电动直升机发展趋势分析Research,on,the,development,of,electric,helicopter

电动直升机发展趋势分析

Research on the development of electric helicopter

陆军航空兵学院航空机械工程系直升机维护教研室

[摘要] 电动直升机从产生到发展经历了很长一段时期，如今相关技术趋于成熟，动力解决方案发展也愈加明朗，国内电动航空器的发展也取得了长足的进步。

关键词：电动直升机 燃料电池

[ABSTRACT] Electric helicopter has experienced a long period from its emergence development.Now the relevant technologies tend to be mature,the development of power solutions is becoming more and more clear,and the development of electric aircraft has also made great progress.

Keywords：Electric helicopter Fuel cell

近十年来国内电动汽车有了长足的发展，从续航100KM的电动车到今天续航1000KM的电动车出现，这些都要归功于以动力电池为主的相关技术的显著进步。特别是电池领域的革命让航空界重新重视起一个被人遗忘的领域——电动直升机。

电动垂直起降技术在10年前才成为现实，但是在35年前，一架以电池为动力的直升机曾经短暂的离开过地面，这架直升机就是西科斯基的S-52直升机。

图-1 西科斯基S-52

S-52直升机原型机搭载的是182Kw的富兰克林6v6-245-B16F平六型活塞发动机。在此直升机平台的基础上，奥兰多直升机航空公司（Orlando直升飞机航空公司）于1982年开始将S-52直升机进行电动化改造，该公司认为电力驱动的直升机将会更加安静、环保，并且无红外热辐射，这将极大地提高直升机的性能和应用前景。该公司计划将四台45千瓦交流发电机安装在主减速器输入轴周围，把14个72伏铅酸蓄电池安装在后排乘客座椅下，这样就能产生180-225KW功率，预计持续输出时间为10min。并且该公司预计将来把这套装置发展成为一台由100磅氢氧化锂电池组供电的240马力的电动机。这样就能为该直升机提供最多两个小时的动力，并且设想只需更换锂条就能进行充电。

图-2 四台电动机和铅酸蓄电池安装

S-52电动改造型直升机试飞时虽然只能进行不到一min的离地悬停，但证明了电动直升机这一概念具备充足的发展潜力，只是受到当时电池、电机和电控技术的制约而已。实验也探索出电动力对直升机性能的影响，这更加的坚定了许多人致力于发展电动直升机这项事业的研究。

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2. 电动力机对直升机性能的影响

与传统的内燃机相比电动力最突出的特点是：电机输出的功率不会因为直升机高度和气温的变化而改变，这一关键特性对直升机的性能起到了决定性的利好影响。

1.1电动力会提高直升机的垂直起降性能

因为电机的输出功率不会随着直升机高度和飞行环境温度的变化而变化，这将会极大地提高直升机的垂直起降性能，显著地改善直升机的爬升速率和动升限。我们知道爬升率的公式为：

其中， 为直升机爬升系数； 为可用功率； 为最小功率；G为全机重量。

从公式可以看出：第一个是直升机的自重G；二是可用功率 与直升机的最小需用功率 的差值，即剩余功率。

我们知道电动机的输出功率不随直升机高度的变化而变化，所以电动直升机在高空有足够的剩余功率，也就是说，电动直升机的爬升率不会随高度的变化而变化。同样的道理，如果直升机有足够的升力，那么直升机的动升限也会有很大的突破。电动直升机在寒冷地域同样也将获得足够的爬升率和动升限，这就使我国部署高原地域的直升机问题迎刃而解。

1.2电动力提升了直升机的水平性能

电动机输出功率如果持续稳定将极大地改善直升机的水平性能，这是因为电动力不受高度和温度的影响，电动直升机在高温高压环境下仍能在一定范围内加速，这极大地改善了直升机最大速度以及速度范围指标。

1.3电动直升机维护成本极低

与电动汽车类似，电动直升机的维护成本与传统内燃机系统相比具有很多优势。比如，零部件少、结构简单、故障率低、维护简单、维护成本低等特点。

近期俄罗斯和乌克兰局势紧张，国际原油突破100美元，直升机燃油消耗量又十分巨大，整个寿命周期内使用成本极高，电动直升机用电能将极大地节约能源，减多碳排放。有利于直升机的大规模部署和运用。

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3. 电动直升机主要研究方向

电动直升机的核心系统是电力系统，电力系统最关键的是电能存储及生成系统，主要包括锂离子电池、燃料电池和太阳能电池等^[1]。

目前锂离子电池以它能量密度高、低温性能好、绿色环保无污染、循环寿命长和可高压充电获得了空前的发展。我国已宁德时代为代表的电池生产厂家，已经成功的研制出能量密度为206Wh/kg的锂离子电池，并且攻克了钠离子电池的技术瓶颈，市场应用前景十分广泛。这些电池都能成为电动直升机的理想储能系统。

未来直升机主要研究方向主要包括以下方面：

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2. 动力电池；

3. 电动发电机和电动起动机；

4. 电动控制系统；

5. 电传飞控系统；

6. 新型电源系统；

7. 电动防冰系统；

8. 电动空调系统。

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4. 电动直升机的动力方案

3.1燃料电池方案

燃料电池具有能量转化率高、污染少、噪声小等特点。以氢燃料电池作为电动直升机的动力源，直升机的环保型和效率性将极大地提升。波音公司早于2008年就成功的试飞了一架小型氢燃料电动飞机，但一直没有成规模生产和投放市场。

目前燃料电池的主要研究在氢燃料电池方面，丰田汽车公司在这方面走在了世界的前列。氢的能量密度介于燃油和锂电池之间，于锂电池的储能系统不同，氢动力是一套发电系统，不存在充电时间问题，它的显著缺点是功率密度较小。传统的氢燃料电池系统功率密度只能达到600W/kg，而电动直升机通常要求1500W/kg以上。

3.1.1氢燃料电池直升机的优势

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2. 航程和载重具有一定优势；

3. 无污染；

4. 噪音低；

5. 能效比高；

6. 直升机大修寿命长；

7. 维护成本低。

3.1.2氢燃料电池直升机的劣势

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2. 使用技术高；

3. 制造成本高；

4. 储存运输技术高。

3.2电动机和蓄电池结合方案

储能电池这些年在新能源领域有了突破性的进展，受制于蓄电池能量和体积的限制，只有高能量密度的蓄电池才能满足电动直升机对电池系统的要求。理想情况下，锂电池的温度达到500Wh/kg的时候，可以为一架直升机提供600英里的航程，目前锂离子电池的技术水平一直维持在200Wh/kg的技术水平，仍然难以满足复杂航空对电动力的需求。经过测算^[2]，当前的蓄电池技术虽然有了长足的进步，但是只能满足一般重量的直升机实现升空和简单的前后移动，飞行时间大概20-30min，充电时间大概需要90min，这远远不能满足电动直升机的对动力的需求。

3.2.1方案优势

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2. 无污染；

3. 费用低；

4. 噪声低；

5. 传动效率高。

3.2.2方案劣势

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2. 动力持续时间短；

3. 充电技术不成熟：特斯拉已经展示了锂电池在30min内完成80%的充电，但高压快充会损害电池的寿命；

4. 不能商用，发展潜力小。

以上两个方案是目前主流研究的方案，经过技术的进步和实践的验证，燃料电池技术更加符合现阶段电动直升机的发展方向。

3.3提高燃料电池功率密度的探索

为了给电动直升机提供足够的燃料电池动力，在不增加燃料电池系统重量的情况下，许多公司在此方面进行了积极地探索，比如Hpoint公司基于涡轮空气增压的思路，使高压空气通过燃料电池堆，实现电池空气冷却系统的效率提升，不需要提高整个系统的重量，通过采用高温质子交换膜可以实现一套轻量化的电池系统，进而提高系统的功率输出。该公司实验显示燃料电池堆的功率可以达到3000W/kg，整套系统的功率可以达到2000W/kg。

目前，我们国家的电动航空器整机研究企业正在广泛积极地开展电动飞行器研究，主要情况如下：

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5. 我国电动航空器整机项目

4.1亿航科技

亿航的电动航空器载人飞行器产品发源于消费级多旋翼无人机，旗下的云浮生产基地也享有盛名，旗下相关产品正在积极地改进并推进适航认证。

图3 亿航混合布局产品VT-30

4.2小鹏汇天

小鹏汇天和小鹏汽车属于同一资本，电动汽车和电动直升机在电机、电池、自动驾驶等都有一定的底层趋同性，产业链共享是一种基本趋势，未来也必然会有相当数量的电动汽车人才向电动直升机产业转移。

图5 小鹏汇天展机

4.3时的科技

时代科技是国内电动航空器的生力军，目前仅仅推出了原型概念，正在开展新机型缩比验证机的工作。其布局和Joby（国外航空公司）的大体一致，只是将Joby中间布局变距倾转旋翼换成了固定式升力螺旋桨，大大降低了设计难度。

图6 时代科技概念机

5 结束语

电动直升机的关键技术虽未完全成熟，但随着动力电池以及电机、电控技术的发展，电动直升机的时代很快就会到来。我们要着力打破以西方国家为首的电动直升机技术封锁，以时不我待的精神日夜兼程，力争早日实现弯道超车。

参考文献

1. 
   

2. 赵常辉.电动飞机开创电动力航空时代[J].航空知识.2011.

3. 未来新概念直升机—电动直升机[J].直升机技术.2012.