未来新概念直升机－电动直升机

2012-09-16于琦

直升机技术 2012年1期

于琦

(中国直升机设计研究所，江西景德镇 333001)

0 引言

众所周知，用石油加工的可燃产品，无论是汽油、煤油或柴油都是目前全球通用的主要燃料。99%的地面运输工具采用这些燃料，在航空领域，99%的飞行器也采用石油加工的产品作为燃料。随着燃料需求的与日俱增，石油储量在不断减少，所以石油产品的价格也不断攀高。因此，世界各国都在探索采用新能源，并真正体现环保的理念。

研制电动直升机并非突发奇想，人们在很久以前就提出了这种构想。但是，由于蓄电池的重量问题，到目前为止这种设想还没有真正成为现实。随着动力技术的不断发展，蓄电池变得越来越轻，蓄电量也越来越大。

电动直升机面临的主要技术问题是电动力系统的重量偏大。克服自重过高的主要措施是:减少有效载荷、航程、续航时间和降低速度，降低直升机自身飞行需要的功率，采用大升阻比气动外形。

图1 电动直升机示意图

1 电动直升机的主要研究方向

电动直升机最突出的优点是环保、低污染、低噪声、低振动。与现有直升机相比，可实现零排放，噪声和振动水平显著降低，具有极好的舒适性。电动直升机的电动力系统最关键的是电能存储及生成系统，包括锂离子电池、燃料电池和太阳能电池等［1］。

电机具有效率高、环保性好等突出优点，同时又无需减速齿轮箱系统，大大降低了重量和机械复杂性。电机还具有结构简单、零件数量少、使用温度低、冷却简单、可靠性高、维修性好等特点。

锂离子电池是20世纪90年代初出现的新型高能电池，主要优点是:能量高、绿色环保、无污染、使用寿命长、额定电压高、循环寿命高、高低温适应性强和可快速充电等，因此成为电动直升机的理想储能系统。

未来电动直升机的主要研制方向如下［2］:

1)电传飞控系统;

2)可收放式起落架;

3)电动发动机;

4)电动起动机;

5)发动机电动控制装置;

6)大功率辅助动力装置;

7)座舱空调系统，用专用电动发动机压缩机代替发动机压缩机引气;

8)电防冰系统;

9)新型电源，电压270－540V。

2 西科斯基飞机公司电动直升机研究

目前，西科斯基飞机公司已研制出电动直升机，该直升机采用新一代轻型蓄电池。2010年7月26日，西科斯基飞机公司在威斯康星的奥神科什航空学术中心的年度航展上展出了“萤火虫”直升机，该直升机采用电能，并实现了升空。

由于蓄电池生产工艺的改进，蓄电池更轻，电量更大，所以电动直升机由构想一步一步走向现实。西科斯基飞机公司的“萤火虫”是在S－300C直升机的基础上研制的。“萤火虫”直升机采用200 Hp的电动机，电源采用锂离子蓄电池，该锂离子蓄电池每小时能提供135 A的电量。采用该蓄电池足可以使“萤火虫”留空15min。“萤火虫”装两个蓄电池，每个重约265kg。

通过电动直升机与现有直升机的对比分析，西科斯基飞机公司把“萤火虫”发动机功率定位在94kw。

在“萤火虫”直升机座舱中装有专门的液晶显示器，为驾驶员提供动力装置的工作状态和剩余电量等信息。

图2 “萤火虫”直升机

电动发动机的优点:

1)低噪声;

2)经济性好;

3)零排放;

4)比燃气涡轮发动机的寿命长。

经过研究，西科斯基飞机公司提出一系列装电动发动机的直升机构型。把电动直升机的起飞重量定位在1500kg，使其商用成为可能。直升机的结构布局采用双旋翼共轴方案。该方案的优点是:空气动力对称、无尾桨，发动机的所有功率都用来产生升力，外形尺寸小，可以大大增加直升机的使用范围。因为旋翼直径小且无尾桨，所以便于在舰船上和城市中使用。缺点是:操纵系统复杂，航向稳定性差。

3 电动直升机可行性方案分析

3.1 采用电动发动机和蓄电池(方案1)

电动直升机对蓄电池系统有很高的要求，必须是高比能量和高能量密度。传统的铅酸蓄电池、镍镉蓄电池都不能满足要求，锂离子蓄电池比较适合电动直升机。

为了分析方案的可行性，首先必须进行直升机的重量计算。

通常，直升机重量的一阶近似计算采用重量效率系数，此方案的重量效率系数 P=0.45［3］。

为了计算起飞重量，采用了如下数据:

m机组=90kg

m设备=60kg

m载重=n· m机组=4 ×90kg=360kg

燃油的相对重量如下:

用下面的公式来计算起飞重量:

m起飞=(m载重+m机组+m设备)/P=(360+90+60)/(0.45 －0.154)=1722kg

m燃油=· m起飞=0.154 ×1722=265kg

对于客运型直升机来说，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载荷=360+90+60+291=801kg

因此，起飞重量的精确值为:

m起飞=m载荷/P=801/0.45=1780kg

从而得到空重为:

m空=m起飞－m载荷=1780－801=979kg

如果采用电动发动机和蓄电池，那么直升机的重量计算如下:

m蓄电池=265kg

m电动机=100kg

该直升机需要安装2台电机和4个蓄电池。因此动力装置总重、发动机和蓄电池的重量如下:

m动力装置=2×m电动机=2×100=200kg

m燃油=4×265=1060kg

m起飞－m动力装置－m机组－m燃油=1780－200－90－1060=430kg

因此，直升机的机身、旋翼、传动系统、操纵系统、起落架、导航设备、冷却系统、加温系统以及其它必要设备的总重为430kg。由于旋翼桨叶和机身部件可采用复合材料，所以原型机的机身、起落架、传动、操纵、导航的设计重量必须保证在400kg。在目前的蓄电池发展水平下，该直升机可以实现升空，但也仅仅是带自身的结构重量和驾驶员完成，在此情况下只能飞行15min。

3.1.1 此方案的优点

1)无传动系统;

2)低噪声;

3)使用费用低;

4)零废弃物排放;

5)直升机所有部件的寿命长;

6)无润滑;

7)安全;

8)动力装置效率高。

3.1.2 此方案的缺点

1)日飞行时间短;

2)不可能作为商用。

3.2 采用燃料电池(方案2)

燃料电池电动直升机采用的是氢燃料电池，因为其具有环保性能好、效率高等突出优点。目前燃料电池电动飞机已经研制出并成功试飞，技术研究取得较大进展。燃料电池电动直升机的研究还在起步阶段，需要进一步地探索与开发。

针对燃料电池电动直升机，在计算时，可以采用第一个方案的计算数据，并在此基础上进行一些必要的修正［3］。

用如下数据进行计算:

m机组=90kg

m设备=60kg

m载重=n· m机组=4 ×90kg=360kg

m起飞=1780kg

在目前的工艺技术水平下，可以研制出功率为1kw/kg的燃料电池。

m燃料电池=300kg

m氢气瓶=77kg(容量为50L的氢气瓶的重量)

m电机=100kg

从公开的报道中获知，BMW公司已研制出80kw的燃料电池，加满一个氢气瓶需要54L氢气。这些氢气可以使汽车行驶500 km，百公里油耗为9.259L氢气。假定燃料电池的需用燃料与功率是线性关系，可以计算出功率300kw的燃料电池所需要的氢气。

Q=300/80 ×9.259=34.721L

由于航空发动机需要的功率大，并考虑到油耗的误差，代入系数k=1.2得到:

Q=34.721 ×1.2=41.66L

如果直升机机载氢气量为200L，那么

m动力装置=2×m电动机+m燃料电池=2×100+300=500kg

m燃油=4×77=308kg

m起飞－m动力装置－m机组－m燃油－m载重=1780－500－90－308－360=522kg

类似于第一种方案的计算结果，包括仪表和直升机部件在内的结构总重定为400kg。由于燃料电池的不断发展，其重量也不断下降，因此该方案的重量效率很高。大量的一阶计算指出，采用燃料电池的直升机与采用燃气涡轮作为动力装置的传统直升机的结构重量相当，所以其商业前景广阔。当然，在设计时，需要对发动机和燃料电池的参数进行详细计算与研究，使该直升机具有大航程飞行能力，并能与传统的直升机竞争。

从公开刊物可知，美国的航空学会为发展氢气燃料电池已耗资3亿美元。欧洲航空学会也进行类似的研究，耗资约1.7亿欧元。据称，燃料电池的重量每年都在降低，到2020年，燃料电池的重量预计会降低4～5倍。

3.2.1 燃料电池直升机的优点

1)无传动系统;

2)噪声低;

3)零废弃物排放;

4)直升机所有部件的寿命长;

5)无需润滑;

6)重量效率高;

7)在航程和在重量方面可与传统的直升机进行竞争;

8)动力装置效率高。

3.2.2 燃料电池直升机的缺点

1)短期不可能作为商用;