無人機油電混合動力系統(tǒng)（六）

符長青

本文介紹電動垂直起降飛行器動力裝置的類型、電池集成技術(shù)以及7種配裝油電混合動力系統(tǒng)的電動垂直起降飛行器，并闡述各型飛行器的技術(shù)特點與發(fā)展歷程。

電動垂直起降飛行器動力裝置的類型

飛行器的動力裝置也稱動力系統(tǒng)，包括燃油發(fā)動機系統(tǒng)和電動機系統(tǒng)兩大類。其中，燃油發(fā)動機系統(tǒng)由發(fā)動機、油料油箱、潤滑油系統(tǒng)和各種動力輔助裝置等部分組成；電動機系統(tǒng)包括電動機、電池組、新型燃料電池和轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)等部分。按照垂直起降飛行器的定義，垂直起降飛行器的整體布局實質(zhì)上就是一種旋翼飛行器，它可以采用5種類型的動力裝置（見圖1）。但是，電動垂直起降（eVTOL）飛行器不同于垂直起降飛行器，英文eVTOL中的第一個小寫字母e表示電動，后面4個大寫字母VTOL表示垂直起降。顧名思義，電動垂直起降飛行器的動力系統(tǒng)必須包含電動機和電池，可選用動力系統(tǒng)只有三種類型，即混合動力裝置、動力電池和燃料電池，因為這三種動力系統(tǒng)都包含電動機和電池。

圖1 垂直起降飛行器的動力裝置。

前面章節(jié)已經(jīng)對各種動力系統(tǒng)的優(yōu)缺點做了對比分析，結(jié)論是，油電混合動力系統(tǒng)是當(dāng)前電動垂直起降飛行器最適合使用的動力裝置。

電動垂直起降飛行器的電池集成技術(shù)

電動垂直起降飛行器采用動力電池作為能源，可以得到穩(wěn)定電壓以及受外界影響很小且能長時間穩(wěn)定供電的電流。動力電池具有結(jié)構(gòu)簡單、攜帶方便、充放電操作簡便易行、受外界環(huán)境溫度影響較小、性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。目前適用于電動垂直起降飛行器的動力電池主要有鋰電池以及燃料電池、石墨烯電池、鋁空氣電池、納米電池和固態(tài)電池等各類新型電池。電動垂直起降飛行器電池集成是指動力電池在機身內(nèi)安裝的集成方式。目前常用的電池集成技術(shù)主要有三類，一是傳統(tǒng)的電池包集成技術(shù)；二是新的CTP（Cell to Pack）和CTC（Cell to Chassis）電池包集成技術(shù)。

（1）傳統(tǒng)電池包集成技術(shù)

電動垂直起降飛行器傳統(tǒng)電池包是一種標(biāo)準(zhǔn)化模塊。它由電芯組成模組后，再與機身地板組裝在一起。這種集成方法的優(yōu)點是，每個電池包都由多個模組組成，每個模組都有單獨的殼體保護(hù)和控制單元，便于電池的電量控制和熱管理。在維修時，操作人員可以單獨更換電池模組，維修方便。缺點是模組間存在安全間隙及整體重量較大，不僅空間利用率低，而且每個模組都要配置單獨的控制單元，導(dǎo)致整體重量較大，成本較高。

（2）CTP電池集成技術(shù)

電動垂直起降飛行器CTP電池集成技術(shù)取消了傳統(tǒng)集成方式的模組結(jié)構(gòu)，電芯直接組成電池包，電池包集成到無人機機身地板上，成為機身結(jié)構(gòu)件中的一部分組成。這種集成方法的優(yōu)點是，消除了模組之間的布置間隙，增加了電芯的數(shù)量，取消了模組結(jié)構(gòu)，從而降低了整體電池包的重量。缺點是電池包須要作為機體結(jié)構(gòu)件的一部分組成而承載載荷，對動力電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了更高的要求。

（3）CTC電池集成技術(shù)

電動垂直起降飛行器CTC電池集成技術(shù)是指，電芯直接集成在無人機機身地板框架內(nèi)部，將地板上下板作為電池殼體，即電池成為電動垂直起降飛行器機身的一部分組成。它是CTP方案的進(jìn)一步集成，機身地板的上下板代替了電池殼體和蓋板，電芯與機身地板采用一體化設(shè)計，形成一個強度和剛度都非常大的結(jié)構(gòu)體。這從根本上改變了電池的安裝形式，電池的電芯不僅是能量存儲和釋放單元，而且成為電動垂直起降飛行器整機結(jié)構(gòu)件的一部分組成。這種集成方法的優(yōu)點是，取消了電池包的結(jié)構(gòu)件，實現(xiàn)了高度集成化和模塊化，大大提高了電動垂直起降飛行器空間利用率，降低了電動垂直起降飛行器的重量，使電動垂直起降飛行器的續(xù)航時間增加15%~25%。缺點是，電芯作為機身結(jié)構(gòu)件的一部分承載載荷，須要考慮如何與上下結(jié)構(gòu)件固定在一起，以應(yīng)對最為苛刻的剪切力。該技術(shù)對生產(chǎn)工藝提出了更高的要求，電池維修較困難。

上述三種電池集成技術(shù)對比如表1所示。對比結(jié)果表明，電動垂直起降飛行器使用CTC方案，其空間利用率最高，電池電量的提升有顯著效果。在現(xiàn)有電池技術(shù)不變的條件下，CTC方案是有效提升電量的最佳集成方案。

表1 三種電池集成技術(shù)方案對比表。

配裝油電混合動力系統(tǒng)的電動垂直起降飛行器

隨著人們生活水平的提高，現(xiàn)在很多人都擁有自己的小汽車，但是道路交通擁堵特別嚴(yán)重，尤其是一線城市的道路，很多出行計劃經(jīng)常會因嚴(yán)重的塞車而被迫取消。在當(dāng)代市場經(jīng)濟(jì)環(huán)境下，廣大顧客的需求就是商機。于是，世界著名飛機制造商、汽車生產(chǎn)商和許多新的初創(chuàng)公司瞄準(zhǔn)了這個巨大的市場，紛紛上馬并投入巨資，開始研制電動垂直起降飛行器。下面列舉幾個以油電混合動力系統(tǒng)為動力的電動垂直起降飛行器案例。

吉利控股集團(tuán)有限公司開發(fā)電動垂直起降飛行器

吉利控股集團(tuán)有限公司是一家中國民營汽車制造企業(yè)，2017年收購了美國太力（Terrafugia）飛行汽車公司后，開發(fā)了一款電動飛行汽車，名為TF-1。TF-1電動飛行汽車采用了油電混合動力裝置，可搭乘2人，航程超過600km，最高飛行速度160km/h，最大飛行高度3048m。2021年1月15日,TF-1電動垂直起降飛行器獲得美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）頒發(fā)的輕型運動飛機（LSA）特許適航證。飛行汽車設(shè)計存在較大難度，因為要同時滿足地面行駛和空中飛行這兩個存在很大內(nèi)在矛盾的使用要求。因此，TF-1電動飛行汽車能成功獲得美國聯(lián)邦航空管理局頒發(fā)的特許適航證，說明該產(chǎn)品取得了很大的成就。

圖2 TF1電動飛行汽車。

輕型運動飛機不屬于審定類飛行器，美國聯(lián)邦航空管理局不要求輕型運動飛機進(jìn)行適航審定。輕型運動飛機制造商僅向美國聯(lián)邦航空管理局提交符合性聲明，然后美國聯(lián)邦航空管理局的檢查員對相關(guān)文件進(jìn)行審查，審查完成后，輕型運動飛機制造商就可以量產(chǎn)并銷售產(chǎn)品。特許適航證不是正常類型號合格證（即適航證）。按現(xiàn)有規(guī)定，輕型運動飛機的最大起飛重量為600kg。美國聯(lián)邦航空管理局正在修訂的輕型運動飛機最大起飛重量有可能提高到750kg，而TF-1電動飛行汽車的最大起飛重量為850kg，大大超過了美國聯(lián)邦航空管理局輕型運動飛機的要求。因此，TF1電動飛行汽車須獲得美國聯(lián)邦航空管理局批準(zhǔn)的多項許可。

目前，吉利控股集團(tuán)有限公司正在研制電動垂直起降飛行器TF-2A，并預(yù)告TF-2A全尺寸原型機即將問世。TF-2A飛行器擁有8個升力螺旋槳和1個推進(jìn)螺旋槳，無須地面跑道即可垂直起降。此外，與傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器或傾轉(zhuǎn)機翼飛行器相比，TF-2A采用了復(fù)合式構(gòu)型，這種構(gòu)型的飛行器容易通過適航審定并取得較高的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。出于安全性考慮，TF-2A安裝了三點輪式起落架，在緊急迫降時，該型飛行器擁有更多的迫降點選擇。TF-2A可搭載2名乘客，最大航程100km，巡航速度180km/h，實用升限3000m。

聯(lián)合開發(fā)中心科技股份有限公司推出電動垂直起降飛行器

聯(lián)合開發(fā)中心科技股份有限公司（JDC Technology Inc）位于美國加州洛杉磯市，多年來一直從事消防無人機研制與銷售。該公司提出的電動垂直起降飛行器方案采用了復(fù)合式構(gòu)型和“星鏈”通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，擁有8個軸16副旋翼和1個推進(jìn)螺旋槳，能以多旋翼無人機模式垂直起降，又能以固定翼無人機模式實現(xiàn)較高的飛行速度和巡航飛行。該 公 司FF-1（FireFighting-1）消 防無人機和PP-1（Passenger Plane-1）載人飛行器的氣動和總體結(jié)構(gòu)相同，只是任務(wù)載荷不同。其中，F(xiàn)F-1為不載人無人機，任務(wù)載荷重量600kg，可承擔(dān)高層建筑滅火和森林滅火任務(wù)；PP-1飛行器可搭載5名乘客，主要用于旅客運輸，是一種經(jīng)濟(jì)高效、省時的中短途交通運輸工具（見圖4）。

圖4 聯(lián)合開發(fā)中心科技股份有限公司開發(fā)的PP-1電動垂直起降飛行器。

圖3 吉利控股集團(tuán)有限公司TF-2A電動垂直起降飛行器。

FF-1和PP-1飛行器均使用油電混合動力系統(tǒng)提供動力，安裝了滑橇式起落架，機長8m，機高1.8m，翼展1.8m，雙垂尾高1m，最大航程500km，巡航速度200km/h，實用升限3000m?；谛擎溇W(wǎng)絡(luò)技術(shù)，F(xiàn)F-1和PP-1飛行不受通信鏈路傳輸距離限制，通信信號可覆蓋全球。在地球上能看到天空的任何地方，F(xiàn)F-1和PP-1飛行器至少能與三顆“星鏈”衛(wèi)星進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信?！靶擎湣本W(wǎng)絡(luò)無人機的數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)1Gb/s、時延小于10ms（與5G通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速率相當(dāng)）。

阿斯頓馬丁公司公布“沃蘭特愿景”電動垂直起降飛行器

阿斯頓馬丁公司是英國一家汽車制造商，以生產(chǎn)敞篷旅行車、賽車和限量版豪華跑車而聞名于世。近期，阿斯頓馬丁公布了一種概念飛行器，名為“沃蘭特愿景”（Volante Vision），計劃開發(fā)電動垂直起降飛行器。

“沃蘭特愿景”電動垂直起降飛行器采用了混合動力技術(shù)和自動駕駛技術(shù)，由阿斯頓馬丁公司、克蘭菲爾德大學(xué)和勞斯萊斯公司聯(lián)合開發(fā)，是一種飛行的士，旨在為交通擁擠的城市提供通勤服務(wù)?！拔痔m特愿景”采用三軸設(shè)計，前端兩軸上的螺旋槳能以任意角度偏轉(zhuǎn)，實現(xiàn)前飛和轉(zhuǎn)向，而后軸的螺旋槳與地面平行，為飛行器提供升力。由概念圖可見，該型飛行器的外形十分漂亮，內(nèi)飾也和阿斯頓馬丁公司生產(chǎn)的汽車一樣，非常奢華。

圖5 阿斯頓馬丁公司“沃蘭特愿景”電動垂直起降飛行器的概念圖。

圖6 英國勞斯萊斯公司電動垂直起降飛行器。

勞斯萊斯公司開發(fā)電動垂直起降飛行器

英國勞斯萊斯公司是世界超豪華轎車制造商之一，1906年成立于英國。該公司公布了一種電動垂直起降飛行器。該機最大飛行速度402km/h，最大航程805km，其油電混合動力系統(tǒng)中的渦輪增壓汽油發(fā)動機可以提供500KW的最大功率。勞斯萊斯公司將該型飛行器定位為飛行的士、私人飛機和貨機。

該機采用了傾轉(zhuǎn)機翼布局設(shè)計，4個螺旋槳及油電混合動力系統(tǒng)安裝在機翼上，機翼可90°旋轉(zhuǎn)，能像雙旋翼橫列式無人直升機那樣垂直起飛，起飛后機翼繞水平軸相對于機體逐漸向前轉(zhuǎn)動，逐漸轉(zhuǎn)入前飛狀態(tài)，當(dāng)過渡到平飛姿態(tài)時，該機如同固定翼無人機，依靠固定翼產(chǎn)生升力，支撐機體重量，以及依靠轉(zhuǎn)軸近乎水平的螺旋槳產(chǎn)生向前的推力。

奧迪公司推出“下一代超時尚”概念機

奧迪公司是世界著名的汽車制造商，于1898年在德國創(chuàng)立，總部位于德國英戈爾施塔特市。多年來，奧迪汽車在世界各地廣受歡迎。當(dāng)前，世界電動垂直起降飛行器熱潮來襲，奧迪公司也沒有放過這次大好商機。在2020年日內(nèi)瓦車展上，奧迪公司聯(lián)合老牌飛機制造商空客公司，推出了“下一代超時尚”（Pop.Up Next）電動垂直起降飛行器的概念機。由概念圖可見，“下一代超時尚”由汽車底座和飛行模塊兩部分構(gòu)成，以油電混合動力裝置為動力。飛行模塊由碳纖維復(fù)合材料制成，配備有4個螺旋槳。座艙可搭乘2人，艙內(nèi)未配備方向盤，僅配有一臺大尺寸顯示器?！跋乱淮瑫r尚”也是一種飛行的士，旨在提供通勤服務(wù)。今年6月，奧迪公司獲得德國政府頒發(fā)的飛行出租車測試資格證，計劃在奧迪公司總部進(jìn)行測試。

PAL-V公司PAL-V電動垂直起降飛行器亮相

圖7 “下一代超時尚”電動垂直起降飛行器的概念圖。

PAL-V公司位于荷蘭，推出了PAL-V電動垂直起降飛行器。該機以油電混合動力裝置為動力，將汽車、摩托車和直升機的概念結(jié)合在一起。它既能像汽車一樣在地面行駛，也能像直升機一樣在空中飛行。2009年4月27日，PAL-V公司向荷蘭交通部長展示了PAL-V原型機。據(jù)悉，PAL-V電動垂直起降飛行器最先承擔(dān)緊急服務(wù)部門的任務(wù)。使用者只須按一個鍵，該型飛行器在10min內(nèi)便可全自動完成汽車形式與直升機形式間的切換。PAL-V飛行器的最大行駛速度可達(dá)180km/h，而安裝在車后方的可折疊水平旋翼、尾翼與推進(jìn)器展開后，該機就能騰空飛行，最大飛行速度可達(dá)185km/h，航程800km，飛行高度1200m。2020年10月，PAL-V公司宣布，PAL-V電動垂直起降飛行器已成功通過歐洲道路通行考試，并獲得官方頒發(fā)的正式牌照。

駿馬集團(tuán)“確信飛行”電動垂直起降飛行器亮相

駿馬集團(tuán)（Workhorse）位于美國俄亥俄州，主要業(yè)務(wù)包括無人機和卡車生產(chǎn)制造。因此，該公司既能從卡車業(yè)務(wù)中獲得自動駕駛技術(shù)，又能從無人機業(yè)務(wù)中獲得油電混合動力技術(shù)，然后將這兩種關(guān)鍵技術(shù)同時應(yīng)用于“確信飛行”（SureFly）電動垂直起降飛行器?！按_信飛行”采用了多旋翼氣動布局設(shè)計，具有4個軸8副旋翼，主用定位是私人飛行器、商用運輸機、農(nóng)用飛行器和輕型軍用飛行器。

2017年6月，“確信飛行”電動垂直起降飛行器在法國舉行的巴黎航展上正式亮相。2018年1月，駿馬集團(tuán)在美國內(nèi)華達(dá)州舉行的2018消費電子產(chǎn)品展會上展示了“確信飛行”。該機于2018年4月在美國俄亥俄州辛辛那提市倫肯機場成功完成首次飛行，并于同年8月開展了多次飛行測試。2018年11月，美國陸軍與駿馬集團(tuán)簽訂合作研究與開發(fā)協(xié)議（CRADA），旨在探索這種輕型飛行器的潛在作戰(zhàn)能力。2019年底，“確信飛行”電動垂直起降飛行器獲得美國聯(lián)邦航空管理局頒發(fā)的型式認(rèn)證。

上述7種電動垂直起降飛行器均采用了油電混合動力系統(tǒng)，但是這并不等于說基于純電動技術(shù)的電動垂直起降飛行器就沒有市場前景。

隨著電動垂直起降飛行器的快速發(fā)展，以及人類不斷推進(jìn)空中巴士、空中出租車等電動垂直起降飛行器的示范性商業(yè)應(yīng)用，城市空中交通時代即將開啟。未來，在全新的智慧交通體系中，私人交通工有望實現(xiàn)“飛”起來的夢想。 ■

圖8 荷蘭PAL-V公司研制的PAL-V電動垂直起降飛行器。

圖9 美國駿馬集團(tuán)推出一款電動垂直起降飛行器“確信飛行”。

表2 部分電動垂直起降飛行器一覽表。