天翼1无人机电动化改造可行性分析

邹宁，姚小轶，梁爽，杜圣超

(航空工业成都飞机工业(集团)有限责任公司 技术中心，成都 610092)

0 引 言

电动飞机是指以电能作为推进能源的飞机，其优点是高效节能、环境友好，能够实现零排放或极低排放；噪声和振动水平极低，乘坐舒适性好(对于军事用途而言隐蔽性好)；结构简单，使用维护简单，经济性好等[1-3]。在小型飞机中，用电池代替燃油作为初级能源，不仅没有污染，而且规避了航空燃油获取困难，价格昂贵的缺点，扩展了飞机的使用范围。由于这些优点，电动飞机迅速成为近年来航空领域的研究热点之一，受到广泛关注[4]。

纯电动飞机已被国内外的飞机公司研制成功，有些已实现了批量生产，并广泛应用于飞行员培训、旅游观光、私人飞行和航空摄影等通用航空领域。捷克Phoenix Air飞机公司2011年推出了Phoenix Air U-15电动滑翔机，最新的升级版本将有超过2 h的续航时间，该机已经取得捷克实验类轻型运动飞机适航许可(ELSA)。捷克Skyleader飞机公司的SL400 是一款下单翼并列双座电动飞机，属于欧洲标准的超轻型运动类飞机，该机具有可收放的起落架和全金属机身，使用液冷电机，最大飞行速度230 km/h，航时1.5 h，已于2017年秋季首飞成功，目前已经取得捷克实验类轻型运动飞机适航许可。斯洛文尼亚蝙蝠公司(Pipistrel Aviation)的电动飞机Alpha Electro于2017年推向市场，同年即获得24架的订单，该机因其技术成熟、指标先进，成为当前电动飞机市场的代表作。我国沈阳通用航空研究院研制的国内首款电动双座轻型飞机“锐翔”RX1E于2013年实现首飞，2015年获得国家民航局颁发的轻型运动飞机“型号设计批准书”和生产许可证，已实现量产交付。该机的最新改进型RX1E-A续航时间已提高到2 h，符合世界主要地区对电动轻型飞机续航能力的要求[5]。电动飞机正在影响着未来航空的发展方向，先进电动飞机有望广泛应用于通用航空等领域，大幅度改善人类的生活和生产方式，开创电动力航空时代[6]。

目前在无人机领域，采用电动机作为动力主要集中在微小型无人机、无人旋翼机和太阳能无人机。质量大且航时较长的无人机基本都采用了燃油动力系统。随着电动机、电池等技术的发展，将现有的燃油动力无人机改造为电动无人机在技术上已变得可行。对适合的无人机进行电动化改造，可提高无人机的环保性、安全性、可靠性和维护性。电动机相对于燃油发动机几乎可以做到零排放，减少对环境的污染。同时电动机系统与燃油发动机系统相比，系统组成更加简洁，更利于维护，安全性更高(不存在燃油泄漏甚至着火的危险)，也具有更高的可靠性(空中停车的可能性更低)。另外电动化改造后无人机的控制将变得更加简单，同时还能降低使用成本(每次任务只需要充电，而不是消耗相对昂贵的燃油)，可获得更好的经济效益。

天翼1无人机是航空工业成都飞机工业(集团)有限责任公司(简称成飞公司)现有的一款成熟无人机，采用活塞式汽油发动机。本文对天翼1无人机电动化改造的可行性进行分析。

1 天翼1无人机简介

天翼1无人机是成飞公司自行研制的轻型多用途无人机，具有小型化、集成化、智能化等特点[7]。该无人机具备滑跑起飞、车载起飞、火箭助推起飞、滑跑着陆、伞降回收多种起降方式，可以满足用户不同使用条件的需求。在航空遥感、气象探测、环境监测、边防巡逻、海事监测、应急救灾、航空测绘、森林防火监视、高压电线与输油管路巡查等众多领域都有其用武之地。目前天翼1无人机已交付于国家环境保护部卫星环境应用中心[8]，并参与了多次执法行动，在环境监测领域发挥了巨大作用。天翼1无人机模型如图1所示。

图1 天翼1无人机Fig.1 SW1 UAV

天翼1无人机基本参数如表1所示。

表1 天翼1无人机基本参数

2 电动化改造分析

2.1 改造方案

传统飞机通过发动机将燃料的化学能转化为机械能产生动力，与之相对的电推进飞机通过电动机驱动涵道式风扇、螺旋桨或其他装置产生动力，直接将电能转化为机械能[9]。

天翼1无人机电动化改造将拆除原有的燃油动力系统，换装以锂电池组为能源，电动机为动力的电推进系统。电推进系统是电动飞机的核心，电动飞机的性能和用途主要取决于其电推进系统[10]。电推进系统由电动机、螺旋桨、电动机控制器、锂电池组、电源管理系统(BMS)组成，系统交联关系如图2所示，螺旋桨沿用天翼1无人机原螺旋桨。此外还需要对无人机的配电设备和配电方式进行调整，同时飞控的控制策略也要做相应修改。

图2 电推进系统交联图Fig.2 Cross-linking of electric propulsion system

电推进系统要满足各飞行状态下的最大推力要求，在续航时间内提供所需的推力并为机载设备供电[11]。通过计算飞机飞行剖面各状态所需的功率和能量，由各状态所需功率确定电动机的功率，由飞行剖面总能量确定电池的电容量[12]。

2.2 电动机需求分析

选择合适的电动机，需要对无人机各飞行状态所需的最大功率进行综合分析。如果选择的电动机功率过小，电动机会经常处于高过载状态工作，这会缩短电动机的使用寿命甚至导致无人机无法起飞[12]；相反，如果所选电动机功率过大，则无法发挥出电动机最佳工作状态，且所需电量也会增大，这会增加电动机和电池质量，对电动机和电池造成浪费，同时影响无人机性能。

通过对天翼1无人机飞行任务剖面的分析，可知无人机在起飞时的爬升阶段所需功率最大。因此选择起飞时需要的最大功率作为电动机额定功率。无人机在起飞时所需的最大推力可由以下方程式组求出：

(1)

式中：a1为飞机起飞爬升时的加速度；Vl为爬升结束时的平飞速度(取150 km/h)；Vtk为起飞速度(取100 km/h)；Sc为爬升飞行的距离(设爬升高度为1 000 m，则Sc=1 000/sinβ)；D为阻力；S为机翼面积；ρ为空气密度(取海平面空气密度)；β为爬升角(取5°)；CD为阻力系数；Fc为起飞时最大推力；m为无人机质量(取最大起飞质量85 kg)；g为重力加速度(取9.8 m/s2)。

代入各参数值可求得Fc=180.68 N。假设无人机做定常爬升飞行，则所需最大功率为

螺旋桨效率ηp取0.8，电动机效率ηe取0.95，则所需的电动机功率为

实际选择电动机时应考虑一定的余量，这里参考天翼1无人机的动力系统，选取额定功率13 kW的电动机。

2.3 锂电池组电容量分析

锂电池组电容量需要根据无人机任务剖面内各阶段的耗电量进行分析确定。本文选择天翼1无人机滑跑起飞、伞降回收起降方式的任务剖面，该剖面包含以下几个阶段：地面等待、滑跑、爬升、巡航、下滑、伞降回收，如图3所示，其中伞降回收阶段，除切伞外全机基本无其他电量消耗，且切伞所耗电量极低，可忽略不计。

图3 天翼1无人机任务剖面Fig.3 Mission profile of SW1 UAV

按最佳航时进行分析，无人机质量取正常起飞质量70 kg，起飞速度取100 km/h，巡航速度取120 km/h，爬升高度取1 000 m，电动机控制器效率ηc取0.98，则电推进系统的总效率

η=ηpηeηc=0.8×0.95×0.98=0.744 8

下面分别对各阶段所需电量进行分析。

地面等待阶段：这一阶段的时间设为1 min，所需功率取电动机额定功率的1/5，则这一阶段的耗电量为

滑跑阶段：假设这一阶段无人机作等加速度运动，这一阶段的时间可以由式(2)求出

(2)

式中：Srun为起飞滑跑距离，设为150 m；a2为滑跑加速度，可求得时间trun=10.8 s。

这一阶段电动机功率取爬升阶段起飞时功率的90%，求出爬升阶段起飞时的需用最大功率为4 257 W，则滑跑阶段的耗电量为

=0.015 kW·h

爬升阶段：由式(1)和Vl=Vtk+a1tclimb，可求得爬升所需时间为376 s，则这一阶段的耗电量为

=0.596 kW·h

巡航阶段：这一阶段的需用功率为

(3)

式中：K为升阻比，取15，可求得Pcruise=1.524 kW，巡航时间按2 h计算，则这一阶段的耗电量为

下滑阶段：开伞高度距地面约200 m，下滑高度为1 000-200=800 m。这一阶段的需用功率取巡航阶段的80%，下沉率取3 m/s，则这一阶段的耗电量为

=0.121 kW·h

伞降回收阶段：考虑30 min的巡航时间余量，则有

机上其他用电设备的总功率为400 W，2 h的耗电量为

Wother=Pothertother=0.4×2=0.8 kW·h

因此锂电池组的总电容量应为

Wcell=Wwait+Wrun+Wclimb+Wcruise+Wglide+

Wsave+Wother=6.707 kW·h

2.4 改造可行性分析

首先分析天翼1无人机电动化改造后全机质量变化。目前广泛使用的电动机系统功率密度普遍低于燃气涡轮发动机的水平，电动机系统的功率密度问题严重影响了电推进系统的推广使用[13]。现有小型电动飞机的电动机额定功率密度基本为2 kW/kg。斯洛文尼亚Pipistrel公司的Taurus Electro G2飞机中，使用了30 kW永磁同步电机，其转速在2 000 rpm左右，质量仅为11.8 kg[14]。国内外电动机厂商正在研制功率密度大于3 kW/kg的电动机。有报道称全超导电动机的功率密度理论上能超过25 kW/kg[15]，但这仅停留在对大型电推进飞机的理论研究。随着对电动机材料改进，电动机结构优化和电动机容错性能优化等，未来电动机的功率密度会进一步提高。因此可以假定天翼1无人机电动化改造使用的电动机功率密度为3 kW/kg，则可计算出电动机质量为13/3≈4.33 kg。

早期电池能量密度远低于燃油能量密度[16]。近年来，随着电动汽车的飞速发展，锂电池技术发展迅速。松下公司为特斯拉电动车Model3研制的21700电池于2017年7月28日随车一起公布，能量密度达到了300 W·h/kg。2018年特斯拉CEO埃隆·马斯克表示，特斯拉在电池技术方面获突破性进展，能量密度再提升30%，并且生产成本大幅下降[17]。参考这个数据，再考虑锂电池技术的发展，可假定改造选取的锂电池组能量密度为330 W·h/kg，则其质量为6 707/330≈20.32 kg。

天翼1无人机电动化改造前后主要换装推进系统设备的质量对比如表2所示，其中电动机控制器、BMS和增加电缆质量是参考现有电动飞机进行的预估。

表2 推进系统质量对比

从表2可以看出：电动化改造前燃油动力系统质量为17.52 kg，改造后电推进系统质量为26.25 kg，电动化改造后无人机质量增加了约9 kg，正常起飞质量变为79 kg。计算出巡航时间为1.77 h，比改造前航时3 h减少较多。如果再考虑质量变化引起的其他飞行阶段耗电量增加，航时还会有所减少。

再来分析电推进系统在天翼1无人机上安装的可行性。天翼1无人机总体布置如图4所示，可以看出：电动机安装在机身尾部原发动机安装位置，空间富余；锂电池组将安装在机身中部油箱位置。参考21700电池单体参数：外径21 mm，高度70 mm，标称容量4 600 mA·h，电压标称3.7 V，可以计算出满足6.707 kW·h的电池总体积约为0.012 m3。天翼1无人机油箱舱容积约为0.021 m3，即使考虑锂电池组封装增加壳体带来的尺寸增加，油箱舱的尺寸也能够满足锂电池组的安装需求。也可以考虑在采用滑跑起降方式的天翼1无人机中取消回收伞，再增加一块与回收伞质量相同的锂电池组装到伞舱，这样就能获得更多的航时。

图4 天翼1无人机总体布置Fig.4 Overall layout of SW1 UAV

综上所述，天翼1无人机改造前后除锂电池组外，其他机载设备质量变化不大，且锂电池组安装于全机重心附近，因此不会对无人机重心位置变化产生大的影响。此外，天翼1无人机本身具有较大的静安定裕度，因此可以初步确定改造时无需对机上其他设备布置进行调整。

3 结 论

(1) 天翼1无人机电动化改造基本可行，但是会付出一定的质量和性能代价(全机质量增加约9 kg，巡航时间减少了一个多小时)。

(2) 在实际改造中还应当仔细研究电推进系统中的其他设备，以及如何实现电推进系统与机上其他设备的交联。同时还要考虑全机电磁兼容，电动机和电池的散热、隔热等问题。另外改造成本也应当作为重要的考虑因素。

(3) 在后续的研究中将继续关注电推进系统相关技术的发展，寻找合适的电动机和锂电池，完善改造方案，最终实现对天翼1无人机的电动化改造。