為國產(chǎn)大飛機裝上“金色動力”

當(dāng)你在萬米高空中，置身機艙，開著閱讀燈，享受機上餐飲，看著窗外機翼一閃一閃的燈光……有沒有想過，所有這些設(shè)備是靠什么動力運轉(zhuǎn)的呢？

答案就是電。一架飛機的正常運轉(zhuǎn)，是不可能離開電能的。作為飛機電力系統(tǒng)的“心臟”，發(fā)電機被賦予極為重要的責(zé)任。如何在不改變重量和大小的前提下，讓發(fā)電機運轉(zhuǎn)得更快，輸出功率更高，是一項世界難題。

令人振奮的是，寧波諾丁漢大學(xué)（以下簡稱“寧諾”）智能電氣化研究中心首席研究員張何與其團隊經(jīng)過艱難探索后，在該領(lǐng)域取得了突破，由他們研發(fā)的新型航空起動發(fā)電機系統(tǒng)將額度功率提高至250kw，同時速度達(dá)3萬轉(zhuǎn)每分鐘，現(xiàn)已在中國商用飛機有限公司（以下簡稱“中國商飛”）寬體大飛機項目中成功應(yīng)用。

2014年，英國諾丁漢大學(xué)博士后張何選擇回國工作。在寧波諾丁漢大學(xué)，他先后完成多個交通運輸領(lǐng)域的電機驅(qū)動項目，還從零開始推動電力電子和電機驅(qū)動控制研究組的建設(shè)，成為寧諾最年輕的首席研究員。

為國產(chǎn)大飛機核心供電提供技術(shù)保障 

“飛機機翼下方一般可以看到兩個圓筒型的裝置，大家都知道，那是飛機的發(fā)動機。拆開發(fā)動機外層防護罩，會看到發(fā)動機機身遍布密密麻麻的管線，這里就藏著負(fù)責(zé)飛機上所有電力供應(yīng)的發(fā)電機。”張何說，他們做的研究就是在保證發(fā)電機可靠性的前提下，讓它釋放出最大的能量。

張何介紹，目前全球都在新型航空發(fā)電機領(lǐng)域開展科研攻關(guān)，作為客機隊伍中的“新兵”，波音787和空客380等多電飛機的電力化程度大幅提高。不過，這些飛機采用的多數(shù)是歐美國家研發(fā)制造的三級式變頻交流發(fā)電機，存在功率密度低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點。

如何解決這些缺點呢？張何團隊提出了一個大膽的設(shè)想——以結(jié)構(gòu)簡單、損耗小的永磁代替電勵磁，進一步提升電機的功率密度。然而，該提議一經(jīng)提出就受到了質(zhì)疑。永磁不需要外界能量即可維持磁場，這使得從外部調(diào)節(jié)、控制磁場極為困難。一旦飛機發(fā)電機發(fā)生短路等故障，后果不堪設(shè)想。

張何帶領(lǐng)團隊花了5年時間，通過改變電機參數(shù)設(shè)計和特殊繞組結(jié)構(gòu)等方式破解了諸多尖端科技難題，如高速永磁設(shè)計和研制、高效率熱導(dǎo)路徑管理、三電平功率變換器等，使得航空起動發(fā)電機系統(tǒng)運行穩(wěn)定在現(xiàn)有技術(shù)的極限邊界。據(jù)悉，這架發(fā)電機的體型僅有普通水桶大小，重量不超過一般成年男性體重。但它的轉(zhuǎn)速卻達(dá)到每分鐘3萬轉(zhuǎn)，最大輸出功率和功率密度較全球最新技術(shù)提升了20%以上。

中國商飛系統(tǒng)工程副總工程師、北研中心多電綜合研究部負(fù)責(zé)人康元麗將這架周身金色的電機稱為“金色動力”。她說：“張何博士帶領(lǐng)的團隊研發(fā)的成果是目前世界上商用飛機唯一的大功率直流起發(fā)系統(tǒng)，為新一代國產(chǎn)大飛機提供了核心供電系統(tǒng)的技術(shù)保障?！?/p>

致力于將實驗室開發(fā)技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)

諸多成績的背后，離不開張何堅定的人生選擇。2014年，已在英國待了整整12年的張何選擇回國。當(dāng)時他已是英國諾丁漢大學(xué)核心實驗室的主要研究人員，參與了多個研發(fā)項目，包括英國水務(wù)系統(tǒng)的電氣化改造項目、歐盟的“清潔天空”計劃等。生活方面，他與在實驗室并肩作戰(zhàn)的一位女同事組成了家庭，并在當(dāng)?shù)囟ň印?/p>

之所以選擇回國，源自2013年張何被邀請作為核心專家組成員研討國產(chǎn)大飛機發(fā)電機的研究方向。這次研討讓張何很受觸動。從學(xué)士、碩士、博士、博士后到博導(dǎo)，從研究員、高級研究員到首席研究員，他的研究始終深耕在電機領(lǐng)域?！斑@讓我有一種使命感，要為中國制造、國之重器貢獻(xiàn)一份自己的力量。”

“雖然留在英國，會有相對完善的條件和平穩(wěn)的生活。但對我來說，回國意味著無限的可能和沒有邊界的發(fā)展空間。我可以建立實驗室做出一些成果，探索一些新的科研方向。事實證明，回國這個選擇是對的?！?/p>

這幾年，張何和他的團隊將研究集中在開發(fā)先進的電機驅(qū)動系統(tǒng)，以滿足未來更環(huán)保的運輸需求，包括開發(fā)用于電動汽車的高功率密度機器、用于航空航天工業(yè)的電機驅(qū)動裝置和用于先進制造業(yè)的高性能機械臂等。這些技術(shù)既服務(wù)地方也走向世界。

2017年，張何和他的團隊與寧波永磁材料企業(yè)以及荷蘭的公司一起成功研發(fā)了高效、高功率密度的運河船舶電推系統(tǒng)和大型船舶船首側(cè)推器的電驅(qū)動系統(tǒng)，用于船舶電氣化改造。寧諾負(fù)責(zé)設(shè)計研發(fā)，寧波企業(yè)負(fù)責(zé)主要配件和電機驅(qū)動產(chǎn)品生產(chǎn)，荷蘭公司負(fù)責(zé)市場推廣，三方合作下，產(chǎn)品已經(jīng)成功應(yīng)用在荷蘭的船舶上，實現(xiàn)了阿姆斯特丹運河的全電動零排放，同時幫助寧波企業(yè)實現(xiàn)了對下游產(chǎn)業(yè)鏈的整合和產(chǎn)業(yè)升級。

說起這些研究成果的產(chǎn)業(yè)化，張何不無驕傲，“我非常關(guān)心研究成果的產(chǎn)業(yè)化運用，我希望我的研究不僅是實驗室里的模型，而是經(jīng)得起一次次測試，能夠在實際場景中驗證可行性并最終得到應(yīng)用?！?/p>

期待培育出更多高精尖中國工程師

張何的研究理念也影響了他的多位博士生。已經(jīng)畢業(yè)的施博聞目前正在研發(fā)航空級別的專業(yè)設(shè)備“大載重?zé)o人機電驅(qū)動系統(tǒng)”，并嘗試產(chǎn)業(yè)落地。

施博聞記得，在實驗最緊張的時候，他們經(jīng)常連續(xù)工作十幾個小時，吹著螺旋槳的風(fēng)，一遍遍地調(diào)試參數(shù)。導(dǎo)師張何幾乎從未缺席，和大家一起忍受著大風(fēng)和噪音。“所有人都希望把事情做到100%，只要電機最后能夠擁有最佳性能，對我們來說，其他真的不算什么。”

張何說，2014年當(dāng)他剛來寧諾時，既沒有學(xué)生，也沒有設(shè)備，完全是從零開始。近年來他欣喜地看到越來越多的年輕人加入到這項事業(yè)中來?！艾F(xiàn)在，我們這里有人、有設(shè)備、有機會，年輕人完全可以做出比肩甚至領(lǐng)先世界一流水平的科研成果。”

2017年底，諾丁漢（余姚）智能電氣化研究院成立，翌年5月正式啟動，張何擔(dān)任首席研究員。這個平臺迅速聚攏了一個強大的團隊。目前有來自世界各地的30余名學(xué)者、研究人員和博士生在這里開展尖端電力電子與電機驅(qū)動研究，并與產(chǎn)業(yè)界和工業(yè)界進行了密切合作。

張何期待著能夠借助研究院這個平臺培養(yǎng)更多年輕有熱情的電氣工程師?！叭蚍秶鷥?nèi)都在關(guān)注如何減少碳排放，提高各類交通工具的運行效率。發(fā)展最先進的電機驅(qū)動系統(tǒng)以推動綠色交通的發(fā)展和實踐是解決這些問題的重要方法之一。我希望，我們既能夠做出高性能的、世界領(lǐng)先的電機驅(qū)動器，也能夠?qū)⒀芯砍晒a(chǎn)業(yè)化，通過技術(shù)革新真正地為人類和社會作出一點點改變和貢獻(xiàn)?！保ㄗ髡咛K鈞天，系寧波諾丁漢大學(xué)新聞中心記者）

來源：神州學(xué)人（2020年第6期）