勞斯萊斯如何突破天空的極限

  • 天空的極限

By Douglas Campbell, Technical Director, Electroflight, Gloucestershire, UK

勞斯萊斯(Rolls-Royce)與 Electroflight 攜手引領航空業的第三個時代,打造一架全電動飛機,其速度超過每小時300英里。主要挑戰之一是優化重達1,047磅(475公斤)的電池組,以確保其結構強度、熱管理和其他關鍵性能標準。在團隊競相推出世界上速度最快的零排放飛機時,通過 Ansys 提供的多物理模擬發揮了關鍵作用,加速了電池開發和驗證過程。

 

勞斯萊斯是航空業的先驅,但該公司正專注於未來,致力於創新的全電動飛機。如果螺旋槳飛機和噴氣式飛機代表了航空業的前兩個時代,那麼第三個時代無疑將專注於可持續設計和零排放。作為勞斯萊斯 ACCEL 計劃的一部分,該飛機將在今年晚些時候嘗試打破全電動設計的現有210英里/小時的速度紀錄。該機身已經以超過每小時300英里的速度飛行,裝有傳統的內燃機引擎,因此ACCEL團隊對此寄予厚望。與飛機速度一樣令人印象深刻的是其航程。它能夠在單次電池充電的情況下完成從倫敦到巴黎的200英里航程。此外,勞斯萊斯和 Electroflight 團隊的另一個目標是追蹤和記錄整個專案的可持續性,他們自豪地表示已抵消了該專案的排放量,使其成為淨零排放專案

 

  • 搭載電池的翅膀

這個能源儲存性能水平需要新穎的工程方法和革命性的電池設計。勞斯萊斯不依賴內部資源,而是轉向了英國格洛斯特郡的初創公司 Electroflight,該公司開發了航空電氣化應用的高可靠性能源儲存解決方案。

結果產生的鋰電池組採用了三個獨立的電池組件,為由牛津 YASA 公司開發的三台高功率電動馬達提供電力。YASA 公司基於自家的軸向流設計,能夠提供一種小型、輕量化的引擎配置,產生超過 500 馬力的輸出,以支援飛機的破紀錄速度。

儘管輕量化的引擎設計可能是可以實現的,但即使是最高功率密度的鋰電池也不可避免地會變得沉重。由於擁有超過 6,000 個電池單元和驚人的 90% 能源效率,由 Electroflight 設計的電池組件能夠提供足夠的能量,以供應 250 個家庭的電力。它的重量達到 1,047 磅(475 公斤),並佔據了飛機機身的大部分空間 —— 這使一些觀察者稱這架飛機為「一個帶翅膀的電池」。

電池的大小和重量可能被視為不利條件,但勞斯萊斯和 Electroflight 充分利用了這些特點,將電池組作為單座飛機的關鍵結構元素。這意味著飛機機體和電池組必須同時進行最佳化,以確保兩個元素被整合在一起,平衡能源和推進力與升力。


由於其大小和重量,電池組成為單座飛機相對較小的機身中的關鍵結構元件。這意味著需要平衡能源性能與機械考量,如剛度和共振,以及可持續性。

 

  • 工程模擬協助 Electroflight 團隊解決三個關鍵問題:材料選擇、結構完整性和均衡散熱

電池組的另一個潛在缺點?那就是鋰離子電池的熱效應,這已被廣泛記錄。為了管理電池組自然產生的熱量,Electroflight 的工程師設計了一個創新的冷卻系統,通過在電池之間的板上泵送一種液冷劑混合物,由水和乙二醇組成。即使在飛機性能需求高的情況下,鋰離子電池與冷卻板接觸時也可以管理熱負載。

Electroflight 的先進電池管理系統每秒收集數千個數據點,為飛行員提供了在進行紀錄嘗試時從電池系統中提取最大性能所需的信息。考慮到安全問題,Electroflight 團隊設計了飛機,以確保在僅一個電池組運行的情況下能安全降落。

 

  • 加速模擬設計

為了模擬和解決電池組件設計中的許多高級挑戰,Electroflight 依賴 Ansys 模擬解決方案,包括 Ansys Mechanical、Ansys Discovery、Ansys Fluent 和 Ansys Granta 材料選擇策略。CAE 工程模擬幫助Electroflight 團隊解決了三個關鍵問題:材料選擇、結構完整性和平衡冷卻。

考慮到電池組件相對於飛機本身的巨大尺寸,Electroflight 得出結論,該組件需要成為小型飛行器的結構組件,將飛行載荷從動力系統傳輸到整個飛機的機身中,在整個飛機的操作和性能周期中。實現這一功能需要對電池組件設計進行仔細分析和最佳化。團隊希望在盡可能減輕重量的同時,確保有效地傳輸飛行載荷,並避免任何系統運行頻率相匹配的振動模式。

我們支持 Electroflight 團隊,Ansys 提供了對電池組件進行全面結構和頻率分析的 Ansys Mechanical。進行對組件設計的各種調整,特別是設計了新的夾具來調整整個組件的剛度,避免與螺旋槳運轉頻率相匹配的共振頻率。

個別的電池單元以緊湊的背對背排列安裝在聚合物安裝板上。最初用於3D打印的框架材料在溫度升高時被發現具有降低的剛度性能。Electroflight 需要選擇具有高於電池工作溫度的玻璃轉變溫度的材料,這是一個困難的挑戰。團隊使用 Granta 根據特定要求對材料進行了篩選。使用 Ansys Mechanical 和 Granta,識別出30%玻璃纖維填充的聚碳酸酯是最佳材料。在設計階段,模擬幫助團隊應對這一困難的材料挑戰。

 

  • 最佳化保持冷卻

由於熱負載是鋰電池的主要關注點,Electroflight 的工程師們利用 Discovery 和 Fluent 來模擬電池冷卻系統,並研究完整電池組件在實際操作條件下的熱性能。團隊應用 Fluent 中專門為受限內部流動開發的對偶解法方法,以表徵電池創新冷卻系統的性能。

軟體自動探索給定設計的操作範圍,將排列改為更最佳化的形狀,引導 Electroflight 團隊找到最佳化的設計。由於對偶模擬提供了一個路徑圖,顯示了電池的哪些區域對過熱最為敏感,開發人員可以相應地集中精力。

Ansys 的解決方案幫助 Electroflight 團隊共同理解一系列複雜問題,從可持續性和可製造性到操作限制,並相應地最佳化電池設計。團隊在應對最近測試飛行里程碑所帶來的重大時間和成本壓力,模擬通過 Ansys 幫助快速有效地解決了關鍵的工程挑戰。Ansys 不僅幫助 Electroflight 在測試飛行之前驗證了電池組件的最終設計,還在途中回答了許多極為複雜的問題。

 

  • 持續飛翔

隨著全球航空航天業展望未來,顯然任何新的飛機設計必須盡可能達到碳中和。這為工程團隊帶來了一整套全新的挑戰,從材料選擇到能源生產和效率的各個方面。Granta 工具能夠支持這一可持續性努力,開發新的處理方法,以充分了解並減少專案的環境足跡。

在勞斯萊斯航空領導地位的支持下,以及 Electroflight 在電池系統方面的獨特專業知識,再加上 Ansys 提供的最佳工具, Electroflight 團隊正在成功應對這些挑戰。隨著一系列的試飛已經完成,合作夥伴對航空永續性的未來信心倍增。

資料來源:ANSYS BLOG