件往往非常坚固，因此也就很重。”

为给这个端罩“瘦身”，轻型工程领域的专家和西门子产品生命周期部门的开发人员通力合作，开发出了一种专门的优化算法，并将其集成到西门子CAE（计算机辅助工程）程序NX Nastran中。该算法将组件细分成10万多个元件，然后模拟作用于其中每个元件的力。经过无数次的优化环节，软件终能够判断出哪些元件基本不会受力，因此可以去掉。“造物主设计人体骨骼的时候也是这样的，让它的结构顺应外力。利用这种反复迭代优化的过程，我们终得到了一个单纯依靠理论永远也无法达到的解决方案。” Anton说道。

这项开发的成果是设计出的结构不仅轻巧，同时还满足硬度和稳定性方面的所有安全要求。而这仅仅是个开始。开发人员现在已经设计出一款新的端罩雏形，它由碳纤维强化聚合物材料构成，重量只有2.3千克，不到传统组件的四分之一。

在发动机的电磁设计方面，开发人员另辟蹊径，再次找到了尽可能减轻机身重量的妙招。在定子中采用钴铁合金材料，实现很高的磁化能力，同时用哈尔巴赫阵列排列转子的永磁体。也就是说，将四个磁体依次排列，每个磁体的磁场均相反。如此排列的结果之一是可以在使用少材料的情况下优化磁通量导向。此外，研究人员还发现一种新的冷却概念，能够进一步减轻重量。“由于电流密度很大，我们需要一种巧妙的方法来处理废热，我们使用直接冷却的导体，将铜损失直接释放到绝缘冷却液中，比如说，我们这里用的是硅油或热传导液。” Anton解释道。

上述所有方面的改进都要求研发单位对电动发动机的不同流程拥有深厚的专业知识。“对换流器和发动机具有如此深入了解的公司可谓凤毛麟角，更不用说有几十年在各类不同甚至环境下展开研究的经验。另外，在西门子，我们致力于实践电动飞行的理念，具有持续开发新驱动系统的实力。” Anton指出。毋庸讳言，其他公司必然也已经关注到这一领域，但据Anton估计，西门子在业界至少三年。

智能混合驱动系统将电动发动机与内燃机相结合，它采用的涡轮机不仅显著小于现今的涡轮发动机，还能在飞行期间始终保持的运转。

研发目标：混合动力的地区航班

西门子研制出的新型电动发动机十分强劲，支持四座飞机飞行绰绰有余，为地区航班提供足够动力的目标也并不遥远。从500千瓦到2000千瓦的功率足以在德国境内运送一组旅客。这样的驱动系统对于环境和机场附近的居民都是一种福音，因为它们可以显著降低航空运输的二氧化碳排放量和飞机噪音。同时，航空公司也将因大幅节约成本而受益。“航空煤油占飞机生命周期成本的50%以上，采用混合电驱动系统可使耗油量降低25%左右，这样飞机的总体成本将能降低12%左右。” Anton解释说。

之所以会如此，其原因是智能混合驱动系统将电动发动机与内燃机相结合，它采用的涡轮机不仅显著小于现今的涡轮机，还能在飞行期间始终保持的运转。相比之下，现今的涡轮机的设计大输出功率只有在飞机起飞和爬升时才会用到。除此以外，它们只需要用到大输出功率的60%。“如果采用煤油电动混合驱动系统，涡轮机可以持续地在高能效状态下运转，通过发电机向电动发动机供电，从而为推进器提供动力。在起飞的时候，可以由电池提供额外电能。” Anton介绍道。

西门子目前正在与空客公司合作，力推电动飞行的愿景变为现实。根据2013年签订的合作协议，西门子的主要任务是开发新型电驱动系统，空客公司则负责寻找全新的航空理念。如果工程师们成功研发出更轻、更强劲的电动发动机，那么首架混合电力驱动的60-100座航班将有望早在2035年“冲上云霄”。