Panoramica del banco prova della NASA per aerei elettrici

Panoramica del banco prova della NASA per aerei elettrici

3 mag, 2017

di Rodger Dyson

Fonte: IEE Transportation Electrification Community

 

Aprile 2017. Mentre le grandi compagnie aeree competono per ridurre le emissioni, il consumo di combustibile, il rumore ed i costi di manutenzione, la prevede di spostare molti dei loro sistemi aeronautici per usare propulsione turbofan, energia pneumatica e sistemi di attuazione idraulica, impiegando trazione elettrica, generatore e azionamento elettrico. Ciò richiede nuovi pesi per il volo, nuovi componenti della catena cinematica del powertrain, tecnologie di gestione dell’alimentazione tollerante ai guasti e tecnologie di mitigazione delle interferenze elettromagnetiche. Inoltre, studi preliminari indicano una combinazione di tensioni di gestione e bus termiche ambientali e criogeniche ad alto voltaggio rispetto allo stato attuale che saranno richieste per ottenere un beneficio netto del sistema.

Sviluppare tutte queste tecnologie di propulsione in una geometria architettonica realistica di un aeromobile e in condizioni operative realistiche richiede un’unica piattaforma di prova di .

Questo rapporto descrive il piano di sviluppo per un banco prove unico, con un’architettura riconfigurabile, che l’industria ed il governo possono utilizzare per maturare ulteriormente le tecnologie di aerei elettrici. Questo banco di prova è destinato ad essere complementare ad altre funzionalità all’interno della NASA, l’industria e il mondo accademico.

Scopo della piattaforma di Test

La piattaforma elettrica dei velivoli di test della NASA (NEAT) è stata sviluppata per consentire lo sviluppo end-to-end e la sperimentazione di un vero powertrain elettrico per gli aerei. Lo scopo principale della piattaforma di prova è quello di consentire l’ambiente criogenico ad alta potenza richiesto ai sistemi di volo con il controllo del peso del sistema di alimentazione che è necessario per lo sviluppo dei componenti seguenti della Technology Readiness Level (TRL) 6:

Architettura bus ad alta tensione – isolamento e geometria; 600 a 4500 V

Inverter e raddrizzatori ad alta potenza in megawatt – commerciali e annuncio della NASA di uno sviluppo in-house (NASA Research Announcement – NRA)

Motori e generatori ad alta potenza in megawatt – commerciali e annuncio della NASA di uno sviluppo in-house (NASA Research Announcement – NRA)

Sistema di comunicazione – Aircraft Controller Area Network (CAN), Ethernet e fibra ottica

Sistema elettromagnetico di mitigazione delle interferenze (EMI) e schermatura standard; DOD-160 (RTCA, Inc., 2010) e MIL-STD-461 (Dipartimento della Difesa, 2015)

Guasto del sistema di protezione – fusibile, interruttore e limitatore di corrente

Gestione attiva/passiva del sistema termico, ambiente / criogenico e distribuito / misto

Il programma di trasporto aereo avanzato, Advanced Air Transport Technology Project, ed il sotto progetto Electric Power gas ibrido richiede questo banco di prova per soddisfare gli obiettivi di sviluppo della tecnologia del sottoprogetto per i futuri aerei elettrici a corridoio singolo. Questa facilità di prova fornirà un percorso per la piena scala di sviluppo componenti del gruppo propulsore e la dimostrazione pre volo.

Elettrico Aircraft Test Bed Capability negli Stati Uniti

Come aerei di transizione verso le architetture elettriche, richiedono una capacità banco di prova più ampia per la maturazione completa e la convalida della tecnologia. Storicamente, i turboreattori che sono stati testati in galleria del vento e controllati i componenti del motore, come compressori e turbine, sono stati testati con impianti motorizzati elettrico ad alta potenza. Con aeromobili elettrici, il flusso di potenza della trasmissione viene invertito in modo che le turbine guidano i generatori elettrici ed i motori elettrici azionano le ventole intubate. Quindi, un ulteriore sviluppo della tecnologia richiede un nuovo paradigma nel banco di prova che supporta il test di volo-peso, motori ad alta potenza ed elettronica di potenza in condizioni di volo (Jansen, 2015).

La NASA ha investito in tre capacità di test: il sistema Testbed elettrico ibrido integrato (HEIST) (Clarke, 2014), la propulsione elettrica Grid Simulator (PEGS) (Choi, 2014), e il Creek Road criogenico (CRC) facilità di prova 1 MW per corridoio singolo componente in aeromobili a lungo raggio a gas propulsione elettrica ibrida gas e sistemi di ricerca. Queste strutture NASA completano le capacità industriali con dinamica superiore TRL volo / integrazione aerodinamica, gestione dinamica rete elettrica e collaudo di componenti inferiore TRL superconduttore.

Più di recente, la NASA ha iniziato a sviluppare tecnologie pulite per permettere negli aerei su vasta scala a corridoio singolo, l’ambiente e la ricerca criogenica del powertrain e lo sviluppo in un ambiente di sistema aereo elettrico per la dimostrazione della tecnologia a TRL 6. Sarà utilizzato per le prove a piena scala a terra dei propulsori elettrici degli aerei prima dell’integrazione con il test di volo aerodinamico della NASA Armstrong Flight Research Center per grandi configurazioni di aeromobili.

NEAT riempie la nicchia di un banco di prova ad alta potenza, su larga scala, dei componenti del gruppo propulsore volo peso e sviluppo del sistema. Il TRL dell’intero sistema aereo elettrico viene costantemente avanzando in collaborazione con ciascuna di queste strutture che iniziano lo sviluppo di componenti in scala e termina con un aereo dimostrativo in scala 1:1 a corridoio unico gas ibrido elettrici. L’Air Force Research Laboratory così come gli sviluppatori degli aerei di linea e del motore hanno anche delle capacità notevoli e l’autore si aspetta la richiesta di un ampio test in tutta la nazione per valutare la tecnologia ibrida gas elettrica.

Inoltre, è importante notare che questo banco di prova è la chiave per capire come effettivamente i singoli componenti hardware di ricerca contribuiscono al beneficio netto delle prestazioni complessive del velivolo. Ad esempio, un motore criogenico situato accanto ad un invertitore ambiente potrebbe subire perdite termiche non identificate dai test del solo motore, o un alto tasso di commutazione dell’inverter dV / dt Pulse Width Modulation (PWM) potrebbe danneggiare un motore a bassa impedenza. Queste interazioni di sistema possono essere testate solo in un ambiente NEAT che offre su larga scala test di sistema powertrain sotto controllo degli scenari.

I passi dello sviluppo per l’Advanced Powertrain Technology

Gli obiettivi scientifici per lo sviluppo di questo banco di prova possono essere riassunti trovando un modo per costruire un singolo aeromobile con propulsore elettrico isolato che fornisce un significativo vantaggio economico rispetto ai sistemi standard di propulsione turbofan attualmente in uso.

Inizialmente, l’obiettivo è quello di dimostrare che la complessità del sistema di propulsione è gestibile e sicuro da usare con i migliori componenti disponibili in commercio. Successivamente, con le prestazioni e il controllo del sistema di propulsione commerciale-off-the-shelf (COTS) dimostrato negli scenari di simulazione di volo, i singoli componenti commerciali saranno sostituiti con hardware di ricerca ambient volo-peso. Infine, l’hardware criogenico più avanzato sarà incorporato e testato appena sarà disponibile. Questo piano di costante progresso scientifico riduce al minimo il rischio di sviluppo e fornisce il più rapido ritorno sugli investimenti.

Phased Powertrain Development

Prevediamo di costruire il banco di prova a passi di complessità crescente lungo tre aree principali: il numero di componenti, la temperatura ed il livello di potenza. Inizialmente il nostro livello di conteggio e di potenza componenti sarà al minimo e la temperatura viene mantenuta a temperatura ambiente. Il numero di componenti aumenta quando si aggiungono più ventole al motore di spinta o centraline guasto avanzate. Quanto più propulsori vengono aggiunti o ingranditi, il livello di potenza complessivo può essere aumentato a 24 MW utilizzando la sottostazione esistente 6-MW NEAT con carico rigenerativo.

Il quadro rappresentativo del piano di sviluppo NEAT viene fornito di seguito. Esso è diviso in quattro fasi:

(1) Il test dello State-of-the-art (Anni fiscali FY16 al FY17)

(2) Test di ricerca hardware in ambiente Full-aereo-bus (FY18 a FY19)

(3) Ricerca test hardware raffreddato criogenicamente (FY20 a FY21)

(4) Test di ricerca hardware della gestione termica integrata (FY21 a FY22)

Fase 1: State-of-the-Art test (FY16 a FY17)

Durante questa fase, lo state-of-the-art dei componenti del sistema di propulsione (commercialmente disponibili) saranno utilizzati per simulare un aeromobile alimentato elettricamente. Questo dimostrerà che l’impianto e l’hardware di prova sono integrati con successo e consentirà l’uso di componenti più avanzati del sistema di alimentazione da utilizzare nella fase successiva.

Fase 2: test hardware in ambiente di ricerca (FY18 a FY19)

Quando i nuovi hardware effettuano attività di ricerca superiore sono sviluppate in house sotto NRA, Small Business Innovation Research (SBIR), e gli sforzi in-house, come il motore/generatore di classe megawatt ed il raddrizzatore / invertitore, le nuove tecnologie saranno inserite nel banco di prova esistente. Esse saranno gestite a temperatura e pressione standard, ma fornirà l’alta efficienza e la massa totale inferiore che è richiesta per il miglioramento dei sistemi di propulsione per gli aerei elettrici.

Fase 3: Cryogenically Cooled Research Hardware Testing (FY20 to FY21)

Di seguito, la più alta tecnologia di ricarica utilizzando componenti criogenicamente raffreddati verrà introdotta nel banco di prova. Inizialmente, questa tecnologia sarà raffreddata usando idrogeno liquido o gas naturale liquido; successivamente, raffreddatori criogenici possono sollevare calore all’azoto liquido.

Phase 4: Test di ricerca sulla gestione termina dell’Hardware del Powertrain (FY21 a FY22)

Infine, il pacchetto propulsore completo comprenderà uno sviluppo della gestione termica a livello di sistema in grado di assicurare temperature criogeniche ad alcuni o tutti i componenti.

Future Growth

Tutte le fasi di test della gestione termica saranno importanti per mantenere l’apparecchiatura esente da surriscaldamento, e nel caso dei componenti criogenici, per mantenere i sottocomponenti operanti nella loro area di superconduttori, che varia tra 20 e 65 K a seconda di quali materiali vengono impiegati nei superconduttori.

NEAT è in grado di supportare un futuro sforzo di gestione termica che include combustibili criogenici e/o liquidi di raffreddamento criogenici per impiego spaziale. Inoltre, NEAT ha spazio per l’espansione delle configurazioni economiche in aeromobili più grandi con sistemi più potenti quando il progetto matura. Ad esempio, un aereo a corridoio unico richiede circa 20 MW per la propulsione elettrica. Inoltre, possono esistere opportunità di sinergie di costi e tempi a livello industriale ed accademico, come ad esempio:

Prove di un motore da 1 MW criogenico

Verifica delle prestazioni del propulsore quando comandato con strategie di controllo volo sviluppate ad Armstrong:

-A 6 gradi la simulazione di volo hardware-in-the-loop libero fornirà carichi dinamici precisi ed esercizi hardware e della gestione dell’energia in un ampio spettro di algoritmi di profili di volo.

- Nuovo e unico algoritmo di controllo del volo ottimizzeranno il percorso di consumo di energia di volo. Prova di un generatore turboelectric a livello di megawatt nelle celle prova motori acustiche rivestite che sono posizionate vicino al banco di prova:

-Unica autorità di controllo digitale completo dei motori (FADEC) con algoritmi di turbogeneration che potrebbero essere sviluppati.

- Accoppiamento elettromeccanico tra sistema a flusso termodinamico, sistemi meccanici e sistemi elettrici possono essere investigati.

Prova di altri componenti elettrici in commercio

Supporto dei futuri sforzi di NRA e SBIR

Verifica dello sviluppo della gestione commerciale in approccio con partners accademici

Definizione e sperimentazione degli standard della Federal Aviation Administration EMI

Offertà un’opportunità per attrezzature fornitori diversi da integrare in un unico sistema

Conclusioni

Il banco prove NASA dei velivoli elettrici è un fattore chiave di sviluppo del powertrain adatto al rapporto volo-peso. La sua elevata potenza, la posizione remota, l’ingombro di grandi dimensioni, l’atmosfera condizionata, le infrastrutture criogeniche e l’estensibilità fanno un banco di prova unico per lo sviluppo in scala reale dei powertrain degli aeromobili. Non solo affronta e compie un ruolo non attualmente disponibile con gli impianti di prova esistenti, ma se usato in combinazione con altri Governi, partner industriali e strutture accademiche, fornisce un importante passo successivo nel percorso verso l’elettrificazione dei futuri aerei a corridoio singolo.

In English

Overview

By Rodger Dyson

Source: IEE Transportation Electrification Community

April 2017. As large airline companies compete to reduce emissions, fuel burn, noise and maintenance costs, NASA expects more of their aircraft systems will shift from using turbofan propulsion, pneumatic bleed power and hydraulic actuation—to using electrical motor propulsion, generator power and electrical actuation.

This requires new flight-weight and flight-efficient powertrain components, fault-tolerant power management, and electromagnetic interference mitigation technologies. Moreover, initial studies indicate some combination of ambient and cryogenic thermal management and bus voltages that are high in comparison to the state of practice will be required to achieve a net system benefit.

Developing all of these powertrain technologies within a realistic aircraft architectural geometry and under realistic operational conditions requires a unique electric aircraft test bed. This report details the development plan for a unique test bed, with a reconfigurable architecture, that industry and Government can utilize to further mature electric aircraft technologies. This test bed is intended to be complementary to other capabilities within NASA, industry and academia.

Purpose of the Test Bed

NASA’s Electric Aircraft Test bed (NEAT) is being developed to enable end-to-end development and testing of a full-scale electric aircraft powertrain. The primary purpose of the test bed is to enable the high-power ambient and cryogenic flight-weight power system testing that is required for the development of the following components to Technology Readiness Level (TRL) 6:

High-voltage bus architecture—Insulation and geometry; 600 to 4500 V

High-power megawatt inverters and rectifiers—Commercial, in-house and NASA Research Announcement (NRA) development

High-power megawatt motors and generators—Commercial, in-house and NRA development

System communication—Aircraft Controller Area Network (CAN), Ethernet and fiber optics

System electromagnetic interference (EMI) mitigation and standards—Shielding; DOD–160 (RTCA, Inc., 2010) and MIL–STD–461 (Department of Defense, 2015)

System fault protection—Fuse, circuit breaker and current limiter

System thermal management—Active/passive, ambient/cryogenic and distributed/mixed

The Advanced Air Vehicle Program, Advanced Air Transport Technology Project, Hybrid Gas-Electric Power Subproject requires this test bed to meet the subproject’s technology development goals for future single-aisle electric aircraft. This test facility will provide a path for full-scale powertrain component development and demonstration prior to flight.

Electric Aircraft Test Bed Capability in the United States

As aircraft transition to more-electric architectures, they require a broader test bed capability for full technology maturation and validation. Historically, turbofan engines that have been tested in altitude-controlled wind tunnels and engine components, such as compressors and turbines, have been tested with high-power electric-motor-driven rigs. With electric aircraft, the drivetrain power flow is reversed so that the turbines drive the electric generators and the electric motors drive the ducted fans. Hence, further technology development requires a new test bed paradigm that supports the testing of flight-weight, high-power motors and power electronics under flight conditions (Jansen, 2015).

NASA has invested in three testing capabilities:  the Hybrid Electric Integrated System Testbed (HEIST) (Clarke, 2014), the Propulsion Electric Grid Simulator (PEGS) (Choi, 2014), and the 1-MW Creek Road Cryogenic (CRC) test facility for longer-term single-aisle hybrid gas electric propulsion aircraft component and systems research. These NASA facilities complement the industrial capabilities with higher TRL flight dynamics/aerodynamics integration, dynamic electric grid management and lower TRL superconducting component testing.

Most recently, NASA began to develop NEAT to enable full-scale single-aisle aircraft, ambient and cryogenic powertrain research and development in an electric aircraft system environment for technology demonstration at TRL 6. It will be used for full-scale ground testing of electric aircraft powertrains prior to integration with full-scale aerodynamic flight testing at the NASA Armstrong Flight Research Center for large aircraft configurations.

NEAT fills the niche of a high-power, large-scale, flight-weight powertrain component and system development test bed. The TRL of the entire electric aircraft system is being steadily advanced in collaboration with each of these facilities beginning with scaled component development and ending with a full-scale single-aisle hybrid gas electric aircraft demonstrator. The Air Force Research Laboratory as well as  airliner and engine developers have significant capabilities as well, and the author expects that broad testing will be required across the nation’s full suite of test beds in order to mature hybrid electric aircraft technologies.

Furthermore, it is important to note that this testbed is the key to understanding how actual individual research hardware components contribute to the net performance benefit of the overall aircraft. For example, a cryogenic motor located next to an ambient inverter could suffer thermal losses not identified from motor testing alone, or a high dV/dt pulse-width-modulation (PWM) switching rate in the inverter could damage a low-impedance motor. These system interactions can only be tested in a NEAT-like environment that offers full-scale powertrain system testing under controlled flight scenarios.

Development Steps for Advancing Powertrain Technology

The scientific goals for developing this test bed may be summarized as finding a way to construct a single-aisle aircraft electric powertrain that provides a significant economic benefit relative to the standard turbofan propulsion systems currently in use.  Initially, the goal is to demonstrate the full complexity of the powertrain system is manageable and safe to use with the best commercially available components. Next, with the performance and control of the powertrain commercial-off-the-shelf (COTS) system demonstrated under simulated flight scenarios, the individual commercial components will be replaced with ambient flight-weight research hardware. Finally, the most advanced cryogenic hardware will be incorporated and tested as it becomes available. This plan of steady scientific progress minimizes development risk and provides the fastest return on investment.

Phased Powertrain Development

We plan to build up the test bed in steps of increasing complexity along three key areas: component count, operating temperature and power level. Initially our component count and power level will be at a minimum and the temperature will be maintained at ambient. The component count will increase as more thrust motor fans or advanced fault control units are added.  As more propulsors are added or enhanced, the overall power level may be increased to 24 MW by utilizing the existing 6-MW substation at NEAT with load regeneration.

A representative outlook of NEAT’s development plan is provided below. It is divided into four phases:

(1) State-of-the-art testing (fiscal years FY16 to FY17)

(2) Full-aircraft-bus ambient research hardware testing (FY18 to FY19)

(3) Cryogenically cooled research hardware testing (FY20 to FY21)

(4) Integrated-thermal-management research hardware testing (FY21 to FY22)

Phase 1: State-of-the-Art Testing (FY16 to FY17)

During this phase, state-of-the-art (commercially available) power system components will be used to simulate an electrically powered aircraft. This will demonstrate the facility and test hardware are successfully integrated and will enable the use of more advanced power system components to be used in the next phase.

Phase 2: Ambient Research Hardware Testing (FY18 to FY19)

As new higher performing research hardware is developed under NRA, Small Business Innovation Research (SBIR), and in-house efforts such as the megawatt-class motor/generator and rectifier/inverter, the new technologies will be inserted into the existing test bed. They will be operated at standard temperature and pressure but will provide the high efficiency and less total mass that is required for improved electric aircraft propulsion systems.

Phase 3: Cryogenically Cooled Research Hardware Testing (FY20 to FY21)

Next, the highest payoff technology utilizing cryogenically cooled components will be introduced into the test bed. Initially, this technology will be cooled using liquid hydrogen or liquid natural gas; later, cryocoolers may lift heat to liquid nitrogen.

Phase 4: Powertrain Thermal Management Research Hardware Testing (FY21 to FY22)

Finally, the complete powertrain package will include a system-level thermal management development capable of providing cryogenic temperatures to some or all of the components.

Future Growth

In all phases of testing, thermal management will be important to keep the equipment from over-heating, and in the case of cryogenic components, to keep the subcomponents operating in their super-conducting range, which will vary between 20 and 65 K depending on which superconducting materials are employed. NEAT can support a future thermal management effort that includes cryogenic fuels and/or cryocoolers. In addition, NEAT has room for expansion with low-cost econfigurations into larger aircraft with higher power systems as the project matures. For example, a full-sized single-aisle aircraft will require about 20 MW for electric propulsion. In addition, opportunities for cost and schedule synergy may exist with cross-center, industry and academia, such as:

Testing a 1-MW cryogenic motor

Verifying powertrain performance when commanded with flight control strategies developed at Armstrong:

-A 6-degree-of-freedom hardware-in-the-loop flight simulation will provide accurate dynamic loads and exercise hardware and energy management across a broad-spectrum of flight profiles.

-New and unique flight control algorithms will optimize flight-path energy consumption.

Testing a turboelectric generator at the megawatt level in the acoustic-lined engine test cells that are positioned near the test bed:

-Unique full authority digital engine control (FADEC) turbogeneration algorithms could be developed.

-Electromechanical coupling between thermodynamic flow system, mechanical systems and electric systems could be investigated.

Testing commercial more electric components

Supporting future NRA and SBIR efforts

Verifying fault-management approaches developed with academic partners

Defining and testing Federal Aviation Administration EMI standards

Providing an opportunity for different vendor equipment to be integrated into one system

Conclusions

The NASA Electric Aircraft Test bed is a key enabler of flight-weight powertrain development. Its high power, remote location, large footprint, conditioned atmosphere, cryogenic infrastructure and extensibility make it a unique test bed for full-scale aircraft powertrain development. Not only does it address and fill a role not currently available with existing test facilities, but when used in conjunction with other Government, industrial and academic facilities, it provides an important next step in the path toward the electrification of future single-aisle aircraft

 

References

Armstrong, Michael, 2015: Superconducting Turboelectric Distributed Aircraft Propulsion. Presented at the Cryogenic Engineering Conference/International Cryogenic Materials Conference, Tucson, AZ.

Choi, Benjamin, et al., 2014: Propulsion Electric Grid Simulator (PEGS) for Future Turboelectric Distributed Propulsion Aircraft. GRC–E–DAA–TN16241.

Clarke, Sean, et al., 2014: Enabling Electric Propulsion for Flight—Hybrid Electric Aircraft Research at AFRC. AFRC–E–DAA–TN15761.

Department of Defense, 2015: Department of Defense Interface Standard: Requirements for the Control of Electromagnetic Interference Characteristics of Subsystems and Equipment. MIL–STD–461G.

Jansen, Ralph, et al., 2015: Turboelectric Aircraft Drive Key Performance Parameters and Functional Requirements. AIAA 2015–3890.

RTCA, Inc., 2010: Environmental Conditions and Test Procedures for Airborne Equipment, DOE–160G.

Author:

Dr. Rodger Dyson currently serves as the Hybrid Gas Electric Propulsion Technical Lead and is the element lead for the NASA Electric Aircraft Testbed (NEAT).  He also recently served as Chief Technology Officer and Vice President of Technology at Nirvana Energy Systems, a venture backed Startup Company that is commercializing his patented alpha-STREAM thermal energy conversion technology and he has recently commercialized engine technology for the emerging Unmanned Aerial Vehicle (UAV) market sector.

He graduated in 1990 from Hiram College majoring in physics, computer science, and mathematics. He later completed his Doctorate at Case Western Reserve University. His special fields of interest include thermal energy conversion, machines, and power electronics for aircraft and planetary exploration.

Over his 27 year tenure at NASA he has published in the fields of high performance computing, aero-acoustics, hybrid electric propulsion, and space/terrestrial power systems. He has three issued and licensed patents and four patent applications. He was also recently featured in Wired.Com magazine, Wall Street Journal, Aviation Week, and the BBC Radio 4 Today Program for the development of a unique Venus test chamber, Glenn’s Extreme Environment Rig (GEER), NASA Electric Aircraft Testbed, and for a Stirling power system concept capable of surviving on the Venus surface for over a year. He was also admitted to the Graduate Faculty at Cleveland State University, has served on Glenn’s Faculty Fellowship Committee, and is currently representing Glenn as the Hybrid Electric Technical Area Team lead for the Propulsion and Power Systems Alliance.

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TAGS: aerei elettrici nasa NASA Electric Aircraft Testbed (NEAT) roger dyson

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