高超声速飞行器的关键技术有哪些

按照《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年》要求和“十一五”、“十二五”科技计划，瞄准世界学科发展前沿，根据我国装备制造业重大需求和机械传动学科领域主要涉及的科学问题，结合本实验室的研究特色和优势，确定未来实验室的重点研究方向为：机械传动设计理论与方法、高性能机电传动系统、车辆动力传动与控制、传动系统制造与测控、传动系统与装备集成技术。

1、机械传动设计理论与方法

主要开展机械传动关键基础件设计理论与方法研究，着重研究动力与运动变换新理论新方法新结构、精密传动设计理论与方法、传动件可靠性设计理论与方法、传动系统动力学和振动噪声的控制、机械摩擦学与表面工程技术、机械传动及系统多学科优化设计、微纳传动理论与技术等。

2、高性能机电传动系统

主要开展机器人、航空、航天、船舶、新能源、国防等工程领域重要装备机电传动系统的关键科技问题研究，着重研究特殊与极端环境下的高精度、高可靠、长寿命、大转矩、低能耗、小尺寸、轻量化的高性能机电传动与智能化控制系统，基于资源节约与环境友好的新型工程复合材料传动系统，高性能传动与驱动系统产业化工程技术。

3、车辆动力传动与控制

主要开展汽车、新能源汽车、工程机械、农业机械等工程领域动力传动系统的关键科技问题研究，以高效、节能、环保、自动化和智能化为主题，着重开展车辆动力传动系统、混合动力传动系统、电动传动系统、机电液复合传动系统及其关键部件的设计理论、匹配控制方法、系统效率优化等研究，以及动力传动系统试验方法研究、试验系统的研发等；同时以车辆系统动力学为基础，运用现代控制理论与方法，重点对汽车主动/半主动悬架控制、动力总成悬置系统的隔振理论与控制、汽车稳定性控制、底盘一体化控制等先进底盘控制系统理论与关键技术开展研究。

4、传动系统制造与测控

主要开展数控机床、舰船、装甲车辆、风力发电、城市轨道交通、通用机械、大型飞机压机装备等传动系统及装备的制造、测控、损伤动态监测及故障辨识方面的相关基础理论与共性关键技术研究。着重研究基于电传动（或零传动）原理的高速、高精度齿轮加工机床及功能部件、高精度数控多股螺旋弹簧加工机床创新设计制造理论与应用、零编程数控滚齿加工方法及应用、重大复杂构（零）件高效精密砂带磨削加工理论及应用、数控高效制齿机床的优化设计、制造与维护的成套技术，基于新型嵌入式传感器的智能轴承设计、加工理论及测控技术、面向机械测试的虚拟仪器理论与应用、传动系统机械量的计测与振动噪声控制、基于机器视觉的精密测量技术、现代测试技术与仪器开发及应用、强噪声环境下信号分析与故障特征提取方法、传动系统损伤动态监测与故障辨识的理论及系统集成技术等。

5、传动系统与装备集成技术

主要开展传动系统与装备集成优化设计技术和集成优化运行技术的研究；着重研究机电装备复杂工况运行中传动系统的能耗特性、信息特性等运行特性，机电装备传动系统、控制系统和工作系统的集成优化设计技术和优化运行技术，由多种机电装备所构成的多机制造系统的网络化、信息化、绿色化和集成化等优化运行技术。

文/田忠朝

大家应该见过拖拉机的单缸发动机，侧面都有一个大大的铁盘子，这个就是飞轮，可以利用高速旋转的惯性能量稳定发动机转速，获得平稳动力输出。

但如今有人想把这个大飞轮用在电动车上，当然，作用不是稳定动力输出，而是看中了它的储能特性。

有外媒报道，伦敦大学城市学院与Dynamic Boosting Systems公司合作研发了一项飞轮储能装置，即飞轮电池，可以为电动车供电。

你可以把它理解为这就是一个机械电

简单来说就是通过电动/发电互逆式双向电机，以物理的方式实现电能与飞轮机械动能之间的相互转换和储存。而我们常说的锂电池属于化学电池，将化学能与电能相互转化。

它的结构也不算复杂，典型的飞轮储能系统由飞轮本体、轴承、双向电机、电力转换器和真空室5个主要组件构成。

飞轮本体是飞轮储能系统的核心部件，作用是力求提高转子的极限角速度，减轻转子重量，最大限度地增加飞轮储能系统的储能量，多采用碳素纤维材料制作。

双向电机在储能时作为电动机运行，由外界回收能量驱动，加速飞轮旋转，此时电能转化为动能；在释能时，电机又转变为发电机，飞轮带动电机发电，向驱动电机供电，完成机械能向电能转化，在这个过程中飞轮转速会不断下降。

电力转换器是为了提高飞轮储能系统的灵活性和可控性，并将输出电能通过调频、整流或恒压等变换为满足负荷供电要求的电能。

真空室的主要作用是提供真空环境，降低飞轮旋转时的风阻损耗。

轴承的性能直接影响飞轮储能系统的可靠性、效率和寿命。飞轮储能系统多采用磁悬浮系统，减少电机转子旋转时的摩擦，降低机械损耗，提高储能效率。

听起来好像很新奇，但其实这项技术早在上世纪八十年代初就已经出现了，当时瑞士Oerlikon工程公司，成功研制出了一辆完全由飞轮驱动的公共汽车。

你可能会好奇，飞轮电池的功率有多大？

在2007年保时捷也曾研究过飞轮电池，并在2009年将这一技术用在了勒芒911 GT3 RHybrid赛车上，当时副驾驶座椅下面安装了一套飞轮储能系统，它的重量才103磅（约46.7kg）。

在全速下，飞轮的转速可以接近4,0000rpm ，16英寸直径的飞轮可以提供0.2kWh的能量。不要看它容量很小，但功率很大，它可以提供163马力（约120kW）长达6秒的功率输出，而且可以频繁的快速充放电，这为当时的911赢得了不少比赛时间。

因为正常情况下，赛车在激烈驾驶中急加速或急减速都会有极大的功率输入或输出，而大功率对化学电池寿命都有极大的损伤，据说在一场24小时的纽伯格林比赛中，电池就要更换三次。

而采用飞轮电池则无需换电池，在无需维护的情况下能够使用25年，反复充放电100万次也不会出现损耗。而且可以说它几乎没有功率限制，类似超级电容，可以快速充放电。

另外飞轮电池吸收刹车动能的效果也优于化学电池，比如一般车辆减速度只有0.3g，而飞轮电池能让赛车减速度达到1g，从而减少制动片磨损，同时还能提升25%的燃油效率。一般一场拉力赛普通车型要换2-3此刹车片，而飞轮电池车型只需更换一次。

这些减少的更换次数都可以为比赛赢得大量时间。后来在保时捷918概念车上，也出现过飞轮储能系统，可以为前桥两个电机提供2×75kW的额外动力。

可以说飞轮电池在技术上，性能指标上，安全性上，都很适合汽车使用，但为什么没有发展起来呢？

还是因为它性价比低，虽然功率大，但容量难以提升，所以不适合用于跑里程的电动车，只适合用于需要大功率的车型，例如跑车、卡车等。

事实上，考虑到飞轮储能量大，储能密度高，充电快捷，充放电次数无限，国外不少科研机构已将飞轮储能引入风力发电系统，即：风力发电机组+内燃机组+飞轮储能。

例如美国的Vista Tech Engineering，将飞轮引入到风力发电系统，实现全程调峰，飞轮机组的发电功率达到300kW，大容量储能飞轮的储能为277kW/h。

而随着复合材料、磁支撑、动发一体机和多学科优化设计技术的不断进步，飞轮储能容量或许能进一步提升，应用于汽车行业前景依然广阔。

本文来源于汽车之家车家号作者，不代表汽车之家的观点立场。

787主机身结构中复合材料的重量比例将达到空前的50%，在其他传统飞机上占到这个比例的铝合金在该机上只占20%，此外还使用了钛合金。787有61%的机身结构采用了抗疲劳、抗腐蚀材料。复合材料的采用提高了飞机的抗裂纹扩展能力，并使检查变得更容易--只要用肉眼没有发现破坏，那么就不必进行修理。复合材料的耐久性也使波音787的外场维护间隔时间达到1000小时，而它打算取代的波音767和A330分别只有500小时和700小时。不过，虽然有人认为该机在复合材料使用方面堪称"革命"（Revolutionary），787的工程领导沃尔特·吉尔勒特（Walter B. Gillette）只称之为 "进化"（Evolutionary），但"波音在复合材料技术和使用方面是业界领导者"。

吉尔勒特称，复合材料只是787的燃油消耗和每座英里成本能比现有飞机分别降低20%、10%的一个因素。该机通过巨型计算机和风洞试验进行了多学科优化设计，从而具有了无可匹敌的空气动力特性；而最先进的发动机技术、新型的航电和电气系统则使它成为一种"未来的平台"。

波音787并非针对新的市场段设计，而是瞄准替代现有的767和A330-200飞机。短程的787-3型航程3000海里（5556千米），两级客舱可载客296名；787-8标准型航程8500海里（15742千米），三级客舱可载客223名；加长型787-9航程8300海里（15372千米），三级客舱可载客259名。波音称3种型别的巡航速度都是马赫数0.85，除了747之外比现有任何客机都快。

在技术之外，波音关于如何销售飞机的认识也有了发展。除了传统的乘客舒适性、燃油效率和全寿期成本考虑之外，波音在787项目中首次考虑了金融机构的作用。在过去，波音只将运营商和其乘客分别看作直接和间接客户，也就是"客户＝运营商"，金融问题仅仅在飞机交付后考虑；而在787项目中，这个等式变成了"客户=运营商+银行"。

例如，波音公司计划在787飞机上实现尽可能高的标准化程度，而银行家们对这一想法表示了欢迎。目前，若一家运营商要从另一家租赁飞机，由于后者的飞机总有自己统一的特点，完成一次租赁就需要从银行转数额很大的帐。如果飞机是标准化的，那么银行转帐就会变得更加容易。因此波音民机集团副总裁及787项目主管迈克·拜尔（Mike Bair）称，波音的目标是在787上取消"系统包之间的巨大差异"。这在现在的飞机上是司空见惯的现象，波音民机集团的上一个大项目--波音777也不例外。不过，拜尔说787仍会考虑每家运营商的细节要求。

为了实现标准化，787还将采用翼下通用挂点，这样租赁公司就容易实现通用电气GEnx或罗·罗遄达1000两种发动机的互换。波音希望这种灵活性能对借贷方更具吸引力。此外，787还将采用无线Wi-Fi机上娱乐系统而不是有线系统，召唤乘务员按钮等标准功能的配线将采用预制长度的快拆线，座椅的椅架将采用预制尺寸的俯仰调节垫。