淺談混合動力系統(tǒng)在通用飛機上的應用

周國慶 李正浩

(沈陽航空航天大學,遼寧沈陽 110136)

淺談混合動力系統(tǒng)在通用飛機上的應用

周國慶 李正浩

(沈陽航空航天大學,遼寧沈陽 110136)

混合動力汽車混合動力飛機結合了純電動飛機和油動飛機的優(yōu)點,在保持原有航程和航時的情況下,可顯著降低燃油的消耗,減少尾氣排放和運行費用。本文敘述了混合動力系統(tǒng)原理及聯(lián)接方式,并結合現(xiàn)有混合動力飛機的設計特點,提出需要發(fā)展的關鍵技術,對混合動力飛機設計具有一定指導意義。

通用飛機 混合動力 飛行原理 綠色能源

隨著傳統(tǒng)能源的日益枯竭，使汽車、航空等領域正逐漸發(fā)生著改變。在汽車領域，美國特斯拉轎車的出現(xiàn)，使新能源汽車正被傳統(tǒng)汽車公司重視。但純電動汽車由于受到電池儲能和價格的因素制約，不能大量普及，導致很多公司采用一種折中方案，即在汽車上采用油電混合動力技術。該方案在很多時候其動力性能優(yōu)于同樣的單純油動發(fā)動機的汽車，且在燃油消耗上要小于后者。同樣，在航空領域，純電動的輕型飛機，如沈陽航空航天大學研制的RX1E飛機盡管已經完成首飛，并接受了適航當局的許可證，但是電池儲能不夠的問題，使該飛機的航程和航時受到很大的影響。因此，在飛機上采用混合動力系統(tǒng)的話，不僅可以降低傳統(tǒng)油動飛機的燃油消耗、改善飛機的性能，如滑跑、爬升等，減少環(huán)境污染等社會問題。

目前，大多數依賴傳統(tǒng)燃料的通用飛機飛行能力為230公里/小時，續(xù)航里程為800～1450公里，而現(xiàn)階段的純電動的通用飛機，由于電池的能量密度遠遠小于燃油，并且重量也大大增加，飛行速度最高也只到達160公里/小時，續(xù)航里程通常在200公里以內，一架純電動飛機一般至少會裝載4組電池，而市場上高額的電池價格限制了純電動飛機在通航領域的推廣[1-2]。

1 混合動力系統(tǒng)驅動聯(lián)接方式

飛機混合動力系統(tǒng)一般活塞式發(fā)動機和電機組成，通過合理的控制器控制，對兩種動力源進行優(yōu)化匹配，動力系統(tǒng)按照飛機實際飛行需求進行靈活調控，使發(fā)動機始終保持在綜合性能最佳的區(qū)域內工作。

圖1 DA36 E-Star2混合動力飛機

按照聯(lián)接方式的不同，混合動力系統(tǒng)可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式。這三種聯(lián)結方式的運行特性各不相同，可應用在不同類型飛機上[3-5]。

1.1 串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)

串聯(lián)式結構是將發(fā)動機帶動發(fā)電機，為電池充電或者直接驅動電動機，再由電動機通過傳動機構帶動螺旋槳旋轉，驅動飛機飛行。該種聯(lián)接形式結構簡單，易于實現(xiàn)，但是適合的飛機飛行工況較少，不能滿足復雜的飛行條件。

1.2 并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)

并聯(lián)式結構的特點是燃油和發(fā)動機、電池和電機作為兩個獨立的動力源并聯(lián)，通過動力調配機構驅動螺旋槳運轉。該聯(lián)接方式的飛機發(fā)動機產生的動力可直接驅動飛機螺旋槳工作，整體來說系統(tǒng)的效率較高，燃油消耗少。并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)可以在比較復雜的工作狀況下運行，所以應用范圍比較廣泛，但需要對兩個動力源的工作狀態(tài)、能量分配進行更好的優(yōu)化和管理。

1.3 混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)

混聯(lián)式結構的特點，兩組動力源可以分別單獨運轉驅動螺旋槳旋轉，也可以同時工作通過傳動系統(tǒng)帶動螺旋槳旋轉，所以混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)包含了串聯(lián)式和混聯(lián)式的特點。在混聯(lián)式系統(tǒng)中，發(fā)動機的動力分成了兩部分，一部分直接通過傳動機構驅動螺旋槳旋轉工作；另一部分動力驅動發(fā)電機工作，對動力電池進行充電，或直接驅動給電機工作。

飛機在低速飛行時，混聯(lián)式主要以串聯(lián)方式工作，當飛機高速

圖2 劍橋大學混合動力飛機

············飛行時，則以并聯(lián)方式工作，在飛機起飛和降落時，可直接使用電動機進行驅動?；炻?lián)式的優(yōu)點在于減少燃油消耗和廢氣排放的同時，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合在一起。但是混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的設計最為復雜，設計制作成本和控制策略也增加了難度。

2 混合動力飛機的發(fā)展現(xiàn)狀

2009年，德國FlightDesign公司展示了一款采用油電混合動力的輕型飛機。該飛機裝配了40hp的電機和115hp的Rotax914發(fā)動機，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力時間，在發(fā)動機發(fā)生故障的情況下，由電動機提供動力，可保障飛機安全著陸。

2013年，歐洲SIEMENS公司、Diamond飛機公司和EADS集團(空客的母公司)在DA36飛機的基礎上共同研發(fā)了DA36 E-Star2混合動力飛機，如圖1所示。其動力系統(tǒng)采用串聯(lián)系統(tǒng)，飛機在滿電、滿油及載兩人的情況下可完成一次900公里的航程。此混合動力的優(yōu)點是飛機在起飛和降落時可單獨使用電動機作為動力驅動螺旋槳，這樣可減少碳排放，降低對當地環(huán)境的污染，同時可降低機場環(huán)境的噪音。起飛過程中DA36 E-Star2的混合動力系統(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，是第一架原型電機的兩倍。

美國波音公司和英國劍橋大學的科研團隊也共用研發(fā)混合動力飛機，是由滑翔機改造而成，包含駕駛員與燃料在內的總起飛重量約為235公斤。如圖2所示。該飛機動力系統(tǒng)由一臺動力7KW的油機和10KW的電機組成，當飛機飛到巡航的高度時，油機將在最高燃油率時可為電池充電，16個鋰聚合物電池放置在機翼里，預計該款飛機可以減少約30%的燃油消耗。

3 混合動力飛機未來發(fā)展前景

就目前來看，影響混合動力系統(tǒng)在飛機上得以應用的關鍵技術正在改進，第一是電池可以存儲的能量穩(wěn)步提升，這種趨勢也會繼續(xù)。第二是將電池、電動機與活塞式發(fā)動機機融合設計技術的改進，使整個動力系統(tǒng)會變得更小、更輕、且更有效率。

盡管混合動力系統(tǒng)在汽車動力領域正進行的如火如荼，但就整個航空領域而言，混合動力飛機的出現(xiàn)還需要在諸多方面需要發(fā)展，如電池儲能、電機效率、動力分配、發(fā)動機重量等。但隨著科技的進步和技術的發(fā)展，混合動力系統(tǒng)必將迎來美好的春天，并進而改變整個通用航空產業(yè)。

[1]許震宇,周華,楊志剛.電動力輕型飛機的研制[J].航空科學技術, 2007(6):26-30.

[2]趙長輝,盧波,陳立瑋,等.飛機的電動力系統(tǒng)技術概述[J].航空工程進展,2011,04:449-458.

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[4]Kolja, S.Performance assessment of part-electric general aviation aircraft [D]: [Master’s degree thesis].Hamburg: Hamburg University, 2006.

[5]Koster J, Humbargar C, Serani E, et al.Hybrid Electric Integrated Optimized System (HELIOS): Design of a Hybrid Propulsion System for Aircraft[C].in: 49th AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition.Orlando, Florida.2011.

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

周國慶(1978—),男,漢,遼寧錦州人,碩士,現(xiàn)供職單位:沈陽航空航天大學,高級工程師,多年從事通用輕型飛機、旋翼機及無人機等型號研制工作,承擔了中國首架輕型電動飛機總體設計、大展弦比無人機總體設計及強度試驗,在飛機設計方面具有大量的經驗。