直升机电动尾桨技术发展与展望

建志旭，唐兴中，陈国军，张润泽，陈 义，付 裕

(1.中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001；2.中国航空研究院，北京 100020)

0 引言

直升机因其可垂直起降、可在空中悬停、向任意方向飞行等优点，在军民领域具有广阔的应用前景。目前，单旋翼带尾桨构型直升机技术成熟，发展最为成完善。不同于固定翼机，直升机在飞行中，主要由旋翼旋转来产生升力和推力。旋翼旋转同时会导致作用于机身的反扭矩。尾桨的出现，是为了平衡该反扭矩，保证航向的平衡，并起到航向操控的作用。

直升机尾桨传动系统一般由中间传动轴、中间减速器、尾传动轴、尾减速器构成。中间传动轴将主减速器的功率传输到中间减速器，经由尾传动轴传输至尾减速器，驱动尾桨(见图1)。尾桨旋转产生推力，实现对反扭矩的平衡和航向操控作用；产生的载荷由尾减速器承担，并传递至机体。由于是通过传动系统与主减速器相连，因此尾桨转速固定。尾桨具有变距铰，通过尾桨变距机构，改变桨距，实现对尾桨推力大小的操控。

图1 直升机整体架构示意图

传统机械结构尾桨，具有技术成熟、结构强度较高等优点，应用广泛。然而，单旋翼直升机的机械尾桨系统也存在一系列问题：①机械结构复杂—传动结构构件多，传动链长，故障率较高，造成高维护成本，维修过程繁琐，耗时长；②事故率较高—直升机低空或贴地飞行、地面作业时，尾桨易撞线或碰撞障碍物、地面人员，容易引发安全事故；③振动和噪声严重—中间减速器、尾减速器机械噪声较大，传动轴需进行转速设计，避免振动，另外尾桨桨尖噪声也大；④功率消耗较大—大量使用发现，尾桨消耗功率占比达7 %～10 %，造成直升机悬停性能的降低，并且前飞时造成功率浪费。因此，直升机研究者们致力于探索和发展新的反扭矩平衡系统。

近年来，随着电驱动技术的日益成熟，电动尾桨作为一种新的反扭矩平衡系统，逐渐受到关注，为这些问题的解决提供了新的思路。

1 电动尾桨发展现状

电动尾桨去除了原机械传动结构，采用电驱动系统来驱动尾桨，具有结构简单、噪音低、振动小、绿色清洁、维护性好、能够提供冗余设计等优点。由于尾桨系统单独驱动，与旋翼解耦合，因此能够大幅降低机械系统复杂性，并可在前飞状态降低转速，提高效率，降低功率消耗。国内外针对电动尾桨已开展大量研究。

2011年，美国西科斯基公司将一架S-300C直升机改装为全电动技术样机，命名为Firefly(图2)，因此项目被称为“萤火虫计划”。项目采用了美国混合动力公司生产的143 kW功率电动机替换原活塞发动机，安装了总重265 kg、总容量33.3 kWh的锂离子电池组，实现了148.2 km/h的最大飞行速度，飞行时间15min。西科斯基公司评价“萤火虫计划”认为，Firefly技术样机平稳、安静、清洁、易用、可靠、经济。未来随着电池储能密度的提升，全电动直升机会有很好的发展前景。在全电动直升机进入实用前，尾桨部分采用电动化方案，改善机械尾桨存在的诸多问题，是一个较为可行的技术路线。

图2 西科斯基Firefly技术样机

2007年，欧盟启动了“洁净天空”(Clean Sky)计划，旨在通过引领航空新技术研发，减少CO和有害气体排放，降低噪声，实现航空业的绿色发展。旋翼机领域，开展了绿色旋翼机(Green Rotorcraft, GRC)专题研究。在该专题下，2010年，布里斯托大学与意大利莱昂纳多公司等机构开展合作研究，进行了直升机电动尾桨研究(ELETAD)，建立了地面试验平台，并将一架AW139直升机尾桨改为电动构型，进行地面试验，开展技术验证工作(图3)。

图3 电动尾桨试验台和技术验证机

2020年2月20日，美国贝尔公司发布了改装自贝尔429型直升机的验证机(图4)，并开展了试飞工作。该验证机尾部具有4个电动涵道尾桨，分别由独立电动机驱动，被贝尔公司命名为分布式抗扭矩系统(EDAT)。这一系统采用固定桨距、变转速设计，能够通过转速调节和不同旋转方向的组合，实现对抗扭力更加精确的动态调节，具有更高的效率。而且，多涵道尾桨的存在，提供了宝贵的设计冗余，有利于增加故障条件下的安全性。另外，采用涵道尾桨形式，也有利于降低桨尖噪音。

图4 贝尔429改装电动尾桨技术验证机

国内在电动尾桨领域也开展了大量研究工作。清华大学针对小型无人直升机XV-2设计了电动尾桨系统，采用固定转速电机驱动尾桨，通过变距机构改变尾桨拉力。2018年，清华大学王洋等人申请了一项“一种直升机电动尾桨驱动装置”发明专利，采用三个串联电机驱动尾桨转动，通过电机工作状况的不同搭配，满足不同工作状态下的需求，有利于提高效率，节省用电(图5)。

图5 电动尾桨驱动装置原理图[5]

中国直升机设计研究所对电动尾桨开展了研究，研制了高功重比电动机和控制器，研制了电动尾桨技术验证组件，开展了地面试验。

2 电动尾桨构型分析与讨论

电动尾桨作为一项新兴技术，尚处研究阶段。其驱动系统、能源系统存在多种构型可能。本文分别对电动尾桨驱动系统构型、电动尾桨能源系统构型进行分析与讨论，以识别较优构型，并通过构型分析，识别电动尾桨关键技术。

2.1 电动尾桨驱动系统构型分析与讨论

电动尾桨由直升机上发电机或动力电池供电，经控制系统后供给驱动系统，实现对尾桨的驱动和控制。驱动系统构型大致可分为电动直驱构型、电机带动静轴构型和电机带减速器构型三种构型。

1)电动直驱构型

如图6所示，电动直驱构型为驱动电机直接带动尾桨的构型。尾桨载荷由驱动电机承担，并传递至机体。尾桨所需转矩直接由驱动电机来提供。

此种构型去除了传动机构、减速器等机构，具有结构简单、效率高、总体布局灵活等优点。同时，对驱动电机的输出功率、扭矩范围、可靠性和稳定性等指标要求较高。从重量角度考虑，还需要驱动电机、控制系统具备高功率密度。

2)电机带动静轴构型

电机带动静轴构型，如图7所示，在驱动电机和尾桨之间引入动静轴机构，尾桨载荷经动静轴传导至机身，电机仅输出扭矩，而不承受沿转轴方向的载荷。

此种构型能够一定程度地降低对电机的强度设计要求，但引入了动静轴机构，增加了重量和机械复杂度，也带来了润滑问题。

3)电机带减速器构型

电机带减速器构型，相较于原机械尾桨构型，在增加了电能输入的前提下，仅用驱动电机替代了传动轴等装置(见图8)。

这种构型能够采用高转速低扭矩驱动电机，经减速器机构，实现高扭矩输入，驱动尾桨，因此能够有效降低对电动机输出扭矩的要求，降低驱动电机研制难度。但这种构型带来了附加重量，机械结构复杂，降低了系统整体效率，引入了振动、发热、噪声等问题。

综合分析以上三种构型，电动直驱构型优势最为明显。随着航空用电动机技术的不断发展，电动直驱构型最有应用前景。

2.2 电动尾桨能源系统构型分析与讨论

电动尾桨引入电力作为全部或部分动力来源，其能源系统构型设计存在着纯电动构型、混合动力构型等多种可能。

1)纯电动构型

纯电动构型直接由动力电池向驱动系统供电，如图9所示。动力电池系统的电量来源为任务间隙的外接充电，以及任务过程中的能量回收。

纯电动构型具有众多优点：环境友好，零排放；不消耗发动机功率，提高效率，降低燃油消耗；结构简单，与发动机解耦，总体布置更加灵活。然而，当前的电池技术水平难以支持纯电动构型的实现，电池能量密度较低，导致重量过重，无法满足直升机的使用需求。

当前电动汽车所使用的动力电池，系统能量密度一般不超过200 Wh/kg。以AC311A为例，其尾桨功率约为64 kW。假设换装纯电动构型电动尾桨，试验阶段要求飞行时间达到半小时，则电池系统容量需要为40 kWh(粗略计算，考虑20%剩余电量)，重量为200 kg。作为参照，AC311A的尾传动轴、尾减速器两者总重约为20 kg。由此可见，当前电池系统能量密度远不能满足直升机使用需求。

随电动汽车的生产、消费数量日益增加，因电池故障引起的着火等安全事故偶见报道。因此，当前动力电池系统的可靠性、安全性也需要进一步提升，以满足航空业要求。

2)串联混动构型

图10所示为串联混动构型。发动机动力输出至主减速器，主减速器带动发电机发电，产生的电能输送至驱动系统，驱动尾桨工作。视直升机具体要求决定是否引入电池系统。电池系统可起到功率补充、能量回收等作用。

图10 串联混动构型

此种构型优点在于：对原直升机动力系统改动较小，去掉了传动系统，能够降低机械复杂度；降低了对于电池系统的技术要求，技术可行性高；发电机可以在高效率区间内工作，尾桨高功率需求工况下，可由电池系统补充能源输入，降低发动机的负载。该构型的缺点是结构较为复杂，重量代价可能相对较大。采用该构型时，需要对发电机、电池系统等做一系列衡量，找出最佳组合。

3)并联混动构型

并联混动构型，如图11所示，是在原机械尾桨基础上，增加一套并联的驱动电机。驱动电机由外接电池供电。正常工况下，驱动电机不工作。高速前飞时，尾桨功率需求降低，但原机械尾桨转速无法降低，此时电机采用发电模式，进行能量回收。悬停或侧风等尾桨大功率工作情况下，电池输出电力，电动机工作，进行功率补充，降低对发动机功率的消耗。

图11 并联混动构型

此种构型能够减小尾桨系统的功率浪费，降低对发动机功率的消耗。缺点是引入了电动机、电池，造成重量的增加。

对以上三种构型进行讨论可知，纯电动构型优势最大，但技术要求最高。串联混动构型现阶段可行性最高。并联混动构型能够对现有机械构型起到较好的改善作用，但需要付出重量代价。

3 电动尾桨关键技术

通过对电动尾桨的介绍以及构型的分析和讨论可以发现，影响电动尾桨实用化的关键技术包括尾桨设计技术、高性能电动机技术、分布式设计技术和高比能动力电池技术。

3.1 高比能动力电池技术

动力电池作为电动尾桨的能量来源之一，其技术水平直接影响着电动尾桨的重量以及紧急状况下的运行时间，对前文讨论的结构最为简单的纯电构型的电动尾桨而言至关重要。而应用于电动尾桨的动力电池，其技术要求较当前的电动汽车更高，在质量能量密度、体积能量密度、功率密度、可靠性和安全性方面均需全面突破。在航空领域，锂离子动力电池的应用研究尚处起步阶段，国内尚未开展。因此，高比能动力电池技术，是电动尾桨的一项关键技术。

对动力电池而言，最核心的技术指标，是能量密度。能量密度越高，电池携带的能量越多，重量越轻。目前，商用锂离子电池系统的能量密度不超过200 Wh/kg，仍然处于较低水平。据NASA研究，电池系统能量密度达到400 Wh/kg时，能够支撑有意义的全电动飞机。因此，电动尾桨对于能量密度的需求，可以参照此指标。

当前，我国的汽车用动力电池技术处于世界先进水平，宁德时代、比亚迪等公司均在发展高能量密度电池技术。除了现有的锂离子电池体系，新电池体系，如锂硫电池、燃料电池技术，也在迅猛发展。锂硫电池作为一种新型电池，理论比容量高达2600 Wh/kg。诸多电池企业，例如韩国LG公司、美国Sion Power公司等均已宣布锂硫电池量产计划，投产初期的能量密度目标即可达到400 Wh/kg以上。欧盟“地平线计划”也在大力支持锂硫电池的发展，促进其在航空业的应用。

对动力电池技术发展趋势进行分析，可以看出，在近未来电池能量密度同样能够获得巨大提升，能够有力保证电动尾桨技术的实用化。

除能量密度外，安全性、可靠性的提高，同样是动力电池需要重点解决的难点。

3.2 高性能电动机技术

电动机是电动尾桨驱动系统的核心，负责动力输出。其技术水平直接关系着电动尾桨的可行与否。应用于电动尾桨的电动机，不同于工业电机、电动汽车电机，对于体积、功率密度、可靠性、容错率、快速响应能力、转速/输出扭矩变化范围等要求更高。目前，国内尚无专门针对航空领域的成熟电动机产品，相关技术水平落后于国际先进水平。因此，高性能电动机技术是电动尾桨的一项关键技术。

法国泰雷兹公司针对航空领域电动化发展需求，开发了高性能先进电动机。其开发的直升机电动备用系统电动机功率密度高达10 kW/kg，已在空客H130上开展试验。斯洛文尼亚Emarx公司掌握着先进电动机制造技术，功率密度接近10 kW/kg。美国能源局(DOE)支持了一系列先进电机研究项目，以促进电机技术发展。制定了电机技术发展路线：立足于现阶段水平，提出至2025年，电机效率要求达到>97 %，功率密度达到5.7 kW/kg，成本降低至3.3美元/kW，如图12所示。

图12 美国电机技术发展路线[12]

电机电控深度集成技术也是目前一大研究方向，以实现提高效率、减小体积、降低成本的目标。美国在该领域同样制定了技术发展路线，如图13所示。

图13 美国电机电控集成技术发展路线[12]

从电动机技术发展趋势来看，有理由相信未来电动机技术会出现长足进展，能够支撑电动尾桨的需求。

3.3 分布式设计技术

电动机具有“尺寸无关”特性，大功率电动机分解为若干小功率电动机后，总功率不变的情况下，效率基本不变。对电动尾桨而言，采用分布式设计，具有诸多优点，如提供设计冗余以提高安全性，降低对电机的要求以降低研制难度，有利于开展多学科优化设计，实现气动、效率等综合性能的最优化等。因此，分布式设计技术对于电动尾桨而言十分重要。由于航空器电动化发展尚处起步阶段，分布式设计相关研究十分欠缺，目前尚无成熟成果，新颖性强，因此分布式设计技术为电动尾桨的一项关键技术。

在实现实用化前，分布式设计需解决复杂空气动力学模型的建立、气动干扰分析、涵道气动性能影响分析等难点问题，形成相应设计方法。

3.4 尾桨设计技术

常规直升机尾桨采用变桨距方案来改变拉力大小，技术成熟，缺点是系统结构较为复杂。电动尾桨由于引入了电动机，在转速控制方面具有天然优势，因此更适用于采用变转速设计，通过转速调节来改变拉力大小。尾桨取消了变距机构，桨叶桨毂固定联结，结构更加简单。

国内，电子科技大学的王飞硕士、戴跃洪教授对电动尾桨转速、桨距和产生拉力的关系进行了计算研究。基准机型为HZ950无人直升机，空载重量26.5 kg。计算表明(图14、图15)，直升机悬停时尾桨功率最大，高速前飞尾桨功率最小。对直升机电动尾桨拉力随转速与桨距变化规律的研究证明，在桨距固定的情况下，通过改变转速，能够控制尾桨的功率大小，为变转速设计提供了理论依据。

图14 尾桨功率随前飞速度变化情况[15]

图15 试验直升机悬停时电动尾桨拉力随转速与桨距变化规律[15]

采用变转速设计，需对尾桨进行重新设计，研究明确不同扭转角下、不同转速下的载荷谱、效率，结合强度计算进行设计优化。需重新进行重量设计，适度降低转动惯量，以提高转速变化响应速度。因此，尾桨设计技术，对于实现变转速电动尾桨而言重要程度高。

变转速电动尾桨工作时来流方向变化较大，有平行来流、垂直来流。变转速螺旋桨飞机的来流则主要为垂直方向。因此，变转速尾桨的设计，不同于传统尾桨，也不同于变转速螺旋桨，极具新颖性。

因此，尾桨设计技术为电动尾桨的一项关键技术。在国内，中国直升机设计研究所在相关领域具有深厚的技术积累和丰富经验，在相关方面的研究处于领先地位。

4 总结与展望

电动尾桨技术的出现，为单旋翼带尾桨构型直升机提供了新的技术选择。此项技术具有结构简单、绿色减排、与旋翼解耦合从而降低功率消耗等优点，因此得到了广大航空企业的重视和研究。通过对电动尾桨的关键技术进行研究分析，我们认为，在可以预见的未来，电动尾桨技术难点能够得到解决，具有良好的发展前景。

以AC311A尾桨系统为例，粗略测算随着技术进展，电动尾桨的重量情况，从重量角度分析电动尾桨在未来实现应用的可能性。电动尾桨构型选择目前可行性最高的串联混动、电机直驱构型。忽略结构重量变化、尾桨重量变化、线缆和控制器重量变化，简单对比电动尾桨的电动机重量、电池重量(电池以应急工作5min为标准)和AC311A尾桨的传动轴、尾减速器重量，见表1。

表1 电动尾桨与AC311A尾桨重量对比(单位：kg)

计算结果表明，随着关键技术发展，电动尾桨在重量上逐渐降低，能够和原机械结构相竞争。考虑到电动尾桨带来的安全性提升、噪声下降、功率节约、节能减排等优势，该项技术极有发展前景。

当前，航空业要求绿色化发展，电动化已经成为一大趋势，电动飞机、垂直起降飞行器的研究正在如火如荼地进行。电动尾桨作为电动化发展的一部分，其关键技术与电动飞机、电动垂直起降飞行器有共同之处。因此，在电动飞机、eVTOL技术发展极不成熟的阶段下，发展电动尾桨技术，除了本文已述的诸多优点外，还能够为航空业电动化发展积累技术基础，具有深刻的现实意义。