直升機(jī)電動(dòng)尾槳技術(shù)發(fā)展與展望

建志旭，唐興中，陳國(guó)軍，張潤(rùn)澤，陳 義，付 裕

(1.中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001；2.中國(guó)航空研究院，北京 100020)

0 引言

直升機(jī)因其可垂直起降、可在空中懸停、向任意方向飛行等優(yōu)點(diǎn)，在軍民領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，單旋翼帶尾槳構(gòu)型直升機(jī)技術(shù)成熟，發(fā)展最為成完善。不同于固定翼機(jī)，直升機(jī)在飛行中，主要由旋翼旋轉(zhuǎn)來(lái)產(chǎn)生升力和推力。旋翼旋轉(zhuǎn)同時(shí)會(huì)導(dǎo)致作用于機(jī)身的反扭矩。尾槳的出現(xiàn)，是為了平衡該反扭矩，保證航向的平衡，并起到航向操控的作用。

直升機(jī)尾槳傳動(dòng)系統(tǒng)一般由中間傳動(dòng)軸、中間減速器、尾傳動(dòng)軸、尾減速器構(gòu)成。中間傳動(dòng)軸將主減速器的功率傳輸?shù)街虚g減速器，經(jīng)由尾傳動(dòng)軸傳輸至尾減速器，驅(qū)動(dòng)尾槳(見(jiàn)圖1)。尾槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生推力，實(shí)現(xiàn)對(duì)反扭矩的平衡和航向操控作用；產(chǎn)生的載荷由尾減速器承擔(dān)，并傳遞至機(jī)體。由于是通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)與主減速器相連，因此尾槳轉(zhuǎn)速固定。尾槳具有變距鉸，通過(guò)尾槳變距機(jī)構(gòu)，改變槳距，實(shí)現(xiàn)對(duì)尾槳推力大小的操控。

圖1 直升機(jī)整體架構(gòu)示意圖

傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)尾槳，具有技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。然而，單旋翼直升機(jī)的機(jī)械尾槳系統(tǒng)也存在一系列問(wèn)題：①機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜—傳動(dòng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件多，傳動(dòng)鏈長(zhǎng)，故障率較高，造成高維護(hù)成本，維修過(guò)程繁瑣，耗時(shí)長(zhǎng)；②事故率較高—直升機(jī)低空或貼地飛行、地面作業(yè)時(shí)，尾槳易撞線或碰撞障礙物、地面人員，容易引發(fā)安全事故；③振動(dòng)和噪聲嚴(yán)重—中間減速器、尾減速器機(jī)械噪聲較大，傳動(dòng)軸需進(jìn)行轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)，避免振動(dòng)，另外尾槳槳尖噪聲也大；④功率消耗較大—大量使用發(fā)現(xiàn)，尾槳消耗功率占比達(dá)7 %～10 %，造成直升機(jī)懸停性能的降低，并且前飛時(shí)造成功率浪費(fèi)。因此，直升機(jī)研究者們致力于探索和發(fā)展新的反扭矩平衡系統(tǒng)。

近年來(lái)，隨著電驅(qū)動(dòng)技術(shù)的日益成熟，電動(dòng)尾槳作為一種新的反扭矩平衡系統(tǒng)，逐漸受到關(guān)注，為這些問(wèn)題的解決提供了新的思路。

1 電動(dòng)尾槳發(fā)展現(xiàn)狀

電動(dòng)尾槳去除了原機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，采用電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)驅(qū)動(dòng)尾槳，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、噪音低、振動(dòng)小、綠色清潔、維護(hù)性好、能夠提供冗余設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)。由于尾槳系統(tǒng)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，與旋翼解耦合，因此能夠大幅降低機(jī)械系統(tǒng)復(fù)雜性，并可在前飛狀態(tài)降低轉(zhuǎn)速，提高效率，降低功率消耗。國(guó)內(nèi)外針對(duì)電動(dòng)尾槳已開(kāi)展大量研究。

2011年，美國(guó)西科斯基公司將一架S-300C直升機(jī)改裝為全電動(dòng)技術(shù)樣機(jī)，命名為Firefly(圖2)，因此項(xiàng)目被稱為“螢火蟲(chóng)計(jì)劃”。項(xiàng)目采用了美國(guó)混合動(dòng)力公司生產(chǎn)的143 kW功率電動(dòng)機(jī)替換原活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，安裝了總重265 kg、總?cè)萘?3.3 kWh的鋰離子電池組，實(shí)現(xiàn)了148.2 km/h的最大飛行速度，飛行時(shí)間15min。西科斯基公司評(píng)價(jià)“螢火蟲(chóng)計(jì)劃”認(rèn)為，F(xiàn)irefly技術(shù)樣機(jī)平穩(wěn)、安靜、清潔、易用、可靠、經(jīng)濟(jì)。未來(lái)隨著電池儲(chǔ)能密度的提升，全電動(dòng)直升機(jī)會(huì)有很好的發(fā)展前景。在全電動(dòng)直升機(jī)進(jìn)入實(shí)用前，尾槳部分采用電動(dòng)化方案，改善機(jī)械尾槳存在的諸多問(wèn)題，是一個(gè)較為可行的技術(shù)路線。

圖2 西科斯基Firefly技術(shù)樣機(jī)

2007年，歐盟啟動(dòng)了“潔凈天空”(Clean Sky)計(jì)劃，旨在通過(guò)引領(lǐng)航空新技術(shù)研發(fā)，減少CO和有害氣體排放，降低噪聲，實(shí)現(xiàn)航空業(yè)的綠色發(fā)展。旋翼機(jī)領(lǐng)域，開(kāi)展了綠色旋翼機(jī)(Green Rotorcraft, GRC)專題研究。在該專題下，2010年，布里斯托大學(xué)與意大利萊昂納多公司等機(jī)構(gòu)開(kāi)展合作研究，進(jìn)行了直升機(jī)電動(dòng)尾槳研究(ELETAD)，建立了地面試驗(yàn)平臺(tái)，并將一架AW139直升機(jī)尾槳改為電動(dòng)構(gòu)型，進(jìn)行地面試驗(yàn)，開(kāi)展技術(shù)驗(yàn)證工作(圖3)。

圖3 電動(dòng)尾槳試驗(yàn)臺(tái)和技術(shù)驗(yàn)證機(jī)

2020年2月20日，美國(guó)貝爾公司發(fā)布了改裝自貝爾429型直升機(jī)的驗(yàn)證機(jī)(圖4)，并開(kāi)展了試飛工作。該驗(yàn)證機(jī)尾部具有4個(gè)電動(dòng)涵道尾槳，分別由獨(dú)立電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，被貝爾公司命名為分布式抗扭矩系統(tǒng)(EDAT)。這一系統(tǒng)采用固定槳距、變轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)，能夠通過(guò)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和不同旋轉(zhuǎn)方向的組合，實(shí)現(xiàn)對(duì)抗扭力更加精確的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，具有更高的效率。而且，多涵道尾槳的存在，提供了寶貴的設(shè)計(jì)冗余，有利于增加故障條件下的安全性。另外，采用涵道尾槳形式，也有利于降低槳尖噪音。

圖4 貝爾429改裝電動(dòng)尾槳技術(shù)驗(yàn)證機(jī)

國(guó)內(nèi)在電動(dòng)尾槳領(lǐng)域也開(kāi)展了大量研究工作。清華大學(xué)針對(duì)小型無(wú)人直升機(jī)XV-2設(shè)計(jì)了電動(dòng)尾槳系統(tǒng)，采用固定轉(zhuǎn)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)尾槳，通過(guò)變距機(jī)構(gòu)改變尾槳拉力。2018年，清華大學(xué)王洋等人申請(qǐng)了一項(xiàng)“一種直升機(jī)電動(dòng)尾槳驅(qū)動(dòng)裝置”發(fā)明專利，采用三個(gè)串聯(lián)電機(jī)驅(qū)動(dòng)尾槳轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)電機(jī)工作狀況的不同搭配，滿足不同工作狀態(tài)下的需求，有利于提高效率，節(jié)省用電(圖5)。

圖5 電動(dòng)尾槳驅(qū)動(dòng)裝置原理圖[5]

中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所對(duì)電動(dòng)尾槳開(kāi)展了研究，研制了高功重比電動(dòng)機(jī)和控制器，研制了電動(dòng)尾槳技術(shù)驗(yàn)證組件，開(kāi)展了地面試驗(yàn)。

2 電動(dòng)尾槳構(gòu)型分析與討論

電動(dòng)尾槳作為一項(xiàng)新興技術(shù)，尚處研究階段。其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、能源系統(tǒng)存在多種構(gòu)型可能。本文分別對(duì)電動(dòng)尾槳驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)型、電動(dòng)尾槳能源系統(tǒng)構(gòu)型進(jìn)行分析與討論，以識(shí)別較優(yōu)構(gòu)型，并通過(guò)構(gòu)型分析，識(shí)別電動(dòng)尾槳關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 電動(dòng)尾槳驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)型分析與討論

電動(dòng)尾槳由直升機(jī)上發(fā)電機(jī)或動(dòng)力電池供電，經(jīng)控制系統(tǒng)后供給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)尾槳的驅(qū)動(dòng)和控制。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)型大致可分為電動(dòng)直驅(qū)構(gòu)型、電機(jī)帶動(dòng)靜軸構(gòu)型和電機(jī)帶減速器構(gòu)型三種構(gòu)型。

1)電動(dòng)直驅(qū)構(gòu)型

如圖6所示，電動(dòng)直驅(qū)構(gòu)型為驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接帶動(dòng)尾槳的構(gòu)型。尾槳載荷由驅(qū)動(dòng)電機(jī)承擔(dān)，并傳遞至機(jī)體。尾槳所需轉(zhuǎn)矩直接由驅(qū)動(dòng)電機(jī)來(lái)提供。

此種構(gòu)型去除了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、減速器等機(jī)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、總體布局靈活等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出功率、扭矩范圍、可靠性和穩(wěn)定性等指標(biāo)要求較高。從重量角度考慮，還需要驅(qū)動(dòng)電機(jī)、控制系統(tǒng)具備高功率密度。

2)電機(jī)帶動(dòng)靜軸構(gòu)型

電機(jī)帶動(dòng)靜軸構(gòu)型，如圖7所示，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)和尾槳之間引入動(dòng)靜軸機(jī)構(gòu)，尾槳載荷經(jīng)動(dòng)靜軸傳導(dǎo)至機(jī)身，電機(jī)僅輸出扭矩，而不承受沿轉(zhuǎn)軸方向的載荷。

此種構(gòu)型能夠一定程度地降低對(duì)電機(jī)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，但引入了動(dòng)靜軸機(jī)構(gòu)，增加了重量和機(jī)械復(fù)雜度，也帶來(lái)了潤(rùn)滑問(wèn)題。

3)電機(jī)帶減速器構(gòu)型

電機(jī)帶減速器構(gòu)型，相較于原機(jī)械尾槳構(gòu)型，在增加了電能輸入的前提下，僅用驅(qū)動(dòng)電機(jī)替代了傳動(dòng)軸等裝置(見(jiàn)圖8)。

這種構(gòu)型能夠采用高轉(zhuǎn)速低扭矩驅(qū)動(dòng)電機(jī)，經(jīng)減速器機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高扭矩輸入，驅(qū)動(dòng)尾槳，因此能夠有效降低對(duì)電動(dòng)機(jī)輸出扭矩的要求，降低驅(qū)動(dòng)電機(jī)研制難度。但這種構(gòu)型帶來(lái)了附加重量，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，降低了系統(tǒng)整體效率，引入了振動(dòng)、發(fā)熱、噪聲等問(wèn)題。

綜合分析以上三種構(gòu)型，電動(dòng)直驅(qū)構(gòu)型優(yōu)勢(shì)最為明顯。隨著航空用電動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，電動(dòng)直驅(qū)構(gòu)型最有應(yīng)用前景。

2.2 電動(dòng)尾槳能源系統(tǒng)構(gòu)型分析與討論

電動(dòng)尾槳引入電力作為全部或部分動(dòng)力來(lái)源，其能源系統(tǒng)構(gòu)型設(shè)計(jì)存在著純電動(dòng)構(gòu)型、混合動(dòng)力構(gòu)型等多種可能。

1)純電動(dòng)構(gòu)型

純電動(dòng)構(gòu)型直接由動(dòng)力電池向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)供電，如圖9所示。動(dòng)力電池系統(tǒng)的電量來(lái)源為任務(wù)間隙的外接充電，以及任務(wù)過(guò)程中的能量回收。

純電動(dòng)構(gòu)型具有眾多優(yōu)點(diǎn)：環(huán)境友好，零排放；不消耗發(fā)動(dòng)機(jī)功率，提高效率，降低燃油消耗；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與發(fā)動(dòng)機(jī)解耦，總體布置更加靈活。然而，當(dāng)前的電池技術(shù)水平難以支持純電動(dòng)構(gòu)型的實(shí)現(xiàn)，電池能量密度較低，導(dǎo)致重量過(guò)重，無(wú)法滿足直升機(jī)的使用需求。

當(dāng)前電動(dòng)汽車所使用的動(dòng)力電池，系統(tǒng)能量密度一般不超過(guò)200 Wh/kg。以AC311A為例，其尾槳功率約為64 kW。假設(shè)換裝純電動(dòng)構(gòu)型電動(dòng)尾槳，試驗(yàn)階段要求飛行時(shí)間達(dá)到半小時(shí)，則電池系統(tǒng)容量需要為40 kWh(粗略計(jì)算，考慮20%剩余電量)，重量為200 kg。作為參照，AC311A的尾傳動(dòng)軸、尾減速器兩者總重約為20 kg。由此可見(jiàn)，當(dāng)前電池系統(tǒng)能量密度遠(yuǎn)不能滿足直升機(jī)使用需求。

隨電動(dòng)汽車的生產(chǎn)、消費(fèi)數(shù)量日益增加，因電池故障引起的著火等安全事故偶見(jiàn)報(bào)道。因此，當(dāng)前動(dòng)力電池系統(tǒng)的可靠性、安全性也需要進(jìn)一步提升，以滿足航空業(yè)要求。

2)串聯(lián)混動(dòng)構(gòu)型

圖10所示為串聯(lián)混動(dòng)構(gòu)型。發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出至主減速器，主減速器帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，產(chǎn)生的電能輸送至驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)尾槳工作。視直升機(jī)具體要求決定是否引入電池系統(tǒng)。電池系統(tǒng)可起到功率補(bǔ)充、能量回收等作用。

圖10 串聯(lián)混動(dòng)構(gòu)型

此種構(gòu)型優(yōu)點(diǎn)在于：對(duì)原直升機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)改動(dòng)較小，去掉了傳動(dòng)系統(tǒng)，能夠降低機(jī)械復(fù)雜度；降低了對(duì)于電池系統(tǒng)的技術(shù)要求，技術(shù)可行性高；發(fā)電機(jī)可以在高效率區(qū)間內(nèi)工作，尾槳高功率需求工況下，可由電池系統(tǒng)補(bǔ)充能源輸入，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載。該構(gòu)型的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，重量代價(jià)可能相對(duì)較大。采用該構(gòu)型時(shí)，需要對(duì)發(fā)電機(jī)、電池系統(tǒng)等做一系列衡量，找出最佳組合。

3)并聯(lián)混動(dòng)構(gòu)型

并聯(lián)混動(dòng)構(gòu)型，如圖11所示，是在原機(jī)械尾槳基礎(chǔ)上，增加一套并聯(lián)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)由外接電池供電。正常工況下，驅(qū)動(dòng)電機(jī)不工作。高速前飛時(shí)，尾槳功率需求降低，但原機(jī)械尾槳轉(zhuǎn)速無(wú)法降低，此時(shí)電機(jī)采用發(fā)電模式，進(jìn)行能量回收。懸停或側(cè)風(fēng)等尾槳大功率工作情況下，電池輸出電力，電動(dòng)機(jī)工作，進(jìn)行功率補(bǔ)充，降低對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率的消耗。

圖11 并聯(lián)混動(dòng)構(gòu)型

此種構(gòu)型能夠減小尾槳系統(tǒng)的功率浪費(fèi)，降低對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率的消耗。缺點(diǎn)是引入了電動(dòng)機(jī)、電池，造成重量的增加。

對(duì)以上三種構(gòu)型進(jìn)行討論可知，純電動(dòng)構(gòu)型優(yōu)勢(shì)最大，但技術(shù)要求最高。串聯(lián)混動(dòng)構(gòu)型現(xiàn)階段可行性最高。并聯(lián)混動(dòng)構(gòu)型能夠?qū)ΜF(xiàn)有機(jī)械構(gòu)型起到較好的改善作用，但需要付出重量代價(jià)。

3 電動(dòng)尾槳關(guān)鍵技術(shù)

通過(guò)對(duì)電動(dòng)尾槳的介紹以及構(gòu)型的分析和討論可以發(fā)現(xiàn)，影響電動(dòng)尾槳實(shí)用化的關(guān)鍵技術(shù)包括尾槳設(shè)計(jì)技術(shù)、高性能電動(dòng)機(jī)技術(shù)、分布式設(shè)計(jì)技術(shù)和高比能動(dòng)力電池技術(shù)。

3.1 高比能動(dòng)力電池技術(shù)

動(dòng)力電池作為電動(dòng)尾槳的能量來(lái)源之一，其技術(shù)水平直接影響著電動(dòng)尾槳的重量以及緊急狀況下的運(yùn)行時(shí)間，對(duì)前文討論的結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單的純電構(gòu)型的電動(dòng)尾槳而言至關(guān)重要。而應(yīng)用于電動(dòng)尾槳的動(dòng)力電池，其技術(shù)要求較當(dāng)前的電動(dòng)汽車更高，在質(zhì)量能量密度、體積能量密度、功率密度、可靠性和安全性方面均需全面突破。在航空領(lǐng)域，鋰離子動(dòng)力電池的應(yīng)用研究尚處起步階段，國(guó)內(nèi)尚未開(kāi)展。因此，高比能動(dòng)力電池技術(shù)，是電動(dòng)尾槳的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

對(duì)動(dòng)力電池而言，最核心的技術(shù)指標(biāo)，是能量密度。能量密度越高，電池?cái)y帶的能量越多，重量越輕。目前，商用鋰離子電池系統(tǒng)的能量密度不超過(guò)200 Wh/kg，仍然處于較低水平。據(jù)NASA研究，電池系統(tǒng)能量密度達(dá)到400 Wh/kg時(shí)，能夠支撐有意義的全電動(dòng)飛機(jī)。因此，電動(dòng)尾槳對(duì)于能量密度的需求，可以參照此指標(biāo)。

當(dāng)前，我國(guó)的汽車用動(dòng)力電池技術(shù)處于世界先進(jìn)水平，寧德時(shí)代、比亞迪等公司均在發(fā)展高能量密度電池技術(shù)。除了現(xiàn)有的鋰離子電池體系，新電池體系，如鋰硫電池、燃料電池技術(shù)，也在迅猛發(fā)展。鋰硫電池作為一種新型電池，理論比容量高達(dá)2600 Wh/kg。諸多電池企業(yè)，例如韓國(guó)LG公司、美國(guó)Sion Power公司等均已宣布鋰硫電池量產(chǎn)計(jì)劃，投產(chǎn)初期的能量密度目標(biāo)即可達(dá)到400 Wh/kg以上。歐盟“地平線計(jì)劃”也在大力支持鋰硫電池的發(fā)展，促進(jìn)其在航空業(yè)的應(yīng)用。

對(duì)動(dòng)力電池技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析，可以看出，在近未來(lái)電池能量密度同樣能夠獲得巨大提升，能夠有力保證電動(dòng)尾槳技術(shù)的實(shí)用化。

除能量密度外，安全性、可靠性的提高，同樣是動(dòng)力電池需要重點(diǎn)解決的難點(diǎn)。

3.2 高性能電動(dòng)機(jī)技術(shù)

電動(dòng)機(jī)是電動(dòng)尾槳驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)動(dòng)力輸出。其技術(shù)水平直接關(guān)系著電動(dòng)尾槳的可行與否。應(yīng)用于電動(dòng)尾槳的電動(dòng)機(jī)，不同于工業(yè)電機(jī)、電動(dòng)汽車電機(jī)，對(duì)于體積、功率密度、可靠性、容錯(cuò)率、快速響應(yīng)能力、轉(zhuǎn)速/輸出扭矩變化范圍等要求更高。目前，國(guó)內(nèi)尚無(wú)專門(mén)針對(duì)航空領(lǐng)域的成熟電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品，相關(guān)技術(shù)水平落后于國(guó)際先進(jìn)水平。因此，高性能電動(dòng)機(jī)技術(shù)是電動(dòng)尾槳的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

法國(guó)泰雷茲公司針對(duì)航空領(lǐng)域電動(dòng)化發(fā)展需求，開(kāi)發(fā)了高性能先進(jìn)電動(dòng)機(jī)。其開(kāi)發(fā)的直升機(jī)電動(dòng)備用系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)功率密度高達(dá)10 kW/kg，已在空客H130上開(kāi)展試驗(yàn)。斯洛文尼亞Emarx公司掌握著先進(jìn)電動(dòng)機(jī)制造技術(shù)，功率密度接近10 kW/kg。美國(guó)能源局(DOE)支持了一系列先進(jìn)電機(jī)研究項(xiàng)目，以促進(jìn)電機(jī)技術(shù)發(fā)展。制定了電機(jī)技術(shù)發(fā)展路線：立足于現(xiàn)階段水平，提出至2025年，電機(jī)效率要求達(dá)到>97 %，功率密度達(dá)到5.7 kW/kg，成本降低至3.3美元/kW，如圖12所示。

圖12 美國(guó)電機(jī)技術(shù)發(fā)展路線[12]

電機(jī)電控深度集成技術(shù)也是目前一大研究方向，以實(shí)現(xiàn)提高效率、減小體積、降低成本的目標(biāo)。美國(guó)在該領(lǐng)域同樣制定了技術(shù)發(fā)展路線，如圖13所示。

圖13 美國(guó)電機(jī)電控集成技術(shù)發(fā)展路線[12]

從電動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，有理由相信未來(lái)電動(dòng)機(jī)技術(shù)會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)足進(jìn)展，能夠支撐電動(dòng)尾槳的需求。

3.3 分布式設(shè)計(jì)技術(shù)

電動(dòng)機(jī)具有“尺寸無(wú)關(guān)”特性，大功率電動(dòng)機(jī)分解為若干小功率電動(dòng)機(jī)后，總功率不變的情況下，效率基本不變。對(duì)電動(dòng)尾槳而言，采用分布式設(shè)計(jì)，具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如提供設(shè)計(jì)冗余以提高安全性，降低對(duì)電機(jī)的要求以降低研制難度，有利于開(kāi)展多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)、效率等綜合性能的最優(yōu)化等。因此，分布式設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)于電動(dòng)尾槳而言十分重要。由于航空器電動(dòng)化發(fā)展尚處起步階段，分布式設(shè)計(jì)相關(guān)研究十分欠缺，目前尚無(wú)成熟成果，新穎性強(qiáng)，因此分布式設(shè)計(jì)技術(shù)為電動(dòng)尾槳的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

在實(shí)現(xiàn)實(shí)用化前，分布式設(shè)計(jì)需解決復(fù)雜空氣動(dòng)力學(xué)模型的建立、氣動(dòng)干擾分析、涵道氣動(dòng)性能影響分析等難點(diǎn)問(wèn)題，形成相應(yīng)設(shè)計(jì)方法。

3.4 尾槳設(shè)計(jì)技術(shù)

常規(guī)直升機(jī)尾槳采用變槳距方案來(lái)改變拉力大小，技術(shù)成熟，缺點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。電動(dòng)尾槳由于引入了電動(dòng)機(jī)，在轉(zhuǎn)速控制方面具有天然優(yōu)勢(shì)，因此更適用于采用變轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)，通過(guò)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)來(lái)改變拉力大小。尾槳取消了變距機(jī)構(gòu)，槳葉槳轂固定聯(lián)結(jié)，結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單。

國(guó)內(nèi)，電子科技大學(xué)的王飛碩士、戴躍洪教授對(duì)電動(dòng)尾槳轉(zhuǎn)速、槳距和產(chǎn)生拉力的關(guān)系進(jìn)行了計(jì)算研究。基準(zhǔn)機(jī)型為HZ950無(wú)人直升機(jī)，空載重量26.5 kg。計(jì)算表明(圖14、圖15)，直升機(jī)懸停時(shí)尾槳功率最大，高速前飛尾槳功率最小。對(duì)直升機(jī)電動(dòng)尾槳拉力隨轉(zhuǎn)速與槳距變化規(guī)律的研究證明，在槳距固定的情況下，通過(guò)改變轉(zhuǎn)速，能夠控制尾槳的功率大小，為變轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

圖14 尾槳功率隨前飛速度變化情況[15]

圖15 試驗(yàn)直升機(jī)懸停時(shí)電動(dòng)尾槳拉力隨轉(zhuǎn)速與槳距變化規(guī)律[15]

采用變轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)，需對(duì)尾槳進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，研究明確不同扭轉(zhuǎn)角下、不同轉(zhuǎn)速下的載荷譜、效率，結(jié)合強(qiáng)度計(jì)算進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。需重新進(jìn)行重量設(shè)計(jì)，適度降低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，以提高轉(zhuǎn)速變化響應(yīng)速度。因此，尾槳設(shè)計(jì)技術(shù)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)變轉(zhuǎn)速電動(dòng)尾槳而言重要程度高。

變轉(zhuǎn)速電動(dòng)尾槳工作時(shí)來(lái)流方向變化較大，有平行來(lái)流、垂直來(lái)流。變轉(zhuǎn)速螺旋槳飛機(jī)的來(lái)流則主要為垂直方向。因此，變轉(zhuǎn)速尾槳的設(shè)計(jì)，不同于傳統(tǒng)尾槳，也不同于變轉(zhuǎn)速螺旋槳，極具新穎性。

因此，尾槳設(shè)計(jì)技術(shù)為電動(dòng)尾槳的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。在國(guó)內(nèi)，中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所在相關(guān)領(lǐng)域具有深厚的技術(shù)積累和豐富經(jīng)驗(yàn)，在相關(guān)方面的研究處于領(lǐng)先地位。

4 總結(jié)與展望

電動(dòng)尾槳技術(shù)的出現(xiàn)，為單旋翼帶尾槳構(gòu)型直升機(jī)提供了新的技術(shù)選擇。此項(xiàng)技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、綠色減排、與旋翼解耦合從而降低功率消耗等優(yōu)點(diǎn)，因此得到了廣大航空企業(yè)的重視和研究。通過(guò)對(duì)電動(dòng)尾槳的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究分析，我們認(rèn)為，在可以預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，電動(dòng)尾槳技術(shù)難點(diǎn)能夠得到解決，具有良好的發(fā)展前景。

以AC311A尾槳系統(tǒng)為例，粗略測(cè)算隨著技術(shù)進(jìn)展，電動(dòng)尾槳的重量情況，從重量角度分析電動(dòng)尾槳在未來(lái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的可能性。電動(dòng)尾槳構(gòu)型選擇目前可行性最高的串聯(lián)混動(dòng)、電機(jī)直驅(qū)構(gòu)型。忽略結(jié)構(gòu)重量變化、尾槳重量變化、線纜和控制器重量變化，簡(jiǎn)單對(duì)比電動(dòng)尾槳的電動(dòng)機(jī)重量、電池重量(電池以應(yīng)急工作5min為標(biāo)準(zhǔn))和AC311A尾槳的傳動(dòng)軸、尾減速器重量，見(jiàn)表1。

表1 電動(dòng)尾槳與AC311A尾槳重量對(duì)比(單位：kg)

計(jì)算結(jié)果表明，隨著關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展，電動(dòng)尾槳在重量上逐漸降低，能夠和原機(jī)械結(jié)構(gòu)相競(jìng)爭(zhēng)。考慮到電動(dòng)尾槳帶來(lái)的安全性提升、噪聲下降、功率節(jié)約、節(jié)能減排等優(yōu)勢(shì)，該項(xiàng)技術(shù)極有發(fā)展前景。

當(dāng)前，航空業(yè)要求綠色化發(fā)展，電動(dòng)化已經(jīng)成為一大趨勢(shì)，電動(dòng)飛機(jī)、垂直起降飛行器的研究正在如火如荼地進(jìn)行。電動(dòng)尾槳作為電動(dòng)化發(fā)展的一部分，其關(guān)鍵技術(shù)與電動(dòng)飛機(jī)、電動(dòng)垂直起降飛行器有共同之處。因此，在電動(dòng)飛機(jī)、eVTOL技術(shù)發(fā)展極不成熟的階段下，發(fā)展電動(dòng)尾槳技術(shù)，除了本文已述的諸多優(yōu)點(diǎn)外，還能夠?yàn)楹娇諛I(yè)電動(dòng)化發(fā)展積累技術(shù)基礎(chǔ)，具有深刻的現(xiàn)實(shí)意義。