符長青

電推進技術(shù)和混合動力技術(shù)的涌現(xiàn)與發(fā)展，或?qū)⒔o航空業(yè)帶來一次產(chǎn)業(yè)革命，這是我國航空業(yè)參與全球航空技術(shù)創(chuàng)新的難得機遇。本文重點闡述國內(nèi)外油電混合動力系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，涉及美國、歐洲、俄羅斯、日本、中國的研發(fā)項目。

油電混合動力系統(tǒng)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(tǒng)有較大差異，甚至超越了傳統(tǒng)航空器的動力技術(shù)范疇，是航空器設(shè)計技術(shù)、動力技術(shù)和飛行控制導(dǎo)航技術(shù)的綜合集成，其研發(fā)、制造和實際使用是一個相當復(fù)雜的系統(tǒng)工程，不但涉及材料、發(fā)動機、電動機及飛控導(dǎo)航系統(tǒng)的技術(shù)研究和制造，還涉及試驗規(guī)范、試驗臺建設(shè)以及適航管理等內(nèi)容。

油電混合動力系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

世界上航空工業(yè)比較發(fā)達的主要國家和地區(qū)，都高度重視航空器油電混合動力系統(tǒng)的研制和發(fā)展，將油電混合動力系統(tǒng)視為未來具有廣闊應(yīng)用前景的航空動力解決方案，并組織航空器制造商和發(fā)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(yù)研，不斷提升混合動力技術(shù)水平及其技術(shù)成熟度。

美國研發(fā)項目

美國航空器的油電混合動力技術(shù)研究處于世界領(lǐng)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(shù)和產(chǎn)品的發(fā)展。

（1）美國國家航空航天局聯(lián)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(guān)注航空器油電混合動力系統(tǒng)的發(fā)展，認為未來民用航空業(yè)的爆發(fā)式成長是必然趨勢，燦爛的前景意味著巨大的挑戰(zhàn)，誰能發(fā)掘出未來技術(shù)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(shè)計最終報告》。這份報告是對30年后飛機的設(shè)想，權(quán)衡內(nèi)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(gòu)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(fā)動機并聯(lián)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(lián)合制訂了一項油電混合動力技術(shù)研究計劃，并將高功率密度電氣部件技術(shù)、分布式電推進系統(tǒng)性能及控制為核心技術(shù)布局視為油電混合動力關(guān)鍵技術(shù)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(nèi)須完成功率為1～2MW的油電混合動力系統(tǒng)研制，技術(shù)成熟度應(yīng)使通航飛機實現(xiàn)全電動飛行，50～100座支線客機實現(xiàn)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(shù)研究計劃進度表。

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

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

40年內(nèi)，參與方完成須要完成功率為10MW以上的油電混合動力系統(tǒng)研制，技術(shù)成熟度達到6以上，使300座干線客機實現(xiàn)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(dǎo)電機技術(shù)、高效率高功率密度超導(dǎo)電機技術(shù)領(lǐng)域取得了一定突破，該團體承擔(dān)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(xué)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(shè)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(fēng)扇，涵道風(fēng)扇由功率為2.6MW的電動機驅(qū)動，機翼下方的2臺渦扇發(fā)動機驅(qū)動的發(fā)電機為電動機供電。涵道風(fēng)扇內(nèi)埋在機體后方，吸入邊界層氣流并對涵道風(fēng)扇進行加速，降低了尾流阻力，從而減小渦輪發(fā)動機尺寸，并降低阻力。

（2）拜伊航宇公司推出“沉默衛(wèi)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(wèi)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(yōu)異性能，同時還采用了一臺渦扇發(fā)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(fā)的操作優(yōu)化和應(yīng)急管理軟件，使“沉默衛(wèi)士”無人機擁有先進的“例外管理”（Exception Management）理念。用戶在操控?zé)o人機和管理相關(guān)任務(wù)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(fā)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(tǒng)配有48V電池、2kW發(fā)電機和0.0043m3油箱。在任務(wù)載荷重量不超過5kg的情況下，該機可連續(xù)飛行約1.5h。若任務(wù)載荷重量不超過3kg，最多連續(xù)飛行5h。

（4）“視野”8油電混合動力無人機創(chuàng)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(chuàng)下多旋翼無人機有史以來的新紀錄?！耙曇啊?無人機最近在美國加州海岸山脈的上空飛行了約330km，連續(xù)飛行時間為13h4min。該機使用一個燃料噴射的汽油發(fā)動機，可將燃料轉(zhuǎn)化為電力輸送給8臺電動機，分別驅(qū)動8副旋翼旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)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(xù)航時間是同類型電動無人機的20多倍。

歐洲研發(fā)項目

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

（1）空客公司聯(lián)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(lián)合開展了油電混合動力系統(tǒng)技術(shù)研究，根據(jù)歐盟“航跡2050”（Track 2050）計劃中的節(jié)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(tǒng)的地面驗證和2MW級油電混合動力系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的初步研發(fā)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?！保╕eair）油電混合動力四旋翼無人機。該型無人機續(xù)航時間達到1h，最大飛行速度100km/h，任務(wù)載荷重量5kg，而當時的主流四旋翼電動無人機也難以實現(xiàn)這種性能指標?！叭~?！睙o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(fā)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?！叭~?！睙o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(fā)動機驅(qū)動。二沖程燃油發(fā)動機發(fā)電，提供源源不斷、強大的動力，以驅(qū)動電動機。電動機的反應(yīng)比燃油發(fā)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(fā)動機啟動也須要電動機的幫助。

（3）四元數(shù)公司混合動力2.0四旋翼無人機

2017年，西班牙初創(chuàng)公司四元數(shù)（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(tǒng)，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(fā)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(jù)報道，改進型“混合動力”2.1無人機現(xiàn)在可以在空中懸停10h14min。

（4）SP-55 FI TS油電混合動力發(fā)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(fā)動機SP-55 FI TS。該發(fā)動機有兩個火花塞，配置有燃油噴射系統(tǒng)和用于發(fā)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(fā)動機還裝配了SGC 352輕型啟動控制裝置和HKZ215點火系統(tǒng)，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(fā)了發(fā)動機和發(fā)電機的集成冷卻系統(tǒng)，位于發(fā)動機和發(fā)電機上方，以提供新鮮空氣并去除熱空氣。

俄羅斯研發(fā)項目

（1）中央航空發(fā)動機研究院發(fā)布航空器油電混合動力系統(tǒng)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(fā)動機外形圖。

2017年7月，俄羅斯中央航空發(fā)動機研究院（CIAM）在莫斯科航展上發(fā)布了該院首個航空器油電混合動力系統(tǒng)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(wù)機，其推進系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點是，由燃氣渦輪帶動發(fā)電機發(fā)電，然后由電動機驅(qū)動六副螺旋槳旋轉(zhuǎn)，當燃氣渦輪或發(fā)電機發(fā)生故障時，由備用電池提供動力。該油電混合動力系統(tǒng)將采用俄羅斯初創(chuàng)公司提供的Super Ox超導(dǎo)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(fā)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(tǒng)的試驗驗證。

（2）ARDN技術(shù)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(shù)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(wù)載荷，最大飛行速度70km/h，最大續(xù)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(jié)構(gòu)設(shè)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(tǒng)。該系統(tǒng)控制方向的旋翼分開，兩副主旋翼提供升力，汽油發(fā)動機提供動力，而控制飛行方向和姿態(tài)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(fā)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?zé)o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(fā)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(nèi)燃機集成在一起），從而大幅提高了無人機的續(xù)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(fā)現(xiàn)，除用于偵察任務(wù)外，還可加裝目標截獲系統(tǒng)、通信中繼系統(tǒng)和移動網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，執(zhí)行偵察、手機識別及定位等任務(wù)。

中國研發(fā)項目

我國無人機產(chǎn)業(yè)發(fā)展十分迅猛，特別是民用無人機，已經(jīng)發(fā)展為全球性優(yōu)勢產(chǎn)品。不過，在重載長航時航空器油電混合動力技術(shù)領(lǐng)域，我國目前還處于起步階段。以無人機油電混合動力技術(shù)革新為契機，我國航空業(yè)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(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

2021年10月，中國航空研究院組織國內(nèi)優(yōu)勢力量，對電動飛機發(fā)展的必要性、定義與分類、重點產(chǎn)品、關(guān)鍵技術(shù)、措施建議等方面進行研究，提出電動飛機發(fā)展白皮書。該白皮書認為，電動飛機以電能作為推進系統(tǒng)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(lǐng)域新一輪創(chuàng)新與變革熱潮，推動航空技術(shù)、綠色航空創(chuàng)新發(fā)展，將對世界航空業(yè)產(chǎn)生革命性影響。該白皮書提出，我國應(yīng)重點發(fā)展在城市空中運輸、輕型運動、通勤運輸、支線運輸?shù)阮I(lǐng)域中運營的4類電動飛機；聚焦總體設(shè)計技術(shù)、高效高功重比電推進技術(shù)、能量綜合管理技術(shù)、能源系統(tǒng)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展；建議制定電動飛機發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，加大研發(fā)投入，同時關(guān)注適航能力建設(shè)與人才培養(yǎng)，從而推動我國電動飛機發(fā)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(wù)載荷可飛行2h，最大續(xù)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(xù)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(wù)載荷持續(xù)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(fēng)、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℃?！办`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(xué)變焦攝像頭、光電/紅外吊艙、救生拋投裝備、中繼通信設(shè)備、喊話器、大氣污染探測器、激光雷達、物流箱等多種任務(wù)載荷，在不同領(lǐng)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(tǒng)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(lián)式油電混合動系統(tǒng)，系統(tǒng)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(wù)載荷重量20kg，滿載時可飛行2h，如果空載，最大續(xù)航時間可達3h，應(yīng)用范圍較廣。

日本研發(fā)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(wù)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(fā)動機，均為川崎重工公司（Ninja ZX-10R）摩托車的發(fā)動機。油電混合動力發(fā)動機產(chǎn)生的電力驅(qū)動8副螺旋槳旋轉(zhuǎn)。與同量級無人直升機相比，該型無人機具有成本低的優(yōu)勢。