無人機油電混合動力系統（六）

符長青

本文介紹電動垂直起降飛行器動力裝置的類型、電池集成技術以及7種配裝油電混合動力系統的電動垂直起降飛行器，并闡述各型飛行器的技術特點與發展歷程。

電動垂直起降飛行器動力裝置的類型

飛行器的動力裝置也稱動力系統，包括燃油發動機系統和電動機系統兩大類。其中，燃油發動機系統由發動機、油料油箱、潤滑油系統和各種動力輔助裝置等部分組成；電動機系統包括電動機、電池組、新型燃料電池和轉速控制系統等部分。按照垂直起降飛行器的定義，垂直起降飛行器的整體布局實質上就是一種旋翼飛行器，它可以采用5種類型的動力裝置（見圖1）。但是，電動垂直起降（eVTOL）飛行器不同于垂直起降飛行器，英文eVTOL中的第一個小寫字母e表示電動，后面4個大寫字母VTOL表示垂直起降。顧名思義，電動垂直起降飛行器的動力系統必須包含電動機和電池，可選用動力系統只有三種類型，即混合動力裝置、動力電池和燃料電池，因為這三種動力系統都包含電動機和電池。

圖1 垂直起降飛行器的動力裝置。

前面章節已經對各種動力系統的優缺點做了對比分析，結論是，油電混合動力系統是當前電動垂直起降飛行器最適合使用的動力裝置。

電動垂直起降飛行器的電池集成技術

電動垂直起降飛行器采用動力電池作為能源，可以得到穩定電壓以及受外界影響很小且能長時間穩定供電的電流。動力電池具有結構簡單、攜帶方便、充放電操作簡便易行、受外界環境溫度影響較小、性能穩定可靠等優點。目前適用于電動垂直起降飛行器的動力電池主要有鋰電池以及燃料電池、石墨烯電池、鋁空氣電池、納米電池和固態電池等各類新型電池。電動垂直起降飛行器電池集成是指動力電池在機身內安裝的集成方式。目前常用的電池集成技術主要有三類，一是傳統的電池包集成技術；二是新的CTP（Cell to Pack）和CTC（Cell to Chassis）電池包集成技術。

（1）傳統電池包集成技術

電動垂直起降飛行器傳統電池包是一種標準化模塊。它由電芯組成模組后，再與機身地板組裝在一起。這種集成方法的優點是，每個電池包都由多個模組組成，每個模組都有單獨的殼體保護和控制單元，便于電池的電量控制和熱管理。在維修時，操作人員可以單獨更換電池模組，維修方便。缺點是模組間存在安全間隙及整體重量較大，不僅空間利用率低，而且每個模組都要配置單獨的控制單元，導致整體重量較大，成本較高。

（2）CTP電池集成技術

電動垂直起降飛行器CTP電池集成技術取消了傳統集成方式的模組結構，電芯直接組成電池包，電池包集成到無人機機身地板上，成為機身結構件中的一部分組成。這種集成方法的優點是，消除了模組之間的布置間隙，增加了電芯的數量，取消了模組結構，從而降低了整體電池包的重量。缺點是電池包須要作為機體結構件的一部分組成而承載載荷，對動力電池的結構設計提出了更高的要求。

（3）CTC電池集成技術

電動垂直起降飛行器CTC電池集成技術是指，電芯直接集成在無人機機身地板框架內部，將地板上下板作為電池殼體，即電池成為電動垂直起降飛行器機身的一部分組成。它是CTP方案的進一步集成，機身地板的上下板代替了電池殼體和蓋板，電芯與機身地板采用一體化設計，形成一個強度和剛度都非常大的結構體。這從根本上改變了電池的安裝形式，電池的電芯不僅是能量存儲和釋放單元，而且成為電動垂直起降飛行器整機結構件的一部分組成。這種集成方法的優點是，取消了電池包的結構件，實現了高度集成化和模塊化，大大提高了電動垂直起降飛行器空間利用率，降低了電動垂直起降飛行器的重量，使電動垂直起降飛行器的續航時間增加15%~25%。缺點是，電芯作為機身結構件的一部分承載載荷，須要考慮如何與上下結構件固定在一起，以應對最為苛刻的剪切力。該技術對生產工藝提出了更高的要求，電池維修較困難。

上述三種電池集成技術對比如表1所示。對比結果表明，電動垂直起降飛行器使用CTC方案，其空間利用率最高，電池電量的提升有顯著效果。在現有電池技術不變的條件下，CTC方案是有效提升電量的最佳集成方案。

表1 三種電池集成技術方案對比表。

配裝油電混合動力系統的電動垂直起降飛行器

隨著人們生活水平的提高，現在很多人都擁有自己的小汽車，但是道路交通擁堵特別嚴重，尤其是一線城市的道路，很多出行計劃經常會因嚴重的塞車而被迫取消。在當代市場經濟環境下，廣大顧客的需求就是商機。于是，世界著名飛機制造商、汽車生產商和許多新的初創公司瞄準了這個巨大的市場，紛紛上馬并投入巨資，開始研制電動垂直起降飛行器。下面列舉幾個以油電混合動力系統為動力的電動垂直起降飛行器案例。

吉利控股集團有限公司開發電動垂直起降飛行器

吉利控股集團有限公司是一家中國民營汽車制造企業，2017年收購了美國太力（Terrafugia）飛行汽車公司后，開發了一款電動飛行汽車，名為TF-1。TF-1電動飛行汽車采用了油電混合動力裝置，可搭乘2人，航程超過600km，最高飛行速度160km/h，最大飛行高度3048m。2021年1月15日,TF-1電動垂直起降飛行器獲得美國聯邦航空管理局（FAA）頒發的輕型運動飛機（LSA）特許適航證。飛行汽車設計存在較大難度，因為要同時滿足地面行駛和空中飛行這兩個存在很大內在矛盾的使用要求。因此，TF-1電動飛行汽車能成功獲得美國聯邦航空管理局頒發的特許適航證，說明該產品取得了很大的成就。

圖2 TF1電動飛行汽車。

輕型運動飛機不屬于審定類飛行器，美國聯邦航空管理局不要求輕型運動飛機進行適航審定。輕型運動飛機制造商僅向美國聯邦航空管理局提交符合性聲明，然后美國聯邦航空管理局的檢查員對相關文件進行審查，審查完成后，輕型運動飛機制造商就可以量產并銷售產品。特許適航證不是正常類型號合格證（即適航證）。按現有規定，輕型運動飛機的最大起飛重量為600kg。美國聯邦航空管理局正在修訂的輕型運動飛機最大起飛重量有可能提高到750kg，而TF-1電動飛行汽車的最大起飛重量為850kg，大大超過了美國聯邦航空管理局輕型運動飛機的要求。因此，TF1電動飛行汽車須獲得美國聯邦航空管理局批準的多項許可。

目前，吉利控股集團有限公司正在研制電動垂直起降飛行器TF-2A，并預告TF-2A全尺寸原型機即將問世。TF-2A飛行器擁有8個升力螺旋槳和1個推進螺旋槳，無須地面跑道即可垂直起降。此外，與傾轉旋翼飛行器或傾轉機翼飛行器相比，TF-2A采用了復合式構型，這種構型的飛行器容易通過適航審定并取得較高的經濟效應。出于安全性考慮，TF-2A安裝了三點輪式起落架，在緊急迫降時，該型飛行器擁有更多的迫降點選擇。TF-2A可搭載2名乘客，最大航程100km，巡航速度180km/h，實用升限3000m。

聯合開發中心科技股份有限公司推出電動垂直起降飛行器

聯合開發中心科技股份有限公司（JDC Technology Inc）位于美國加州洛杉磯市，多年來一直從事消防無人機研制與銷售。該公司提出的電動垂直起降飛行器方案采用了復合式構型和“星鏈”通信網絡技術，擁有8個軸16副旋翼和1個推進螺旋槳，能以多旋翼無人機模式垂直起降，又能以固定翼無人機模式實現較高的飛行速度和巡航飛行。該 公 司FF-1（FireFighting-1）消 防無人機和PP-1（Passenger Plane-1）載人飛行器的氣動和總體結構相同，只是任務載荷不同。其中，FF-1為不載人無人機，任務載荷重量600kg，可承擔高層建筑滅火和森林滅火任務；PP-1飛行器可搭載5名乘客，主要用于旅客運輸，是一種經濟高效、省時的中短途交通運輸工具（見圖4）。

圖4 聯合開發中心科技股份有限公司開發的PP-1電動垂直起降飛行器。

圖3 吉利控股集團有限公司TF-2A電動垂直起降飛行器。

FF-1和PP-1飛行器均使用油電混合動力系統提供動力，安裝了滑橇式起落架，機長8m，機高1.8m，翼展1.8m，雙垂尾高1m，最大航程500km，巡航速度200km/h，實用升限3000m?；谛擎溇W絡技術，FF-1和PP-1飛行不受通信鏈路傳輸距離限制，通信信號可覆蓋全球。在地球上能看到天空的任何地方，FF-1和PP-1飛行器至少能與三顆“星鏈”衛星進行網絡通信?！靶擎湣本W絡無人機的數據傳輸速率達1Gb/s、時延小于10ms（與5G通信網絡的數據傳輸速率相當）。

阿斯頓馬丁公司公布“沃蘭特愿景”電動垂直起降飛行器

阿斯頓馬丁公司是英國一家汽車制造商，以生產敞篷旅行車、賽車和限量版豪華跑車而聞名于世。近期，阿斯頓馬丁公布了一種概念飛行器，名為“沃蘭特愿景”（Volante Vision），計劃開發電動垂直起降飛行器。

“沃蘭特愿景”電動垂直起降飛行器采用了混合動力技術和自動駕駛技術，由阿斯頓馬丁公司、克蘭菲爾德大學和勞斯萊斯公司聯合開發，是一種飛行的士，旨在為交通擁擠的城市提供通勤服務?！拔痔m特愿景”采用三軸設計，前端兩軸上的螺旋槳能以任意角度偏轉，實現前飛和轉向，而后軸的螺旋槳與地面平行，為飛行器提供升力。由概念圖可見，該型飛行器的外形十分漂亮，內飾也和阿斯頓馬丁公司生產的汽車一樣，非常奢華。

圖5 阿斯頓馬丁公司“沃蘭特愿景”電動垂直起降飛行器的概念圖。

圖6 英國勞斯萊斯公司電動垂直起降飛行器。

勞斯萊斯公司開發電動垂直起降飛行器

英國勞斯萊斯公司是世界超豪華轎車制造商之一，1906年成立于英國。該公司公布了一種電動垂直起降飛行器。該機最大飛行速度402km/h，最大航程805km，其油電混合動力系統中的渦輪增壓汽油發動機可以提供500KW的最大功率。勞斯萊斯公司將該型飛行器定位為飛行的士、私人飛機和貨機。

該機采用了傾轉機翼布局設計，4個螺旋槳及油電混合動力系統安裝在機翼上，機翼可90°旋轉，能像雙旋翼橫列式無人直升機那樣垂直起飛，起飛后機翼繞水平軸相對于機體逐漸向前轉動，逐漸轉入前飛狀態，當過渡到平飛姿態時，該機如同固定翼無人機，依靠固定翼產生升力，支撐機體重量，以及依靠轉軸近乎水平的螺旋槳產生向前的推力。

奧迪公司推出“下一代超時尚”概念機

奧迪公司是世界著名的汽車制造商，于1898年在德國創立，總部位于德國英戈爾施塔特市。多年來，奧迪汽車在世界各地廣受歡迎。當前，世界電動垂直起降飛行器熱潮來襲，奧迪公司也沒有放過這次大好商機。在2020年日內瓦車展上，奧迪公司聯合老牌飛機制造商空客公司，推出了“下一代超時尚”（Pop.Up Next）電動垂直起降飛行器的概念機。由概念圖可見，“下一代超時尚”由汽車底座和飛行模塊兩部分構成，以油電混合動力裝置為動力。飛行模塊由碳纖維復合材料制成，配備有4個螺旋槳。座艙可搭乘2人，艙內未配備方向盤，僅配有一臺大尺寸顯示器。“下一代超時尚”也是一種飛行的士，旨在提供通勤服務。今年6月，奧迪公司獲得德國政府頒發的飛行出租車測試資格證，計劃在奧迪公司總部進行測試。

PAL-V公司PAL-V電動垂直起降飛行器亮相

圖7 “下一代超時尚”電動垂直起降飛行器的概念圖。

PAL-V公司位于荷蘭，推出了PAL-V電動垂直起降飛行器。該機以油電混合動力裝置為動力，將汽車、摩托車和直升機的概念結合在一起。它既能像汽車一樣在地面行駛，也能像直升機一樣在空中飛行。2009年4月27日，PAL-V公司向荷蘭交通部長展示了PAL-V原型機。據悉，PAL-V電動垂直起降飛行器最先承擔緊急服務部門的任務。使用者只須按一個鍵，該型飛行器在10min內便可全自動完成汽車形式與直升機形式間的切換。PAL-V飛行器的最大行駛速度可達180km/h，而安裝在車后方的可折疊水平旋翼、尾翼與推進器展開后，該機就能騰空飛行，最大飛行速度可達185km/h，航程800km，飛行高度1200m。2020年10月，PAL-V公司宣布，PAL-V電動垂直起降飛行器已成功通過歐洲道路通行考試，并獲得官方頒發的正式牌照。

駿馬集團“確信飛行”電動垂直起降飛行器亮相

駿馬集團（Workhorse）位于美國俄亥俄州，主要業務包括無人機和卡車生產制造。因此，該公司既能從卡車業務中獲得自動駕駛技術，又能從無人機業務中獲得油電混合動力技術，然后將這兩種關鍵技術同時應用于“確信飛行”（SureFly）電動垂直起降飛行器。“確信飛行”采用了多旋翼氣動布局設計，具有4個軸8副旋翼，主用定位是私人飛行器、商用運輸機、農用飛行器和輕型軍用飛行器。

2017年6月，“確信飛行”電動垂直起降飛行器在法國舉行的巴黎航展上正式亮相。2018年1月，駿馬集團在美國內華達州舉行的2018消費電子產品展會上展示了“確信飛行”。該機于2018年4月在美國俄亥俄州辛辛那提市倫肯機場成功完成首次飛行，并于同年8月開展了多次飛行測試。2018年11月，美國陸軍與駿馬集團簽訂合作研究與開發協議（CRADA），旨在探索這種輕型飛行器的潛在作戰能力。2019年底，“確信飛行”電動垂直起降飛行器獲得美國聯邦航空管理局頒發的型式認證。

上述7種電動垂直起降飛行器均采用了油電混合動力系統，但是這并不等于說基于純電動技術的電動垂直起降飛行器就沒有市場前景。

隨著電動垂直起降飛行器的快速發展，以及人類不斷推進空中巴士、空中出租車等電動垂直起降飛行器的示范性商業應用，城市空中交通時代即將開啟。未來，在全新的智慧交通體系中，私人交通工有望實現“飛”起來的夢想。 ■

圖8 荷蘭PAL-V公司研制的PAL-V電動垂直起降飛行器。

圖9 美國駿馬集團推出一款電動垂直起降飛行器“確信飛行”。

表2 部分電動垂直起降飛行器一覽表。