未來新概念直升機(jī)－電動(dòng)直升機(jī)

于 琦

(中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

眾所周知，用石油加工的可燃產(chǎn)品，無論是汽油、煤油或柴油都是目前全球通用的主要燃料。99%的地面運(yùn)輸工具采用這些燃料，在航空領(lǐng)域，99%的飛行器也采用石油加工的產(chǎn)品作為燃料。隨著燃料需求的與日俱增，石油儲(chǔ)量在不斷減少，所以石油產(chǎn)品的價(jià)格也不斷攀高。因此，世界各國都在探索采用新能源，并真正體現(xiàn)環(huán)保的理念。

研制電動(dòng)直升機(jī)并非突發(fā)奇想，人們在很久以前就提出了這種構(gòu)想。但是，由于蓄電池的重量問題，到目前為止這種設(shè)想還沒有真正成為現(xiàn)實(shí)。隨著動(dòng)力技術(shù)的不斷發(fā)展，蓄電池變得越來越輕，蓄電量也越來越大。

電動(dòng)直升機(jī)面臨的主要技術(shù)問題是電動(dòng)力系統(tǒng)的重量偏大?？朔灾剡^高的主要措施是:減少有效載荷、航程、續(xù)航時(shí)間和降低速度，降低直升機(jī)自身飛行需要的功率，采用大升阻比氣動(dòng)外形。

圖1 電動(dòng)直升機(jī)示意圖

1 電動(dòng)直升機(jī)的主要研究方向

電動(dòng)直升機(jī)最突出的優(yōu)點(diǎn)是環(huán)保、低污染、低噪聲、低振動(dòng)。與現(xiàn)有直升機(jī)相比，可實(shí)現(xiàn)零排放，噪聲和振動(dòng)水平顯著降低，具有極好的舒適性。電動(dòng)直升機(jī)的電動(dòng)力系統(tǒng)最關(guān)鍵的是電能存儲(chǔ)及生成系統(tǒng)，包括鋰離子電池、燃料電池和太陽能電池等［1］。

電機(jī)具有效率高、環(huán)保性好等突出優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又無需減速齒輪箱系統(tǒng)，大大降低了重量和機(jī)械復(fù)雜性。電機(jī)還具有結(jié)構(gòu)簡單、零件數(shù)量少、使用溫度低、冷卻簡單、可靠性高、維修性好等特點(diǎn)。

鋰離子電池是20世紀(jì)90年代初出現(xiàn)的新型高能電池，主要優(yōu)點(diǎn)是:能量高、綠色環(huán)保、無污染、使用壽命長、額定電壓高、循環(huán)壽命高、高低溫適應(yīng)性強(qiáng)和可快速充電等，因此成為電動(dòng)直升機(jī)的理想儲(chǔ)能系統(tǒng)。

未來電動(dòng)直升機(jī)的主要研制方向如下［2］:

1)電傳飛控系統(tǒng);

2)可收放式起落架;

3)電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī);

4)電動(dòng)起動(dòng)機(jī);

5)發(fā)動(dòng)機(jī)電動(dòng)控制裝置;

6)大功率輔助動(dòng)力裝置;

7)座艙空調(diào)系統(tǒng)，用專用電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮機(jī)代替發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮機(jī)引氣;

8)電防冰系統(tǒng);

9)新型電源，電壓270－540V。

2 西科斯基飛機(jī)公司電動(dòng)直升機(jī)研究

目前，西科斯基飛機(jī)公司已研制出電動(dòng)直升機(jī)，該直升機(jī)采用新一代輕型蓄電池。2010年7月26日，西科斯基飛機(jī)公司在威斯康星的奧神科什航空學(xué)術(shù)中心的年度航展上展出了“螢火蟲”直升機(jī)，該直升機(jī)采用電能，并實(shí)現(xiàn)了升空。

由于蓄電池生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，蓄電池更輕，電量更大，所以電動(dòng)直升機(jī)由構(gòu)想一步一步走向現(xiàn)實(shí)。西科斯基飛機(jī)公司的“螢火蟲”是在S－300C直升機(jī)的基礎(chǔ)上研制的?！拔灮鹣x”直升機(jī)采用200 Hp的電動(dòng)機(jī)，電源采用鋰離子蓄電池，該鋰離子蓄電池每小時(shí)能提供135 A的電量。采用該蓄電池足可以使“螢火蟲”留空15min。“螢火蟲”裝兩個(gè)蓄電池，每個(gè)重約265kg。

通過電動(dòng)直升機(jī)與現(xiàn)有直升機(jī)的對比分析，西科斯基飛機(jī)公司把“螢火蟲”發(fā)動(dòng)機(jī)功率定位在94kw。

在“螢火蟲”直升機(jī)座艙中裝有專門的液晶顯示器，為駕駛員提供動(dòng)力裝置的工作狀態(tài)和剩余電量等信息。

圖2 “螢火蟲”直升機(jī)

電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn):

1)低噪聲;

2)經(jīng)濟(jì)性好;

3)零排放;

4)比燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命長。

經(jīng)過研究，西科斯基飛機(jī)公司提出一系列裝電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的直升機(jī)構(gòu)型。把電動(dòng)直升機(jī)的起飛重量定位在1500kg，使其商用成為可能。直升機(jī)的結(jié)構(gòu)布局采用雙旋翼共軸方案。該方案的優(yōu)點(diǎn)是:空氣動(dòng)力對稱、無尾槳，發(fā)動(dòng)機(jī)的所有功率都用來產(chǎn)生升力，外形尺寸小，可以大大增加直升機(jī)的使用范圍。因?yàn)樾碇睆叫∏覠o尾槳，所以便于在艦船上和城市中使用。缺點(diǎn)是:操縱系統(tǒng)復(fù)雜，航向穩(wěn)定性差。

3 電動(dòng)直升機(jī)可行性方案分析

3.1 采用電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)和蓄電池(方案1)

電動(dòng)直升機(jī)對蓄電池系統(tǒng)有很高的要求，必須是高比能量和高能量密度。傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池都不能滿足要求，鋰離子蓄電池比較適合電動(dòng)直升機(jī)。

為了分析方案的可行性，首先必須進(jìn)行直升機(jī)的重量計(jì)算。

通常，直升機(jī)重量的一階近似計(jì)算采用重量效率系數(shù)，此方案的重量效率系數(shù) P=0.45［3］。

為了計(jì)算起飛重量，采用了如下數(shù)據(jù):

m機(jī)組=90kg

m設(shè)備=60kg

m載重=n· m機(jī)組=4 ×90kg=360kg

燃油的相對重量如下:

用下面的公式來計(jì)算起飛重量:

m起飛=(m載重+m機(jī)組+m設(shè)備)/P=(360+90+60)/(0.45 －0.154)=1722kg

m燃油=· m起飛=0.154 ×1722=265kg

對于客運(yùn)型直升機(jī)來說，由于需要大的燃油余量(30min余油)，所以燃油重量增加10%。那么

m燃油=265+26=291kg

m載荷=360+90+60+291=801kg

因此，起飛重量的精確值為:

m起飛=m載荷/P=801/0.45=1780kg

從而得到空重為:

m空=m起飛－m載荷=1780－801=979kg

如果采用電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)和蓄電池，那么直升機(jī)的重量計(jì)算如下:

m蓄電池=265kg

m電動(dòng)機(jī)=100kg

該直升機(jī)需要安裝2臺(tái)電機(jī)和4個(gè)蓄電池。因此動(dòng)力裝置總重、發(fā)動(dòng)機(jī)和蓄電池的重量如下:

m動(dòng)力裝置=2×m電動(dòng)機(jī)=2×100=200kg

m燃油=4×265=1060kg

m起飛－m動(dòng)力裝置－m機(jī)組－m燃油=1780－200－90－1060=430kg

因此，直升機(jī)的機(jī)身、旋翼、傳動(dòng)系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)、起落架、導(dǎo)航設(shè)備、冷卻系統(tǒng)、加溫系統(tǒng)以及其它必要設(shè)備的總重為430kg。由于旋翼槳葉和機(jī)身部件可采用復(fù)合材料，所以原型機(jī)的機(jī)身、起落架、傳動(dòng)、操縱、導(dǎo)航的設(shè)計(jì)重量必須保證在400kg。在目前的蓄電池發(fā)展水平下，該直升機(jī)可以實(shí)現(xiàn)升空，但也僅僅是帶自身的結(jié)構(gòu)重量和駕駛員完成，在此情況下只能飛行15min。

3.1.1 此方案的優(yōu)點(diǎn)

1)無傳動(dòng)系統(tǒng);

2)低噪聲;

3)使用費(fèi)用低;

4)零廢棄物排放;

5)直升機(jī)所有部件的壽命長;

6)無潤滑;

7)安全;

8)動(dòng)力裝置效率高。

3.1.2 此方案的缺點(diǎn)

1)日飛行時(shí)間短;

2)不可能作為商用。

3.2 采用燃料電池(方案2)

燃料電池電動(dòng)直升機(jī)采用的是氫燃料電池，因?yàn)槠渚哂协h(huán)保性能好、效率高等突出優(yōu)點(diǎn)。目前燃料電池電動(dòng)飛機(jī)已經(jīng)研制出并成功試飛，技術(shù)研究取得較大進(jìn)展。燃料電池電動(dòng)直升機(jī)的研究還在起步階段，需要進(jìn)一步地探索與開發(fā)。

針對燃料電池電動(dòng)直升機(jī)，在計(jì)算時(shí)，可以采用第一個(gè)方案的計(jì)算數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行一些必要的修正［3］。

用如下數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算:

m機(jī)組=90kg

m設(shè)備=60kg

m載重=n· m機(jī)組=4 ×90kg=360kg

m起飛=1780kg

在目前的工藝技術(shù)水平下，可以研制出功率為1kw/kg的燃料電池。

m燃料電池=300kg

m氫氣瓶=77kg(容量為50L的氫氣瓶的重量)

m電機(jī)=100kg

從公開的報(bào)道中獲知，BMW公司已研制出80kw的燃料電池，加滿一個(gè)氫氣瓶需要54L氫氣。這些氫氣可以使汽車行駛500 km，百公里油耗為9.259L氫氣。假定燃料電池的需用燃料與功率是線性關(guān)系，可以計(jì)算出功率300kw的燃料電池所需要的氫氣。

Q=300/80 ×9.259=34.721L

由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)需要的功率大，并考慮到油耗的誤差，代入系數(shù)k=1.2得到:

Q=34.721 ×1.2=41.66L

如果直升機(jī)機(jī)載氫氣量為200L，那么

m動(dòng)力裝置=2×m電動(dòng)機(jī)+m燃料電池=2×100+300=500kg

m燃油=4×77=308kg

m起飛－m動(dòng)力裝置－m機(jī)組－m燃油－m載重=1780－500－90－308－360=522kg

類似于第一種方案的計(jì)算結(jié)果，包括儀表和直升機(jī)部件在內(nèi)的結(jié)構(gòu)總重定為400kg。由于燃料電池的不斷發(fā)展，其重量也不斷下降，因此該方案的重量效率很高。大量的一階計(jì)算指出，采用燃料電池的直升機(jī)與采用燃?xì)鉁u輪作為動(dòng)力裝置的傳統(tǒng)直升機(jī)的結(jié)構(gòu)重量相當(dāng)，所以其商業(yè)前景廣闊。當(dāng)然，在設(shè)計(jì)時(shí)，需要對發(fā)動(dòng)機(jī)和燃料電池的參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算與研究，使該直升機(jī)具有大航程飛行能力，并能與傳統(tǒng)的直升機(jī)競爭。

從公開刊物可知，美國的航空學(xué)會(huì)為發(fā)展氫氣燃料電池已耗資3億美元。歐洲航空學(xué)會(huì)也進(jìn)行類似的研究，耗資約1.7億歐元。據(jù)稱，燃料電池的重量每年都在降低，到2020年，燃料電池的重量預(yù)計(jì)會(huì)降低4～5倍。

3.2.1 燃料電池直升機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

1)無傳動(dòng)系統(tǒng);

2)噪聲低;

3)零廢棄物排放;

4)直升機(jī)所有部件的壽命長;

5)無需潤滑;

6)重量效率高;

7)在航程和在重量方面可與傳統(tǒng)的直升機(jī)進(jìn)行競爭;

8)動(dòng)力裝置效率高。

3.2.2 燃料電池直升機(jī)的缺點(diǎn)

1)短期不可能作為商用;

2)無氫氣加油站;

3)日使用費(fèi)用高;

4)無安全使用規(guī)范。

3.3 采用電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和鋰電池(方案3)

在目前的技術(shù)水平下，采用電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)和電池的電動(dòng)直升機(jī)，其動(dòng)力系統(tǒng)很難滿足使用要求。因此在鋰電池和電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，再加裝發(fā)電機(jī)，可以滿足電動(dòng)直升機(jī)在特定情況下的需求。

與采用電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)與蓄電池和燃料電池的直升機(jī)方案類似，利用所得的計(jì)算結(jié)果，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行某些修正［3］。

用下列值來進(jìn)行計(jì)算:

m機(jī)組=90kg

m設(shè)備=60kg

m載重=n· m機(jī)組=4 ×90kg=360kg

m起飛=1780kg

m發(fā)電機(jī)=100kg

m電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)=100kg

m燃油=265kg

m動(dòng)力裝置=500kg

m起飛－m動(dòng)力裝置－m機(jī)組－m燃油－m載重=1780－500－90－265－360=565kg

與前兩種方案相同，包括儀表和直升機(jī)部件在內(nèi)的結(jié)構(gòu)總重定為400kg。采用混合動(dòng)力裝置的直升機(jī)與傳統(tǒng)直升機(jī)的重量計(jì)算大體相同，該種構(gòu)型直升機(jī)具有很強(qiáng)的市場競爭力。

3.3.1 采用電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和鋰電池直升機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

1)無傳動(dòng)系統(tǒng);

2)噪聲水平低;

3)低廢棄物排放;

4)壽命增加;

5)無需潤滑;

6)飛行費(fèi)用降低;

7)其航程與載重量可與傳統(tǒng)直升機(jī)相競爭。

3.3.2 采用電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和鋰電池直升機(jī)的缺點(diǎn)

(1)動(dòng)力裝置效率低;

(2)系統(tǒng)復(fù)雜;

(3)使用維護(hù)困難。

4 結(jié)論

通過上述研究可得到如下結(jié)論:

毫無疑問，采用電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)作為直升機(jī)的動(dòng)力裝置具有非常廣闊的前景。預(yù)計(jì)在不久的將來，我們可以看到采用電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的直升機(jī)的批量生產(chǎn)。目前，世界航空學(xué)會(huì)正積極探索適于電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的新型電源。

上述的每個(gè)方案都具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，值得去關(guān)注和研究。

三種方案共同的優(yōu)點(diǎn)是:低噪聲、經(jīng)濟(jì)性好、環(huán)保。采用電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)可以省去減速器、傳動(dòng)系統(tǒng)和滑油系統(tǒng)，增加整機(jī)的壽命。

目前，存在蓄電池重量過大、氫氣加油站不足以及氫氣昂貴等一系列問題。隨著燃料電池重量的不斷降低，氫氣加油站的逐年遞增，采用燃料電池的電動(dòng)直升機(jī)最具前景。

［1］趙長輝.電動(dòng)飛機(jī)開創(chuàng)電動(dòng)力航空時(shí)代［J］.航空知識(shí).2011.

［2］Журавлев.Перспективные направления развития вертолетной науки и техники［Z］.2010.

［3］Нестеров. И. С. перспективные концепции вертолётов – электрический вертолёт［EB/OL］.