無人機油電混合動力系統（二）

符長青

電推進技術和混合動力技術的涌現與發展，或將給航空業帶來一次產業革命，這是我國航空業參與全球航空技術創新的難得機遇。本文重點闡述國內外油電混合動力系統的發展現狀，涉及美國、歐洲、俄羅斯、日本、中國的研發項目。

油電混合動力系統作為一種航空動力的新概念，與目前航空器通常采用的油動或電動系統有較大差異，甚至超越了傳統航空器的動力技術范疇，是航空器設計技術、動力技術和飛行控制導航技術的綜合集成，其研發、制造和實際使用是一個相當復雜的系統工程，不但涉及材料、發動機、電動機及飛控導航系統的技術研究和制造，還涉及試驗規范、試驗臺建設以及適航管理等內容。

油電混合動力系統研究現狀

世界上航空工業比較發達的主要國家和地區，都高度重視航空器油電混合動力系統的研制和發展，將油電混合動力系統視為未來具有廣闊應用前景的航空動力解決方案，并組織航空器制造商和發動機制造商對多種新型混合動力航空器的方案進行探索和預研，不斷提升混合動力技術水平及其技術成熟度。

美國研發項目

美國航空器的油電混合動力技術研究處于世界領先水平，該國一如既往地實施一系列研究計劃，以促進油電混合動力技術和產品的發展。

（1）美國國家航空航天局聯合多家公司開展研究

美國國家航空航天局（NASA）很早就開始關注航空器油電混合動力系統的發展，認為未來民用航空業的爆發式成長是必然趨勢，燦爛的前景意味著巨大的挑戰，誰能發掘出未來技術的潛力，誰就能稱霸下一個30年的天空。于是，該局提出了《美國國家航空航天局N+3代先進飛行器概念設計最終報告》。這份報告是對30年后飛機的設想，權衡內容包括飛機的燃油消耗、飛行距離、噪聲以及排放等多項指標。針對N+3代先進飛行器概念研究，美國國家航空航天局提出了“亞聲速超綠色飛機研究計劃”（SUGAR），要求飛機的耗油率比波音公司737-800飛機降低70%。波音公司參與了該項計劃，研究了兩種構型飛機，其中波音公司SUGAR VOLT方案采用了GE公司研制的電動/燃氣渦輪發動機并聯混合動力裝置，能源消耗減少70%，達到了美國國家航空航天局提出的N+3代先進飛行器的要求。

2012年，美國國家航空航天局（NASA）與波音、霍尼韋爾等公司聯合制訂了一項油電混合動力技術研究計劃，并將高功率密度電氣部件技術、分布式電推進系統性能及控制為核心技術布局視為油電混合動力關鍵技術的突破點，如圖1所示。

以2013年為起點，參與方按照計劃，10年內須完成功率為1～2MW的油電混合動力系統研制，技術成熟度應使通航飛機實現全電動飛行，50～100座支線客機實現油電混合動力飛行。

圖1 美國國家航空航天局油電混合動力技術研究計劃進度表。

20年內，參與方須要完成功率為2～5MW的油電混合動力系統研制，技術成熟度達到6以上，使50座支線客機實現全電動飛行，100～150座支線客機實現油電混合動力飛行。

30年內，參與方須要完成功率為5～10MW的油電混合動力系統研制，技術成熟度達到6以上，使150座支線客機實現油電混合動力飛行。

40年內，參與方完成須要完成功率為10MW以上的油電混合動力系統研制，技術成熟度達到6以上，使300座干線客機實現油電混合動力飛行

目前，美國國家航空航天局的研究團隊在兆瓦級高功率密度常溫常導電機技術、高效率高功率密度超導電機技術領域取得了一定突破，該團體承擔的油電混合動力研究項目主要包括X-57、SUGAR VOLT、N3X等新型分布式電推進平臺。

2017年7月，美國航空航天學會在亞特蘭大市舉辦了推進與能源論壇。在本屆論壇上，美國國家航空航天局展示了一種設計概念，即在A320飛機和波音公司737飛機的同級別客機尾部嵌入涵道風扇，涵道風扇由功率為2.6MW的電動機驅動，機翼下方的2臺渦扇發動機驅動的發電機為電動機供電。涵道風扇內埋在機體后方，吸入邊界層氣流并對涵道風扇進行加速，降低了尾流阻力，從而減小渦輪發動機尺寸，并降低阻力。

（2）拜伊航宇公司推出“沉默衛士”油電混合動力無人機

2012年1月，美國拜伊（Bye）航宇公司推出“沉默衛士”(Silent Guardian)油電混合動力固定翼無人機。該型無人機的電動推進裝置以非常先進的太陽能光伏薄膜和電池為能源，具有超長航時、靜音飛行和低污染排放等優異性能，同時還采用了一臺渦扇發動機，用于改善起飛和爬升性能。尤其值得指出的是，拜伊航宇公司采用博爾丁（BoldIQ）公司開發的操作優化和應急管理軟件，使“沉默衛士”無人機擁有先進的“例外管理”（Exception Management）理念。用戶在操控無人機和管理相關任務時，能大幅提高工作效率，并減少地面無人機操控人員。

（3）哈里斯航空公司開發油電混合動力無人機

2017年9月，美國哈里斯航空（Harris Aerial）公司推出油電混合動力四旋翼無人機“運輸”H4（Carrier H4）。該型無人機空機重量13kg，最大起飛重量21kg，油電混合動力系統配有48V電池、2kW發電機和0.0043m3油箱。在任務載荷重量不超過5kg的情況下，該機可連續飛行約1.5h。若任務載荷重量不超過3kg，最多連續飛行5h。

（4）“視野”8油電混合動力無人機創下新的飛行紀錄

2020年3月，位于美國加州的無人機制造商空中前線（SKYFRONT）公司研制的“視野”8（Perimeter 8）油電混合動力無人機創下多旋翼無人機有史以來的新紀錄。“視野”8無人機最近在美國加州海岸山脈的上空飛行了約330km，連續飛行時間為13h4min。該機使用一個燃料噴射的汽油發動機，可將燃料轉化為電力輸送給8臺電動機，分別驅動8副旋翼旋轉，從而產生飛行所須的氣動力。在演示中，該型無人機在日出前起飛，直到日落后才降落，其續航時間是同類型電動無人機的20多倍。

歐洲研發項目

歐洲油電混合動力技術與美國并駕齊驅。在“航跡2050”計劃支持下，歐盟對分布式油電混合動力系統技術開展探索。

（1）空客公司聯合多家公司開展研究

圖2 2012年，美國拜伊航宇公司推出一種油電混合動力固定翼無人機。

圖3 美國“視野”8油電混合動力無人機在空中飛行。

空客公司與羅爾斯-羅伊斯、西門子等公司聯合開展了油電混合動力系統技術研究，根據歐盟“航跡2050”（Track 2050）計劃中的節能減排要求，這些公司制訂了航空油電混合動力研究計劃，具體進程是，2016—2020年完成10MW級油電混合動力系統的地面驗證和2MW級油電混合動力系統的飛行驗證；2030年左右，完成100座支線客機油電混合動力系統的研制與驗證；2035年左右，完成150～200座支線客機油電混合動力系統的研制與驗證。目前空客公司的研究團隊已完成小功率全電推進系統的飛行驗證、高功重比航空電機和高功率密度航空電力電子系統的初步研發與試驗。

（2）空中公牛公司推出“葉海”油電混合動力四旋翼無人機

2015年6月，德國空中公牛（Airstier）公司推出“葉海”（Yeair）油電混合動力四旋翼無人機。該型無人機續航時間達到1h，最大飛行速度100km/h，任務載荷重量5kg，而當時的主流四旋翼電動無人機也難以實現這種性能指標。“葉海”無人機的成功奧妙是，采用了油電混合動力裝置，配備一個0.0015m3油箱和一小塊1250mAh電池，而且這個電池不須要提前充電。因為在無人機飛行過程中，二沖程燃油發動機會隨時為電池充電，即使無人機飛行時間超過50min，電池電量依然充足。“葉海”無人機的每副旋翼都由一臺600W電動機和一臺10cc二沖程燃油發動機驅動。二沖程燃油發動機發電，提供源源不斷、強大的動力，以驅動電動機。電動機的反應比燃油發動機迅速，可幫助無人機能夠快速改變飛行速度。此外，二沖程燃油發動機啟動也須要電動機的幫助。

（3）四元數公司混合動力2.0四旋翼無人機

2017年，西班牙初創公司四元數（Quaternium）公司“混合動力”2.0（HYBRiX2.0）四旋翼無人機，采用油電混合動力系統，在空中飛行了整整4h40min，刷新了當時的新紀錄。改進型“混合動力”2.1（HYBRiX2.1）無人機機身對角線軸距長1249mm，使用了二沖程汽油發動機（燃料為辛烷值98汽油）和Li-Po鋰電池6S。2020年2月，改進型“混合動力”2.1攜帶10kg貨物，以巡航速度50km/h在空中飛行8h10min，最大飛行速度達80km/h。據報道，改進型“混合動力”2.1無人機現在可以在空中懸停10h14min。

（4）SP-55 FI TS油電混合動力發動機

2020年11月，德國天空動力（Sky Power）公司推出一款用于無人機的油電混合動力發動機SP-55 FI TS。該發動機有兩個火花塞，配置有燃油噴射系統和用于發電的無刷直流電機，在50V直流電壓下，其最大功率可達2kW。該發動機還裝配了SGC 352輕型啟動控制裝置和HKZ215點火系統，具有更高的點火性能，廢氣排放水平也得以改善。此外，天空動力公司還開發了發動機和發電機的集成冷卻系統，位于發動機和發電機上方，以提供新鮮空氣并去除熱空氣。

俄羅斯研發項目

（1）中央航空發動機研究院發布航空器油電混合動力系統研究計劃

圖4 西班牙“混合動力”2.1油電混合動力無人機。

圖5 德國SP-55 FI TS油電混合動力發動機外形圖。

2017年7月，俄羅斯中央航空發動機研究院（CIAM）在莫斯科航展上發布了該院首個航空器油電混合動力系統研究計劃，并展出了500kW級的油電混合動力無人機模型。該無人機載客量約8人，相當于小型公務機，其推進系統的結構特點是，由燃氣渦輪帶動發電機發電，然后由電動機驅動六副螺旋槳旋轉，當燃氣渦輪或發電機發生故障時，由備用電池提供動力。該油電混合動力系統將采用俄羅斯初創公司提供的Super Ox超導材料，這種材料重量很輕，可在高能量下工作，并能減少電磁干擾。俄羅斯中央航空發動機研究院表示，500kW級驗證機完成飛行試驗后，將開展用于19座飛機的2000kW級油電混合動力系統的試驗驗證。

（2）ARDN技術公司推出油電混合動力多旋翼無人機

2017年11月，俄 羅 斯ARDN技術公司推出SKYF多旋翼無人機。該機機身大小為5.2m×2.2m，能夠攜帶181kg任務載荷，最大飛行速度70km/h，最大續航時間8h，最高飛行高度約305m。雖然該型無人機的外形尺寸相當大，但不使用時，可以折疊收納在儲運箱中，一個長度約6m的集裝箱可儲運2架無人機。SKYF無人機總體結構設計非常特別，其油電混合動力裝置屬于分離式油電混合動力系統。該系統控制方向的旋翼分開，兩副主旋翼提供升力，汽油發動機提供動力，而控制飛行方向和姿態的4副輔助旋翼則由電動機提供動力。

（3）薩拉航空公司新型固定翼無人機完成遠程飛行試驗

2021年9月，俄羅斯卡拉什尼科夫集團子公司薩拉航空公司宣布，該公司研發的油電混合動力新型固定翼無人機首次完成遠程飛行試驗。在試驗中，該型遠程遙控無人機無須機場起降，飛行時間超過12h，航程達1130km。該型無人機由彈射器發射，配備了傘降裝置和減震器，由于使用了油電混合動力裝置（電動機和內燃機集成在一起），從而大幅提高了無人機的續航時間和航程，最長飛行時間可超過16h,飛行速度80～140km/h。該機可對敵人縱深實施偵察，且不易被發現，除用于偵察任務外，還可加裝目標截獲系統、通信中繼系統和移動網絡監控系統，執行偵察、手機識別及定位等任務。

中國研發項目

我國無人機產業發展十分迅猛，特別是民用無人機，已經發展為全球性優勢產品。不過，在重載長航時航空器油電混合動力技術領域，我國目前還處于起步階段。以無人機油電混合動力技術革新為契機，我國航空業有望迅速達到或趕超世界先進水平，同時帶動我國多個相關產業的發展。

2021年10月，中國航空研究院組織國內優勢力量，對電動飛機發展的必要性、定義與分類、重點產品、關鍵技術、措施建議等方面進行研究，提出電動飛機發展白皮書。該白皮書認為，電動飛機以電能作為推進系統的全部或部分能源，是“第三航空”時代的重要標志。它將開啟航空領域新一輪創新與變革熱潮，推動航空技術、綠色航空創新發展，將對世界航空業產生革命性影響。該白皮書提出，我國應重點發展在城市空中運輸、輕型運動、通勤運輸、支線運輸等領域中運營的4類電動飛機；聚焦總體設計技術、高效高功重比電推進技術、能量綜合管理技術、能源系統技術等關鍵技術發展；建議制定電動飛機發展戰略規劃，加大研發投入，同時關注適航能力建設與人才培養，從而推動我國電動飛機發展。

圖6 俄羅斯SKYF油電混合動力無人機。

圖7 北京瑞深航空科技有限公司H2油電混合動力裝置。

圖8 “靈動鷹”-25油電混合動力可折疊六旋翼無人機。

下面簡要介紹我國無人機油電混合動力裝置項目。

2016年11月，北京瑞深航空科技有限公司成功研制功率2kW的油電混合動力裝置H2，適用于最大起飛重量18kg以下的多旋翼無人機和垂直起降固定翼無人機。無人機搭載3kg任務載荷可飛行2h，最大續航時間可達5h。

2017年9月9日，安裝了H2油電混合動力裝置的HC330無人機和“蓋亞”160無人機于上午11:30從煙臺起飛，下午2:30抵達大連，直線航距超過100km，續航時間達3h。

2017年12月，“靈 動鷹”-25油電混合動力可折疊六旋翼無人機，采用國際通用92#汽油作為能源，一次加注約0.005m3，可以搭載5kg任務載荷持續飛行時間90min。該機平飛速度18m/s，使用半徑10km（可擴展至30km），最大飛行高度2500m，可在7級大風、小雨天氣條件下順利飛行，空機重量約17kg，滿油約21kg，展開尺寸約2200mm×2200mm×500mm，折疊后尺寸約為900mm×900mm×500mm，使用溫度范圍-10～40℃。“靈動鷹”-25油電混合動力無人機可以搭載1600萬高清攝像頭、30倍光學變焦攝像頭、光電/紅外吊艙、救生拋投裝備、中繼通信設備、喊話器、大氣污染探測器、激光雷達、物流箱等多種任務載荷，在不同領域大展身手。

圖9 日本川崎重工公司大型油電混合動力裝置。

2019年，中航金城無人系統有限公司推出一種油電混合動力六旋翼無人機。該無人機采用串聯式油電混合動系統，系統模塊化程度高，互換性好，能量利用效率高達95%。該機最大任務載荷重量20kg，滿載時可飛行2h，如果空載，最大續航時間可達3h，應用范圍較廣。

日本研發項目

2020年6月，日本川崎重工公司大型油電混合動力多旋翼無人機驗證機成功首飛，搭載超過200kg任務載荷飛行超過100km。該驗證機機長約7m，機寬約5m，機高約2m，配裝的3臺油電混合動力發動機，均為川崎重工公司（Ninja ZX-10R）摩托車的發動機。油電混合動力發動機產生的電力驅動8副螺旋槳旋轉。與同量級無人直升機相比，該型無人機具有成本低的優勢。