周?chē)?guó)慶 李正浩

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué),遼寧沈陽(yáng) 110136)

淺談混合動(dòng)力系統(tǒng)在通用飛機(jī)上的應(yīng)用

周?chē)?guó)慶 李正浩

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué),遼寧沈陽(yáng) 110136)

混合動(dòng)力汽車(chē)混合動(dòng)力飛機(jī)結(jié)合了純電動(dòng)飛機(jī)和油動(dòng)飛機(jī)的優(yōu)點(diǎn),在保持原有航程和航時(shí)的情況下,可顯著降低燃油的消耗,減少尾氣排放和運(yùn)行費(fèi)用。本文敘述了混合動(dòng)力系統(tǒng)原理及聯(lián)接方式,并結(jié)合現(xiàn)有混合動(dòng)力飛機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn),提出需要發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù),對(duì)混合動(dòng)力飛機(jī)設(shè)計(jì)具有一定指導(dǎo)意義。

通用飛機(jī) 混合動(dòng)力 飛行原理 綠色能源

隨著傳統(tǒng)能源的日益枯竭，使汽車(chē)、航空等領(lǐng)域正逐漸發(fā)生著改變。在汽車(chē)領(lǐng)域，美國(guó)特斯拉轎車(chē)的出現(xiàn)，使新能源汽車(chē)正被傳統(tǒng)汽車(chē)公司重視。但純電動(dòng)汽車(chē)由于受到電池儲(chǔ)能和價(jià)格的因素制約，不能大量普及，導(dǎo)致很多公司采用一種折中方案，即在汽車(chē)上采用油電混合動(dòng)力技術(shù)。該方案在很多時(shí)候其動(dòng)力性能優(yōu)于同樣的單純油動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車(chē)，且在燃油消耗上要小于后者。同樣，在航空領(lǐng)域，純電動(dòng)的輕型飛機(jī)，如沈陽(yáng)航空航天大學(xué)研制的RX1E飛機(jī)盡管已經(jīng)完成首飛，并接受了適航當(dāng)局的許可證，但是電池儲(chǔ)能不夠的問(wèn)題，使該飛機(jī)的航程和航時(shí)受到很大的影響。因此，在飛機(jī)上采用混合動(dòng)力系統(tǒng)的話(huà)，不僅可以降低傳統(tǒng)油動(dòng)飛機(jī)的燃油消耗、改善飛機(jī)的性能，如滑跑、爬升等，減少環(huán)境污染等社會(huì)問(wèn)題。

目前，大多數(shù)依賴(lài)傳統(tǒng)燃料的通用飛機(jī)飛行能力為230公里/小時(shí)，續(xù)航里程為800～1450公里，而現(xiàn)階段的純電動(dòng)的通用飛機(jī)，由于電池的能量密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于燃油，并且重量也大大增加，飛行速度最高也只到達(dá)160公里/小時(shí)，續(xù)航里程通常在200公里以?xún)?nèi)，一架純電動(dòng)飛機(jī)一般至少會(huì)裝載4組電池，而市場(chǎng)上高額的電池價(jià)格限制了純電動(dòng)飛機(jī)在通航領(lǐng)域的推廣[1-2]。

1 混合動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)聯(lián)接方式

飛機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)一般活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)組成，通過(guò)合理的控制器控制，對(duì)兩種動(dòng)力源進(jìn)行優(yōu)化匹配，動(dòng)力系統(tǒng)按照飛機(jī)實(shí)際飛行需求進(jìn)行靈活調(diào)控，使發(fā)動(dòng)機(jī)始終保持在綜合性能最佳的區(qū)域內(nèi)工作。

圖1 DA36 E-Star2混合動(dòng)力飛機(jī)

按照聯(lián)接方式的不同，混合動(dòng)力系統(tǒng)可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式。這三種聯(lián)結(jié)方式的運(yùn)行特性各不相同，可應(yīng)用在不同類(lèi)型飛機(jī)上[3-5]。

1.1 串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)

串聯(lián)式結(jié)構(gòu)是將發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，為電池充電或者直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，再由電動(dòng)機(jī)通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)飛機(jī)飛行。該種聯(lián)接形式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，但是適合的飛機(jī)飛行工況較少，不能滿(mǎn)足復(fù)雜的飛行條件。

1.2 并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)

并聯(lián)式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是燃油和發(fā)動(dòng)機(jī)、電池和電機(jī)作為兩個(gè)獨(dú)立的動(dòng)力源并聯(lián)，通過(guò)動(dòng)力調(diào)配機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)螺旋槳運(yùn)轉(zhuǎn)。該聯(lián)接方式的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力可直接驅(qū)動(dòng)飛機(jī)螺旋槳工作，整體來(lái)說(shuō)系統(tǒng)的效率較高，燃油消耗少。并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)可以在比較復(fù)雜的工作狀況下運(yùn)行，所以應(yīng)用范圍比較廣泛，但需要對(duì)兩個(gè)動(dòng)力源的工作狀態(tài)、能量分配進(jìn)行更好的優(yōu)化和管理。

1.3 混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)

混聯(lián)式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，兩組動(dòng)力源可以分別單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)，也可以同時(shí)工作通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)，所以混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)包含了串聯(lián)式和混聯(lián)式的特點(diǎn)。在混聯(lián)式系統(tǒng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力分成了兩部分，一部分直接通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)工作；另一部分動(dòng)力驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)工作，對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行充電，或直接驅(qū)動(dòng)給電機(jī)工作。

飛機(jī)在低速飛行時(shí)，混聯(lián)式主要以串聯(lián)方式工作，當(dāng)飛機(jī)高速

圖2 劍橋大學(xué)混合動(dòng)力飛機(jī)

············飛行時(shí)，則以并聯(lián)方式工作，在飛機(jī)起飛和降落時(shí)，可直接使用電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)?；炻?lián)式的優(yōu)點(diǎn)在于減少燃油消耗和廢氣排放的同時(shí)，具有較高的效率，在不同的工作狀況下，它能夠更加有效地把各種能量結(jié)合在一起。但是混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)最為復(fù)雜，設(shè)計(jì)制作成本和控制策略也增加了難度。

2 混合動(dòng)力飛機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀

2009年，德國(guó)FlightDesign公司展示了一款采用油電混合動(dòng)力的輕型飛機(jī)。該飛機(jī)裝配了40hp的電機(jī)和115hp的Rotax914發(fā)動(dòng)機(jī)，采用并聯(lián)混合形式，純電模式下可提供大約5分鐘的起飛和爬升動(dòng)力時(shí)間，在發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生故障的情況下，由電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，可保障飛機(jī)安全著陸。

2013年，歐洲SIEMENS公司、Diamond飛機(jī)公司和EADS集團(tuán)(空客的母公司)在DA36飛機(jī)的基礎(chǔ)上共同研發(fā)了DA36 E-Star2混合動(dòng)力飛機(jī)，如圖1所示。其動(dòng)力系統(tǒng)采用串聯(lián)系統(tǒng)，飛機(jī)在滿(mǎn)電、滿(mǎn)油及載兩人的情況下可完成一次900公里的航程。此混合動(dòng)力的優(yōu)點(diǎn)是飛機(jī)在起飛和降落時(shí)可單獨(dú)使用電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)螺旋槳，這樣可減少碳排放，降低對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境的污染，同時(shí)可降低機(jī)場(chǎng)環(huán)境的噪音。起飛過(guò)程中DA36 E-Star2的混合動(dòng)力系統(tǒng)可提供80千瓦的最大輸出功率，續(xù)航輸出功率為65千瓦，是第一架原型電機(jī)的兩倍。

美國(guó)波音公司和英國(guó)劍橋大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)也共用研發(fā)混合動(dòng)力飛機(jī)，是由滑翔機(jī)改造而成，包含駕駛員與燃料在內(nèi)的總起飛重量約為235公斤。如圖2所示。該飛機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)由一臺(tái)動(dòng)力7KW的油機(jī)和10KW的電機(jī)組成，當(dāng)飛機(jī)飛到巡航的高度時(shí)，油機(jī)將在最高燃油率時(shí)可為電池充電，16個(gè)鋰聚合物電池放置在機(jī)翼里，預(yù)計(jì)該款飛機(jī)可以減少約30%的燃油消耗。

3 混合動(dòng)力飛機(jī)未來(lái)發(fā)展前景

就目前來(lái)看，影響混合動(dòng)力系統(tǒng)在飛機(jī)上得以應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)正在改進(jìn)，第一是電池可以存儲(chǔ)的能量穩(wěn)步提升，這種趨勢(shì)也會(huì)繼續(xù)。第二是將電池、電動(dòng)機(jī)與活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)融合設(shè)計(jì)技術(shù)的改進(jìn)，使整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)會(huì)變得更小、更輕、且更有效率。

盡管混合動(dòng)力系統(tǒng)在汽車(chē)動(dòng)力領(lǐng)域正進(jìn)行的如火如荼，但就整個(gè)航空領(lǐng)域而言，混合動(dòng)力飛機(jī)的出現(xiàn)還需要在諸多方面需要發(fā)展，如電池儲(chǔ)能、電機(jī)效率、動(dòng)力分配、發(fā)動(dòng)機(jī)重量等。但隨著科技的進(jìn)步和技術(shù)的發(fā)展，混合動(dòng)力系統(tǒng)必將迎來(lái)美好的春天，并進(jìn)而改變整個(gè)通用航空產(chǎn)業(yè)。

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hybrid aircraft HEV combines the advantages of pure electric aircraft and oil pneumatic airplane, while maintaining the original range and endurance of the circumstances, can significantly reduce fuel consumption, reduce emissions and operating costs.This paper describes the hybrid system principle and connection mode, and combining with the design features of the existing hybrid aircraft, proposes the key technology development needs, has certain guiding significance for the design of hybrid aircraft.

general aircraft; hybrid; flight principle; green energy

周?chē)?guó)慶(1978—),男,漢,遼寧錦州人,碩士,現(xiàn)供職單位:沈陽(yáng)航空航天大學(xué),高級(jí)工程師,多年從事通用輕型飛機(jī)、旋翼機(jī)及無(wú)人機(jī)等型號(hào)研制工作,承擔(dān)了中國(guó)首架輕型電動(dòng)飛機(jī)總體設(shè)計(jì)、大展弦比無(wú)人機(jī)總體設(shè)計(jì)及強(qiáng)度試驗(yàn),在飛機(jī)設(shè)計(jì)方面具有大量的經(jīng)驗(yàn)。