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2022年7月29日，航空航天，电气化
飞机制造商长期以来一直在努力使飞行更加环保。技术不断改进的喷气发动机、改善空气动力学的特殊涂层；对创新燃料如SAF（可持续航空燃料）或低碳航空燃料的投资，大大降低了能源消耗和污染物排放。但这些尚不足以抵消航空旅行的影响，据国际航空运输协会（IATA）消息，民航业在经历疫情期间的下降之后，正在全球范围内迅速恢复。因此，要达到预期设定的严苛排放目标，包括到2050年航空公司实现净零碳的 "Fly Net Zero "承诺或欧盟的 "Flightpath 50 "计划（到2050年二氧化碳排放量比2000年减少75%），很可能只有通过对混合动力或全电动推进系统的大规模研究和投资才能实现。
为促使下一代飞机可持续发展，飞机的很多元素必须改变：包括推进系统、结构和飞行策略等。HBK可帮助工程师更加自信地测试和验证他们的设计，以确保适航性，从而实现这些创新。
长期以来，电力推进系统一直被认为不适合航空运输。然而，创新型初创企业成功地在小范围内证明了其可行性，从而给大型飞机制造商及其推进系统供应商带来了压力，使他们再三思考后开始投资研发。例如，西门子推出了一个50公斤的电机，输出功率为260千瓦，可以直接驱动两吨以下的小型飞机。
与燃气涡轮喷气机相比，电动发动机的优势显而易见：
不过，能源供应和储存至关重要。存储同样的能量，采用市面上的锂离子电池要比燃油重60倍，能量密度也明显较低（250-270Wh/kg vs 12,000Wh/kg）。此外，温度管理也是一大挑战。尽管电池效率正以每年约5-8%的速度提高，已经适合中短途飞行，但专家们表示，开发用于纯电动长途飞行的新电池技术将需要几十年时间和庞大的预算。
在过去十年中，许多纯电动或混合动力项目已经启动，其中大部分仍在开发中。与他们的目标日期相比，大多数项目都被延迟，一些被取消了，但也有一些已经获得认证并投入生产。
例如，纯电力驱动的VTOLs（垂直起降）或多螺旋桨飞机，可用作空中运输出租车，这将开辟一个全新的细分市场，其载客数不多，限乘5人，但MTOW为2000公斤，最大航程为300公里。自主版本目前已经问世。
另一个纯电力驱动实验飞机的例子是 NASA 的 "X-57 Maxwell", 它由锂离子电池提供动力，由12个高升力电动马达提供升力；在巡航模式下由2个大型翼尖电机推动飞机。地面测试预计于2022年5月完成，该项目正接近首次试飞。
针对大型商用飞机的倡议集中在混合电动推进系统上，该系统能够实现更长的航程，同时节省燃料并减少排放。然而，它们的开发将需要更多的时间，在2030年前不太可能投入使用。虽然它们展示了前景，但不一定会流行起来，比如2017年由空客、劳斯莱斯和西门子发起的E-FanX项目。该计划采用一个2兆瓦的电机取代4个燃气轮机中的一个。其余的喷气发动机为发电机提供动力，以生产电力。该项目于2020年终止。
总之，在可预见的未来，燃气涡轮机仍将是标准的远程推进系统。SAF的使用将有助于在一定程度上减少气候影响。更长距离的飞机将使用混动系统。混动系统的燃料消耗预计将下降约25%。座位数少的纯电动中短程飞机已经或将很快投入使用。尽管大约30年的产品生命周期很可能使电动或混合动力推进系统在2050年之前无法全面使用，但专家预测，到2035年，大约45%的飞机将至少使用混合动力。该技术有可能从根本上改变航空运输。
与传统的飞机推进系统一样，测试与验证在整个设计和原型设计阶段至关重要。然而，测试传统的和分布式电力推进系统之间存在重大的差异。例如，NASA的X-57飞机的电池必须经过验证，以确保它们能安全地为整个飞行过程提供动力，并且温度升高不会导致热失控。工程师们必须测试和验证电力推进的每一个组件以及整个电力系统，以预测任何系统集成挑战。虽然缺乏纯电动或混合动力推进系统的标准化测试，但其他如GVT（地面振动测试）是适航认证的强制性测试，无论是何种推进系统。这就提出了一个挑战。
电力推进系统通常由电源（电池）、逆变器、电机（马达）、旋转轴和螺旋桨组成。评估各个组件并了解它们如何相互作用，对于效率优化至关重要。整个系统效率越高，飞行距离就越长。为了评估其效率，需要在启动、稳定状态和故障事件期间运行测试。需要确定的数值有：推力、速度、电功率、扭矩、电池输出、逆变器输出、螺旋桨输出，以及共振、噪音、温度和空气密度/速度。
飞机的推动力来自电机，但其也会产生振动和热量。需要对这些机械影响进行处理，以确保飞机的安全。动力系的振动和热特性均由电机产生，但受逆变器电压和电流的影响。逆变器输出可以产生或多或少的转矩脉动，从而导致不同的振动。逆变器控制效率较低会导致热能升高。为了理解逆变器和机械操作之间的相互作用，工程师需要同时对电气和机械信号进行表征。HBK eDrive功率分析仪使工程师能够同时测量所有这些信号，从而优化效率，同时确保飞机的机械操作安全。
更高的电压降低了电流，减少了电动飞机电力配送所需的布线成本。目前，电动飞机推进系统的运行电压高达900V，但展望未来，运行电压会提升到5kV，并已开始对10kV进行早期研究。这些高电压给测量带来了挑战，同时也给飞机带来了安全隐患。为了开发一种安全的高压动力系统，需要进行重要的耐久性和故障测试。这种测试将是破坏性的，必须确保对工程师和测试设备来说是安全的。HBK eDrive功率分析仪具有极高采集率，光纤隔离系统可让用户远距离操作。这使得破坏性测试能够安全执行，并确保数据完整性和飞行安全。
电动垂直起降飞机（eVTOL）有激进的，或非常规的设计，每个机翼上可能有多个电机。电机可以垂直旋转，用于起飞，然后水平旋转，用于前进运动。
由于这些新的非常规设计，飞机的结构特点与常规设计完全不同（没有发动机或机翼上有一至两个发动机）。这些电机增加的质量和分布会导致经典的颤振模态的频率降低，并且由于这些电机频率基于螺旋桨，因此这些飞机更容易受到涡动颤振的影响。这些电机转速对应的频率范围与飞机结构频率范围相同。如果颤振模态被激发太久，飞机可能会产生灾难性的事故。因此，在综合测量的基础上进行颤振预测，对于飞机开发早期阶段调整飞机设计是至关重要的。
如上所述，机电测试对于理解混合动力或纯电动推进等复杂系统非常重要。在HBK，我们可以提供满足您需求的测试系统：同步数据采集、连续记录、可视化，以及实时数据传输到存储、自动化或硬件在环系统。这种简化的方法帮助研发工程师进行系统级分析，并在各开发部门之间共享数据——以更低的成本进行快速测试与验证。
• Ground Vibration Testing and Analysis – Correlate the flutter model to reality
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