符長(zhǎng)青

本文對(duì)無(wú)人機(jī)油動(dòng)和電動(dòng)兩種動(dòng)力裝置的性能與特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，闡述油電混合動(dòng)力系統(tǒng)的定義，分析油電混合動(dòng)力系統(tǒng)的特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)和類(lèi)型。

隨著無(wú)人機(jī)的廣泛應(yīng)用和性能提高，其動(dòng)力裝置的作用日益凸顯，無(wú)人機(jī)動(dòng)力裝置選型變得越來(lái)越重要。電動(dòng)機(jī)和燃油發(fā)動(dòng)機(jī)是當(dāng)前無(wú)人機(jī)動(dòng)力裝置的主要類(lèi)型，兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)。不論是電動(dòng)機(jī)，還是燃油發(fā)動(dòng)機(jī)，都無(wú)法完全取代對(duì)方。而一種有效的解決方案即無(wú)人機(jī)油電混合動(dòng)力系統(tǒng)已應(yīng)運(yùn)而出。

無(wú)人機(jī)油動(dòng)和電動(dòng)兩種動(dòng)力裝置的性能與特點(diǎn)對(duì)比

無(wú)人機(jī)是一種自身質(zhì)量密度大于空氣質(zhì)量密度的飛行器，動(dòng)力是其升空飛行的首要條件。無(wú)人機(jī)擁有動(dòng)力才能產(chǎn)生克服重力所需的升力。人們把無(wú)人機(jī)上能產(chǎn)生拉力或推力，使無(wú)人機(jī)飛行的一種裝置，稱為無(wú)人機(jī)動(dòng)力裝置。例如，無(wú)人機(jī)安裝的電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)，以及保證它們正常工作所需的子系統(tǒng)和配套設(shè)備。無(wú)人機(jī)常用動(dòng)力裝置有三大類(lèi)：電動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)以及兩者相互組合而構(gòu)成的混合動(dòng)力裝置。

燃油發(fā)動(dòng)機(jī)的性能與特點(diǎn)

（1）熱效率低。

活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率為20%~30%，渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率為24%~30%，渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率為40%~46%，這三個(gè)熱效率遠(yuǎn)低于電動(dòng)機(jī)的熱效率。

（2）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)和使用成本高。

（3）維修保養(yǎng)困難、麻煩。

（4）機(jī)械磨損大，使用壽命短。

（5）噪聲大，有污染排放。

電動(dòng)機(jī)的性能與特點(diǎn)

（1）熱效率高。

電動(dòng)機(jī)平均熱效率為87%，國(guó)際先進(jìn)水平為92%，遠(yuǎn)高于燃油發(fā)動(dòng)機(jī)。

（2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)和使用成本低。

電動(dòng)飛行器的能源使用成本僅為油動(dòng)飛行器的1/6。

（3）維修保養(yǎng)簡(jiǎn)單、容易。

（4）電磁力轉(zhuǎn)子和定子不直接接觸，機(jī)械磨損小，使用壽命長(zhǎng)。

（5）噪聲小，無(wú)污染排放。

電動(dòng)飛行器在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的碳排放幾乎為0。

以上對(duì)比可知，電動(dòng)機(jī)比燃油發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率高很多，而且成本低，噪聲小，使用壽命長(zhǎng)，無(wú)排放和污染。

節(jié)能減排是交通領(lǐng)域研究和實(shí)踐的熱點(diǎn)問(wèn)題，無(wú)人機(jī)領(lǐng)域也不例外，例如應(yīng)用最廣泛的輕小型多旋翼無(wú)人機(jī)已基本采用了電動(dòng)系統(tǒng)。但是，當(dāng)人們將電動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用于無(wú)人機(jī)等飛行器時(shí)，目前卻遇到一個(gè)非常棘手、而非電動(dòng)機(jī)本身的問(wèn)題，這就是為電動(dòng)機(jī)提供能源的動(dòng)力電池能量密度太低，比航空燃油的能量密度低十余倍。于是，電動(dòng)無(wú)人機(jī)在實(shí)際使用中，通常表現(xiàn)出重載動(dòng)力不足、飛行時(shí)間短等缺點(diǎn)。由此可見(jiàn)，依靠單一能源（電池）推進(jìn)的電動(dòng)無(wú)人機(jī)很難滿足許多飛行性能要求。

為了清晰地說(shuō)明無(wú)人機(jī)油電混合動(dòng)力系統(tǒng)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，下文對(duì)電動(dòng)無(wú)人機(jī)和油動(dòng)無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)存在的弱點(diǎn)展開(kāi)討論。

制約電動(dòng)無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)性能提升的主要因素

眾所周知，電動(dòng)無(wú)人機(jī)憑借操控簡(jiǎn)單靈活和極高的性價(jià)比，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。但是，電動(dòng)無(wú)人機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中，因其動(dòng)力系統(tǒng)受電池性能等因素的制約，在某些領(lǐng)域難以大范圍推廣和應(yīng)用。

一是電池能量密度低。電動(dòng)無(wú)人機(jī)普遍使用的是鋰電池，該型電池能量密度一般為0.46~0.72MJ/kg。由于鋰電池太重，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)任務(wù)載荷重量大打折扣，一般最大起飛重量約15kg的無(wú)人機(jī)，理論上自帶電池的重量很難超過(guò)5kg，這意味無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間不會(huì)超過(guò)30min。

二是電池放電速度快。鋰動(dòng)力電池放電速度隨著環(huán)境溫度的降低而加快。在低溫環(huán)境下，鋰電池放電速度加快，縮短了電動(dòng)無(wú)人機(jī)的作業(yè)時(shí)間。

三是電池技術(shù)在短期內(nèi)難突破。預(yù)計(jì)在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，電池技術(shù)很難取得根本性突破，這意味由電池提供能源的電動(dòng)無(wú)人機(jī)，其任務(wù)載荷重量小、續(xù)航時(shí)間短的問(wèn)題在短期內(nèi)很難從根本上得到解決。

制約油動(dòng)無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)性能提升的主要因素

一是汽油能量密度雖高，但汽油發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速慢。航空汽油能量密度為12~17MJ/kg，其能量密度比鋰電池高二十余倍。汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率通常是30%~50%，所以100kg且充滿電的鋰電池，其帶電量大約只相當(dāng)于3kg汽油的發(fā)電量。雖然汽油能量密度高，但是氣油發(fā)動(dòng)機(jī)的油門(mén)線性復(fù)雜，調(diào)速程序繁瑣，導(dǎo)致油動(dòng)無(wú)人機(jī)的響應(yīng)速度變慢。

二是燃油發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)/變距方式在最佳輸出功率下的行程很窄，需要變速箱改變齒輪配比才能適應(yīng)不同的轉(zhuǎn)速，這將導(dǎo)致油動(dòng)無(wú)人機(jī)的尺寸增大，噪聲和污染排放大，進(jìn)而增加無(wú)人機(jī)的空機(jī)重量。

油電混合動(dòng)力系統(tǒng)的定義

油電混合動(dòng)力系統(tǒng)是指安裝在有人機(jī)、無(wú)人機(jī)等飛行器上的一種雙動(dòng)力裝置，它由電池或太陽(yáng)能供電的電動(dòng)機(jī)和燃油發(fā)動(dòng)機(jī)兩種動(dòng)力裝置組裝在一起而構(gòu)成一個(gè)新的動(dòng)力系統(tǒng)，以改善飛行器的推力，大幅提高等效涵道比，提升氣動(dòng)效率，降低油耗，減小噪聲和排放。

油電混合動(dòng)力系統(tǒng)通常包括驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、供電系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)三大子系統(tǒng)。其中，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是指電動(dòng)機(jī)和燃油發(fā)動(dòng)機(jī)，供電系統(tǒng)是指發(fā)電機(jī)、電池和太陽(yáng)能電池，儲(chǔ)能系統(tǒng)是電池、燃油和燃油箱。

油電混合動(dòng)力系統(tǒng)的特點(diǎn)

油電混合動(dòng)力系統(tǒng)成功有效地將電能和航空燃油（汽油，柴油）兩種不同性質(zhì)的能源同時(shí)提供給無(wú)人機(jī)使用，將電動(dòng)機(jī)及其能源儲(chǔ)存裝置（電池）與燃油發(fā)動(dòng)機(jī)及其能源儲(chǔ)存裝置（燃油和燃油箱）組合在一起，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)和燃油發(fā)動(dòng)機(jī)之間的良好匹配和優(yōu)化控制，優(yōu)勢(shì)明顯。油電混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)可充分發(fā)揮諸多優(yōu)點(diǎn)，一方面，可以解決電動(dòng)無(wú)人機(jī)載重和續(xù)航能力弱的困局；另一方面，電動(dòng)機(jī)具有與尺寸無(wú)關(guān)的重要特性，即一個(gè)大功率電機(jī)系統(tǒng)分解為多個(gè)小功率電動(dòng)機(jī)后，而整個(gè)系統(tǒng)的功率密度、效率和重量基本保持不變。

因此，油電混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)可采用分布式電動(dòng)系統(tǒng)，利用多個(gè)小功率電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)多個(gè)較小直徑的涵道風(fēng)扇/螺旋槳，而不再驅(qū)動(dòng)超大直徑的涵道風(fēng)扇/螺旋槳，有效提高推進(jìn)系統(tǒng)的等效涵道比。小尺寸涵道風(fēng)扇/螺旋槳可以更方便地安裝于機(jī)翼、機(jī)身，有效提升油電混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)的氣動(dòng)效率，改善其飛行性能和能源消耗，其設(shè)計(jì)和布局可以更為靈活。

油電混合動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

無(wú)人機(jī)電動(dòng)和油動(dòng)系統(tǒng)各有所長(zhǎng)，而油電混合動(dòng)力系統(tǒng)將兩者的優(yōu)勢(shì)組合在一起，并充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)。

第一，相比于電動(dòng)或油動(dòng)系統(tǒng)，油電混合動(dòng)力系統(tǒng)采用先進(jìn)的燃油發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)一體化動(dòng)力技術(shù)，能充分發(fā)揮電動(dòng)和油動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。無(wú)人機(jī)利用燃油發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電，獲得了航空汽油的高能量，而無(wú)人機(jī)螺旋槳/旋翼系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，使無(wú)人機(jī)具有電力驅(qū)動(dòng)的反應(yīng)敏捷、操控靈活、安全可靠、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。燃油發(fā)電方式可長(zhǎng)時(shí)間地為電動(dòng)機(jī)供電，很完美地解決了電動(dòng)無(wú)人機(jī)任務(wù)載荷重量小和續(xù)航時(shí)間短的短板，讓無(wú)人機(jī)的應(yīng)用前景更加寬廣。相較電動(dòng)無(wú)人機(jī)，油電混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)的任務(wù)載荷重量、續(xù)航時(shí)間和航程通?？商岣呒s4~5倍。由此可見(jiàn)，油電混合動(dòng)力技術(shù)是解決當(dāng)前電動(dòng)無(wú)人機(jī)“載重小、航時(shí)短”難題的最終手段。

第二，相比于氫燃料電池，油電混合動(dòng)力能源的能量密度以及技術(shù)成熟度均高于氫燃料電池。因此，油電混合動(dòng)力裝置在無(wú)人機(jī)上的應(yīng)用更加廣泛。

油電混合動(dòng)力技術(shù)已成為當(dāng)前世界各國(guó)航空領(lǐng)域的前沿研究?jī)?nèi)容與熱點(diǎn)，是一項(xiàng)可以實(shí)現(xiàn)未來(lái)航空領(lǐng)域節(jié)能減排目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)。。在下一代航空動(dòng)力研究領(lǐng)域，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）提出了渦輪油電混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)概念，主要由電動(dòng)涵道風(fēng)扇推進(jìn)系統(tǒng)（電動(dòng)涵道風(fēng)扇采用單組或者多組分布式并聯(lián)方式）、渦輪發(fā)電系統(tǒng)與動(dòng)力電池系統(tǒng)組合而成。

綜上所述，無(wú)人機(jī)采用油電混合動(dòng)力系統(tǒng)，不僅可以改善無(wú)人機(jī)的氣動(dòng)結(jié)構(gòu)，大幅提升氣動(dòng)效率，降低油耗、噪聲和廢氣排放，而且能實(shí)現(xiàn)大載重、長(zhǎng)航時(shí)、一機(jī)多用等目標(biāo)。

油電混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)的優(yōu)勢(shì)

油電混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)是一種擁有新型雙動(dòng)力裝置的無(wú)人機(jī)，其動(dòng)力系統(tǒng)由使用電池或太陽(yáng)能供電的電動(dòng)機(jī)和燃油發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)良好的起飛、爬升等飛行性能，具有任務(wù)載荷重量大、超長(zhǎng)航時(shí)飛行等優(yōu)點(diǎn)。

相比于以燃油發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的飛行器，油電混合動(dòng)力飛行器除了具備環(huán)保優(yōu)勢(shì)外，還能大幅度降低運(yùn)營(yíng)成本和提高乘坐舒適性。美國(guó)混合動(dòng)力飛機(jī)初創(chuàng)企業(yè)祖納姆航空公司（Zunum Aero）的評(píng)估報(bào)告認(rèn)為，油電混合動(dòng)力飛行器的碳排放量?jī)H是同類(lèi)油動(dòng)飛行器的20%。通過(guò)減小燃油消耗，油電混合動(dòng)力飛行器能為航空公司降低40%～80%的運(yùn)營(yíng)成本。由于電動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行振動(dòng)更小，飛行過(guò)程中的噪聲可降低75%。除此以外，油電混合動(dòng)力飛行器相當(dāng)于有兩套動(dòng)力子系統(tǒng)，可以互為備份。在飛行過(guò)程中，其中一個(gè)子系統(tǒng)一旦出現(xiàn)問(wèn)題，另一個(gè)子系統(tǒng)能夠繼續(xù)有效地運(yùn)轉(zhuǎn)工作，保證飛行器安全降落。

無(wú)人機(jī)在實(shí)際飛行中，其動(dòng)力系統(tǒng)性能將影響無(wú)人機(jī)的任務(wù)載荷重量、續(xù)航時(shí)間、飛行高度、飛行速度和最大航程等性能及飛行狀態(tài)。雖然電動(dòng)無(wú)人機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟(jì)性好、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。但是，目前其任務(wù)載荷重量小、續(xù)航時(shí)間短等難題在短時(shí)間內(nèi)很難解決，或者說(shuō)任務(wù)載荷重量和續(xù)航時(shí)間的乘積低即載重續(xù)航積低。雖然以氫燃料電池為能源的電動(dòng)系統(tǒng)方案可以解決續(xù)航時(shí)間短的問(wèn)題，但是受限于其功率密度，任務(wù)載荷重量仍無(wú)法顯著增加。

一方面，電動(dòng)無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)和電池重量占比較大，能耗也非常大，動(dòng)力不足是最大的問(wèn)題，而目前的電池儲(chǔ)能技術(shù)還無(wú)法使電動(dòng)無(wú)人機(jī)在短期內(nèi)擺脫這一困局，無(wú)法大幅提升電動(dòng)無(wú)人機(jī)的載重和續(xù)航能力；另一方面，目前以燃油發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的無(wú)人機(jī)為了提升環(huán)保性，其發(fā)動(dòng)機(jī)直徑、涵道比呈不斷增加的發(fā)展趨勢(shì)，這給無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。

無(wú)人機(jī)采用油電混合動(dòng)力系統(tǒng)，能解決或改善上述兩方面的問(wèn)題。

未來(lái)，無(wú)人機(jī)的發(fā)展、應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒅饾u擴(kuò)大，而電動(dòng)無(wú)人機(jī)受限于電池能量密度，其發(fā)展空間非常有限，尤其受山地、森林、島礁等復(fù)雜地區(qū)高度和距離的影響，電動(dòng)無(wú)人機(jī)無(wú)法滿足長(zhǎng)時(shí)間和搭載重載荷的飛行要求。

油電混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)能真正實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。油電混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)可以根據(jù)客戶需求對(duì)油箱尺寸進(jìn)行改裝，只要燃油量足夠多，無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間就能增長(zhǎng)。同時(shí)，無(wú)人機(jī)采用無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具備了遠(yuǎn)程通信能力，其航程能超過(guò)100km，可承擔(dān)大范圍、長(zhǎng)航時(shí)的空中監(jiān)視、勘查、應(yīng)急救援、森林消防等工作。不僅如此，在沒(méi)有電力設(shè)施的受災(zāi)地區(qū)，汽油作為一種容易獲得的燃料，可避免復(fù)雜的充電條件要求并節(jié)省寶貴的充電時(shí)間，特別是無(wú)人機(jī)應(yīng)用于搶險(xiǎn)救援，在災(zāi)難發(fā)生時(shí)及災(zāi)難發(fā)生后的救援過(guò)程中，爭(zhēng)分奪秒、分秒必爭(zhēng)具有重要意義。

面對(duì)高溫、低溫、大風(fēng)、大雨等環(huán)境，油電混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)也能夠游刃有余，其生存能力遠(yuǎn)大于電動(dòng)無(wú)人機(jī)。

油電混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)的載荷能力大幅提升，可以搭載多種任務(wù)載荷執(zhí)行應(yīng)急救援、環(huán)境監(jiān)測(cè)、邊境巡邏、消防滅火等任務(wù)，從而真正實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。

油電混合動(dòng)力系統(tǒng)的類(lèi)型

無(wú)人機(jī)油電混合動(dòng)力系統(tǒng)是把兩種不同類(lèi)型的動(dòng)力裝置整合在一起，構(gòu)成一種可協(xié)同運(yùn)作、功能互補(bǔ)的動(dòng)力系統(tǒng)。按照組合方式，該系統(tǒng)可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式和分離式四種類(lèi)型。

串聯(lián)式油電混合動(dòng)力系統(tǒng)

串聯(lián)式油電混合動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理比較簡(jiǎn)單。直接在電動(dòng)無(wú)人機(jī)上額外加裝一臺(tái)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)和一臺(tái)發(fā)電機(jī)，組成一個(gè)新的發(fā)電機(jī)組，稱為燃油發(fā)電機(jī)（組）。燃油發(fā)動(dòng)機(jī)不與無(wú)人機(jī)的驅(qū)動(dòng)執(zhí)行裝置聯(lián)結(jié)在一起，即燃油發(fā)動(dòng)機(jī)與旋翼系統(tǒng)之間沒(méi)有減速傳動(dòng)的機(jī)械聯(lián)結(jié)，其功能只是驅(qū)動(dòng)無(wú)人機(jī)上新加裝的發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能，輸出電力，既可以直接給無(wú)人機(jī)上的電動(dòng)機(jī)供電，也可為電池充電。

采用串聯(lián)式油電混合動(dòng)力系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)，其動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與電動(dòng)無(wú)人機(jī)有較大差別。前者電動(dòng)機(jī)的電力來(lái)源除電池外，還可以由發(fā)電機(jī)直接供電。但是，油電混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)和電動(dòng)無(wú)人機(jī)螺旋槳/旋翼系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)和工作模態(tài)沒(méi)有差別，兩者基本相同，即無(wú)人機(jī)螺旋槳/旋翼系統(tǒng)完全由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)并旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而產(chǎn)生升力。

當(dāng)油電混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)在空中飛行時(shí)，發(fā)電機(jī)全程為電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力電能，電池的作用是，在無(wú)人機(jī)螺旋槳/旋翼系統(tǒng)須要較大驅(qū)動(dòng)功率時(shí)（如無(wú)人機(jī)起飛爬升和懸停階段）提供額外功率。

當(dāng)油電混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)處于穩(wěn)定的巡航階段時(shí)，無(wú)人機(jī)螺旋槳/旋翼系統(tǒng)須要的驅(qū)動(dòng)功率比較小，電池的作用是蓄能，并吸收發(fā)電機(jī)輸出的多余功率，從而起到功率調(diào)配的作用，使作為源動(dòng)力的燃油發(fā)動(dòng)機(jī)的工作始終處于最佳狀態(tài)。

并聯(lián)式油電混合動(dòng)力系統(tǒng)

并聯(lián)式油電混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是，燃油發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)通過(guò)并聯(lián)機(jī)械耦合裝置（離合器）聯(lián)結(jié)在驅(qū)動(dòng)軸上。無(wú)人機(jī)螺旋槳/旋翼系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)采用兩種驅(qū)動(dòng)方式：發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)同時(shí)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)，或者燃油發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)分別單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。

電動(dòng)機(jī)具有單獨(dú)供電系統(tǒng)（電池或太陽(yáng)能），燃油發(fā)動(dòng)機(jī)既不為電動(dòng)機(jī)供電，也不為電池供電。換言之，并聯(lián)式油電混合動(dòng)力系統(tǒng)同時(shí)擁有兩套相互獨(dú)立的動(dòng)力裝置，這兩套動(dòng)力裝置既可以各自單獨(dú)工作，也可以同時(shí)協(xié)同工作。

無(wú)人機(jī)并聯(lián)式油電混合動(dòng)力系統(tǒng)的工作模態(tài)與常規(guī)電動(dòng)無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的工作模態(tài)有所不同。

無(wú)人機(jī)在起飛、爬升和懸停階段，即無(wú)人機(jī)的螺旋槳/旋翼系統(tǒng)須要較大驅(qū)動(dòng)功率時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)同時(shí)聯(lián)合工作，竭盡全力提供動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)螺旋槳/旋翼系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)。

無(wú)人機(jī)在巡航和下降階段，即無(wú)人機(jī)螺旋槳/旋翼系統(tǒng)只須要較小驅(qū)動(dòng)功率時(shí)，燃油發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，僅電動(dòng)機(jī)單獨(dú)工作，為螺旋槳/旋翼系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)提供動(dòng)力。

當(dāng)無(wú)人機(jī)處于降落過(guò)程中的懸停階段，即無(wú)人機(jī)螺旋槳/旋翼系統(tǒng)須要較大驅(qū)動(dòng)功率時(shí)時(shí)，燃油發(fā)動(dòng)機(jī)再次起動(dòng)，與電動(dòng)機(jī)一起工作，共同提供動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)螺旋槳/旋翼系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)。

混聯(lián)式油電混合動(dòng)力系統(tǒng)

混聯(lián)式油電混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是，燃油發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)通過(guò)混聯(lián)式機(jī)械耦合裝置（星形齒輪）聯(lián)結(jié)在螺旋槳/旋翼系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)軸上。無(wú)人機(jī)螺旋槳/旋翼系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)采用兩種驅(qū)動(dòng)方式：發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)同時(shí)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)，或者燃油發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)分別單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。這種動(dòng)力系統(tǒng)可以使燃油發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，給電池充電?；炻?lián)式油電混合動(dòng)力系統(tǒng)綜合了串聯(lián)式和并聯(lián)式的優(yōu)點(diǎn)，取消傳動(dòng)離合器，增加了星形減速齒輪。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是，燃油發(fā)動(dòng)機(jī)不僅可以與電動(dòng)機(jī)聯(lián)合工作，共同為無(wú)人機(jī)螺旋槳/旋翼系統(tǒng)的主減速器提供動(dòng)力，而且它的一部分功率還可用來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，為電池和電動(dòng)機(jī)提供電力，使電池能在電動(dòng)機(jī)處于較低輸出功率時(shí)自動(dòng)充滿電。

混聯(lián)式油電混合動(dòng)力系統(tǒng)的工作模態(tài)與并聯(lián)式類(lèi)似。

無(wú)人機(jī)在起飛、爬升和懸停階段，電動(dòng)機(jī)和燃油發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)工作，共同提供動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)螺旋槳/旋翼系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)，此時(shí)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)的聯(lián)結(jié)斷開(kāi)，停止帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

圖1 串聯(lián)式油電混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 并聯(lián)式油電混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 混聯(lián)式油電混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

無(wú)人機(jī)在巡航和下降階段，其飛行采用電動(dòng)模式。電動(dòng)機(jī)單獨(dú)為螺旋槳/旋翼系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)提供所需的動(dòng)力，此時(shí)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)并不關(guān)停，而是驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電，部分電力供電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳/旋翼系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)，部分多余電力供無(wú)人機(jī)機(jī)載電池充電。

當(dāng)無(wú)人機(jī)處于降落過(guò)程中的懸停階段，燃油發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)的聯(lián)結(jié)再次斷開(kāi)，重新與電動(dòng)機(jī)一起工作，共同提供動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)螺旋槳/旋翼系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)。

分離式油電混合動(dòng)力系統(tǒng)

分離式油電混合動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理最簡(jiǎn)單。直接在電動(dòng)無(wú)人機(jī)上額外加裝一臺(tái)或多臺(tái)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)，以及兩副主旋翼。燃油發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，直接驅(qū)動(dòng)兩副主旋翼旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生無(wú)人機(jī)飛行所需要的升力。機(jī)載電池給4臺(tái)電動(dòng)機(jī)提供電力，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)與之相聯(lián)的4個(gè)副旋翼旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生控制無(wú)人機(jī)飛行方向和飛行姿態(tài)所需的拉力。

燃油發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)之間沒(méi)有機(jī)械性硬聯(lián)結(jié)（圖4），因此兩者各自獨(dú)立運(yùn)行工作。但是，它們之間有控制操作信號(hào)的軟聯(lián)結(jié)，機(jī)載飛行控制與導(dǎo)航系統(tǒng)（自動(dòng)駕駛儀）實(shí)時(shí)向?qū)Ψ絺鬏敻髯缘墓ぷ鳡顟B(tài)信息，并使對(duì)方能夠即刻做出實(shí)時(shí)響應(yīng)，以保證無(wú)人機(jī)飛行具有良好的穩(wěn)定性和可操控性。

圖4 分離式油電混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

分離式油電混合動(dòng)力系統(tǒng)的工作模態(tài)容易理解。該系統(tǒng)將提供升力及控制方向的旋翼分開(kāi)，兩副主旋翼尺寸比較大，由燃油發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，確保為無(wú)人機(jī)安全飛行提供所需的、足夠大的升力，以克服地球巨大的引力?？刂骑w行方向和飛行姿態(tài)的4個(gè)副旋翼尺寸比較小，由電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，產(chǎn)生精確控制無(wú)人機(jī)平衡和平穩(wěn)飛行所需的拉力。分離式油電混合動(dòng)力系統(tǒng)將兩種不同結(jié)構(gòu)和工作原理迥異的動(dòng)力系統(tǒng)集成于無(wú)人機(jī)，讓它們充分發(fā)揮各自的特長(zhǎng)，共同承擔(dān)一項(xiàng)特別重大的任務(wù)。分離式油電混合動(dòng)力系統(tǒng)具有功能分離的雙重優(yōu)勢(shì)，使無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，又能搭載較重的任務(wù)載荷。

串聯(lián)式油電混合動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是，動(dòng)力控制系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，燃油發(fā)動(dòng)機(jī)可較長(zhǎng)時(shí)間（例如幾小時(shí)）驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)工作，保證了無(wú)人機(jī)上所有電動(dòng)機(jī)完成較長(zhǎng)時(shí)間工作所需的電力供應(yīng)，從而提高了無(wú)人機(jī)的載重和續(xù)航能力。缺點(diǎn)是能量要經(jīng)過(guò)發(fā)電機(jī)、控制器和電動(dòng)機(jī)多級(jí)功率遞減，整個(gè)動(dòng)力機(jī)械效率比較低，經(jīng)濟(jì)性較差。另外，在串聯(lián)式油電混合動(dòng)力系統(tǒng)工作時(shí)，燃油發(fā)電機(jī)直接給電池及電動(dòng)機(jī)供電，它與旋翼系統(tǒng)之間沒(méi)有減速傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械性連接。只有高性能電池問(wèn)世后，才能用高性能電池替換燃油發(fā)電機(jī)，油電混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)變成電動(dòng)無(wú)人機(jī)。因此，可以把該系統(tǒng)視為一種過(guò)渡方案。不過(guò)，革命性電池產(chǎn)品（高能量密度充電電池）在短期內(nèi)問(wèn)世的可能性極低。

圖5 美國(guó)貝塔公司“阿利亞”（Alia）電動(dòng)垂直起降飛行器。

在并聯(lián)式油電混合動(dòng)力系統(tǒng)中，沒(méi)有發(fā)電機(jī)，燃油發(fā)動(dòng)機(jī)也不為電動(dòng)機(jī)供電，電動(dòng)機(jī)具有單獨(dú)的供電系統(tǒng)（電池或太陽(yáng)能）。整個(gè)系統(tǒng)工作方式較為靈活，缺點(diǎn)是電池須要人工拆下進(jìn)行單獨(dú)充電。并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)是在電動(dòng)無(wú)人機(jī)上加裝一套燃油動(dòng)力設(shè)備，通過(guò)復(fù)合動(dòng)力裝置對(duì)電動(dòng)機(jī)和燃油發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力進(jìn)行疊加，兩種不同的動(dòng)力裝置是并聯(lián)關(guān)系。并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比串聯(lián)式復(fù)雜，優(yōu)點(diǎn)是燃油發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力可直接復(fù)合到動(dòng)力輸出上，用來(lái)驅(qū)動(dòng)螺旋槳/旋翼系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生向上或向前的推力。

從能量傳輸效率來(lái)看，混聯(lián)式油電混合動(dòng)力系統(tǒng)是最理想的混合動(dòng)力裝置，能充分發(fā)揮航空汽油能量密度高的特點(diǎn)，具有較高的燃油經(jīng)濟(jì)性，極大提高了無(wú)人機(jī)任務(wù)載荷重量、續(xù)航時(shí)間和航程。其主要缺點(diǎn)是，整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，對(duì)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的控制運(yùn)行精度要求較高。

不論是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，還是工作原理，分離式油電混合動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單。但是，它算不上是真正意義的油電混合動(dòng)力系統(tǒng)。因?yàn)樗碾妱?dòng)機(jī)并沒(méi)有參與驅(qū)動(dòng)主旋翼系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生升力，只是對(duì)無(wú)人機(jī)飛行方向和姿態(tài)進(jìn)行控制，真正驅(qū)動(dòng)無(wú)人機(jī)兩副主旋翼系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生升力的動(dòng)力完全來(lái)自燃油發(fā)動(dòng)機(jī)。所以，大部分文獻(xiàn)資料都不把它列入油電混合動(dòng)力系統(tǒng)的分類(lèi)。

綜合對(duì)比以上4種無(wú)人機(jī)油電混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和能量傳遞效率可知，混聯(lián)式油電混合動(dòng)力系統(tǒng)是最理想的混合動(dòng)力裝置。

實(shí)際上，這4種無(wú)人機(jī)油電混合動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)并不存在絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)。選擇不同的油電混合動(dòng)力系統(tǒng)，應(yīng)根據(jù)不同無(wú)人機(jī)的構(gòu)型和量級(jí)進(jìn)行計(jì)算和評(píng)估，包括總體參數(shù)選擇的迭代方法，以確定最佳的油電混合動(dòng)力系統(tǒng)方案。■

（未完待續(xù)）