可持续性 | 仿真解决方案助力推动未来航空发展

本文原刊登于Ansys Blog：《Overcoming Engineering Challenges in the Pursuit of Sustainable Propulsion》

作者：Mike Slack | Ansys高级技术客户经理

在未来几十年中，商业航空业将致力于追求更具可持续性的推进系统。但是，当该行业力图定义和开发这些新设计时，他们必须攻克各种严峻的工程挑战。为此，他们必须依靠工程解决方案来简化设计流程，提高产品性能并减少成本高昂的开发延迟。

最初，商业航空公司通过从传统内燃机过渡到电动推进系统，来探索提高飞机可持续性的可能性。然而，现有电池技术的局限性使这种转型很难在短期内实现。鉴于此，该行业正在采取分段式方法进行推进系统的开发。这种方法将使他们能够在短期内，以混合电动系统的形式实现可持续性的实质性改进，同时追求更节能的电动和氢基系统。此外，这种多轨道、多时间线方法还使航空公司能够锐意创新，并探索产品的其他应用和市场。

在追求这些突破性技术时，航空工程师还必须应对多学科系统设计流程所带来的众多技术挑战。本篇博客将重点介绍这些挑战，并探索数字工程解决方案如何在您解决挑战的过程中助您一臂之力。

每种复杂产品都有其自身的工程挑战，而新型飞机推进系统更甚，因为其不仅极为复杂，而且依赖于尚未成熟的技术。这意味着工程挑战将需要多学科解决方案和权衡，并且必须将系统作为整体进行评估。其中一些挑战包括：

• 电动传动系统和系统集成。工程师必须定义具有集成嵌入式控制的最佳系统架构。此外，他们还必须为热管理和电源管理开发广泛的需求，并确保系统设计具有固有的安全性。

• 电机设计。定义和设计新的推进系统需要工程师进行权衡，以满足相互竞争的要求，同时优化系统的安全性和效率。对于大型客机而言，功能足够强大的设计可能会产生热管理问题，进而需要更强大的冷却系统，这意味着需要增加飞机的重量，因而可能影响其航程。在寻求切实可行的系统时，工程师必须谨慎地对这些因素并进行权衡。

• 能源储存和分配。电动推进系统和氢基系统存在的问题有所不同。带有电池的电动系统必须要存储和释放电能，而且不应过度影响系统的电源管理控制。氢基系统最可能由液态氢提供燃料，这些液态氢必须在-250℃的温度下进行存储，而且要安全地通过系统流向燃料电池，并在那里转化为电能。

• 电力电子和控制设计。工程师必须确保新型推进系统能够针对不同的负载条件管理其电力电子设备，同时确保大功率性能。根据条件和负载的自适应控制软硬件必不可少，它们需要能够适应高频开关并符合认证标准的要求。设计团队必须在飞行周期的任何阶段，防止机载组件受到电磁干扰。

电动传动系统和系统集成：Ansys解决方案使工程师能够对其设计和性能进行建模和仿真，以便优化系统架构并满足不同的系统需求

传统的产品开发工具通常依赖于互不关联的电子表格、文档和电子邮件信息，尽管在过去的几十年里，这些工具能够在企业更新和迭代现有的推进系统时足够满足其需求。但开发全新的推进系统需要一种全新的方法。无论航空公司在追求更具可持续性的飞行之旅中面临什么样的工程难题，数字工程解决方案都可为他们解决这些难题提供途径。 

电力电子和控制设计：Ansys工具的仿真功能允许工程师分析推进系统在各种电源周期中的性能，以确保其热效应和电磁效应不会引发安全性问题

这些更高级的解决方案可以在早期开发阶段为工程团队提供关于设计性能的更深入洞察，从而使他们能够更快地迭代和创新。这些洞察使工程师能够在优化系统架构、选择有效材料和进行工程权衡时，做出更明智的决策。因此，他们既可以减少设计错误，又可以减少为建立可行性设计而必须构建和测试的原型数量。这有助于缩短设计周期，降低成本，并最终生产出更出色的产品。

Ansys解决方案为航空公司提供所需的功能，以帮助其充分应对可持续推进系统设计固有的工程挑战。通过利用这些解决方案，工程师可以从最早期的开发阶段就对系统行为进行建模和分析，并快速做出调整，以确保最佳性能，从而捕获设计原理并使其具有随着产品生命周期而发展的可追溯性。得益于这些解决方案，设计团队能够尽早确定系统的功能性和安全性要求，这意味着他们可以通过设计或控制软件解决潜在故障，并使设计更快地通过认证。

与此同时，工程师还可以利用Ansys解决方案的电机模板，为独特设计的开发提供现成可用的起始点。此外，他们还可以利用集成型仿真工作流程解决方案功能进行跨学科分析，并确保所有子系统在其所有所需的操作配置中进行安全有效地交互。

Ansys正在调整其数字工程解决方案，以便工程师能够将其集成到航空公司努力减少行业环境足迹的转型过程中。但是，无论他们是在改进燃料电池设计、仿真电池的热性能，还是优化和集成复杂的系统架构，与传统方法相比，这些解决方案都可以帮助他们更高效、更快速且更低成本地实现上述目标。

毋庸置疑，可持续性正在推动商业航空的未来。在实现这一美好未来的过程中，哪些公司将发挥最大作用还未成定局。这对于该行业和环境而言，相关风险都相当高。

如果能够快速定义和开发新型高度复杂的推进系统，并在竞争中提前将高质量产品推向市场，此类航空公司将在实现净零目标的竞争中占据巨大优势。Ansys可为这些公司提供许多工具，并集成到所需的数字框架中，以帮助其克服这些产品所带来的复杂工程挑战，并在这场竞争中占据领先地位。