天翼1無(wú)人機(jī)電動(dòng)化改造可行性分析

鄒寧，姚小軼，梁爽，杜圣超

(航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，成都 610092)

0 引 言

電動(dòng)飛機(jī)是指以電能作為推進(jìn)能源的飛機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是高效節(jié)能、環(huán)境友好，能夠?qū)崿F(xiàn)零排放或極低排放；噪聲和振動(dòng)水平極低，乘坐舒適性好(對(duì)于軍事用途而言隱蔽性好)；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用維護(hù)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)性好等[1-3]。在小型飛機(jī)中，用電池代替燃油作為初級(jí)能源，不僅沒(méi)有污染，而且規(guī)避了航空燃油獲取困難，價(jià)格昂貴的缺點(diǎn)，擴(kuò)展了飛機(jī)的使用范圍。由于這些優(yōu)點(diǎn)，電動(dòng)飛機(jī)迅速成為近年來(lái)航空領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，受到廣泛關(guān)注[4]。

純電動(dòng)飛機(jī)已被國(guó)內(nèi)外的飛機(jī)公司研制成功，有些已實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)，并廣泛應(yīng)用于飛行員培訓(xùn)、旅游觀(guān)光、私人飛行和航空攝影等通用航空領(lǐng)域。捷克Phoenix Air飛機(jī)公司2011年推出了Phoenix Air U-15電動(dòng)滑翔機(jī)，最新的升級(jí)版本將有超過(guò)2 h的續(xù)航時(shí)間，該機(jī)已經(jīng)取得捷克實(shí)驗(yàn)類(lèi)輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)適航許可(ELSA)。捷克Skyleader飛機(jī)公司的SL400 是一款下單翼并列雙座電動(dòng)飛機(jī)，屬于歐洲標(biāo)準(zhǔn)的超輕型運(yùn)動(dòng)類(lèi)飛機(jī)，該機(jī)具有可收放的起落架和全金屬機(jī)身，使用液冷電機(jī)，最大飛行速度230 km/h，航時(shí)1.5 h，已于2017年秋季首飛成功，目前已經(jīng)取得捷克實(shí)驗(yàn)類(lèi)輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)適航許可。斯洛文尼亞蝙蝠公司(Pipistrel Aviation)的電動(dòng)飛機(jī)Alpha Electro于2017年推向市場(chǎng)，同年即獲得24架的訂單，該機(jī)因其技術(shù)成熟、指標(biāo)先進(jìn)，成為當(dāng)前電動(dòng)飛機(jī)市場(chǎng)的代表作。我國(guó)沈陽(yáng)通用航空研究院研制的國(guó)內(nèi)首款電動(dòng)雙座輕型飛機(jī)“銳翔”RX1E于2013年實(shí)現(xiàn)首飛，2015年獲得國(guó)家民航局頒發(fā)的輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)“型號(hào)設(shè)計(jì)批準(zhǔn)書(shū)”和生產(chǎn)許可證，已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)交付。該機(jī)的最新改進(jìn)型RX1E-A續(xù)航時(shí)間已提高到2 h，符合世界主要地區(qū)對(duì)電動(dòng)輕型飛機(jī)續(xù)航能力的要求[5]。電動(dòng)飛機(jī)正在影響著未來(lái)航空的發(fā)展方向，先進(jìn)電動(dòng)飛機(jī)有望廣泛應(yīng)用于通用航空等領(lǐng)域，大幅度改善人類(lèi)的生活和生產(chǎn)方式，開(kāi)創(chuàng)電動(dòng)力航空時(shí)代[6]。

目前在無(wú)人機(jī)領(lǐng)域，采用電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力主要集中在微小型無(wú)人機(jī)、無(wú)人旋翼機(jī)和太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)。質(zhì)量大且航時(shí)較長(zhǎng)的無(wú)人機(jī)基本都采用了燃油動(dòng)力系統(tǒng)。隨著電動(dòng)機(jī)、電池等技術(shù)的發(fā)展，將現(xiàn)有的燃油動(dòng)力無(wú)人機(jī)改造為電動(dòng)無(wú)人機(jī)在技術(shù)上已變得可行。對(duì)適合的無(wú)人機(jī)進(jìn)行電動(dòng)化改造，可提高無(wú)人機(jī)的環(huán)保性、安全性、可靠性和維護(hù)性。電動(dòng)機(jī)相對(duì)于燃油發(fā)動(dòng)機(jī)幾乎可以做到零排放，減少對(duì)環(huán)境的污染。同時(shí)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)與燃油發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)相比，系統(tǒng)組成更加簡(jiǎn)潔，更利于維護(hù)，安全性更高(不存在燃油泄漏甚至著火的危險(xiǎn))，也具有更高的可靠性(空中停車(chē)的可能性更低)。另外電動(dòng)化改造后無(wú)人機(jī)的控制將變得更加簡(jiǎn)單，同時(shí)還能降低使用成本(每次任務(wù)只需要充電，而不是消耗相對(duì)昂貴的燃油)，可獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益。

天翼1無(wú)人機(jī)是航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司(簡(jiǎn)稱(chēng)成飛公司)現(xiàn)有的一款成熟無(wú)人機(jī)，采用活塞式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。本文對(duì)天翼1無(wú)人機(jī)電動(dòng)化改造的可行性進(jìn)行分析。

1 天翼1無(wú)人機(jī)簡(jiǎn)介

天翼1無(wú)人機(jī)是成飛公司自行研制的輕型多用途無(wú)人機(jī)，具有小型化、集成化、智能化等特點(diǎn)[7]。該無(wú)人機(jī)具備滑跑起飛、車(chē)載起飛、火箭助推起飛、滑跑著陸、傘降回收多種起降方式，可以滿(mǎn)足用戶(hù)不同使用條件的需求。在航空遙感、氣象探測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、邊防巡邏、海事監(jiān)測(cè)、應(yīng)急救災(zāi)、航空測(cè)繪、森林防火監(jiān)視、高壓電線(xiàn)與輸油管路巡查等眾多領(lǐng)域都有其用武之地。目前天翼1無(wú)人機(jī)已交付于國(guó)家環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心[8]，并參與了多次執(zhí)法行動(dòng)，在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮了巨大作用。天翼1無(wú)人機(jī)模型如圖1所示。

圖1 天翼1無(wú)人機(jī)Fig.1 SW1 UAV

天翼1無(wú)人機(jī)基本參數(shù)如表1所示。

表1 天翼1無(wú)人機(jī)基本參數(shù)

2 電動(dòng)化改造分析

2.1 改造方案

傳統(tǒng)飛機(jī)通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能產(chǎn)生動(dòng)力，與之相對(duì)的電推進(jìn)飛機(jī)通過(guò)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)涵道式風(fēng)扇、螺旋槳或其他裝置產(chǎn)生動(dòng)力，直接將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能[9]。

天翼1無(wú)人機(jī)電動(dòng)化改造將拆除原有的燃油動(dòng)力系統(tǒng)，換裝以鋰電池組為能源，電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的電推進(jìn)系統(tǒng)。電推進(jìn)系統(tǒng)是電動(dòng)飛機(jī)的核心，電動(dòng)飛機(jī)的性能和用途主要取決于其電推進(jìn)系統(tǒng)[10]。電推進(jìn)系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)、螺旋槳、電動(dòng)機(jī)控制器、鋰電池組、電源管理系統(tǒng)(BMS)組成，系統(tǒng)交聯(lián)關(guān)系如圖2所示，螺旋槳沿用天翼1無(wú)人機(jī)原螺旋槳。此外還需要對(duì)無(wú)人機(jī)的配電設(shè)備和配電方式進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)飛控的控制策略也要做相應(yīng)修改。

圖2 電推進(jìn)系統(tǒng)交聯(lián)圖Fig.2 Cross-linking of electric propulsion system

電推進(jìn)系統(tǒng)要滿(mǎn)足各飛行狀態(tài)下的最大推力要求，在續(xù)航時(shí)間內(nèi)提供所需的推力并為機(jī)載設(shè)備供電[11]。通過(guò)計(jì)算飛機(jī)飛行剖面各狀態(tài)所需的功率和能量，由各狀態(tài)所需功率確定電動(dòng)機(jī)的功率，由飛行剖面總能量確定電池的電容量[12]。

2.2 電動(dòng)機(jī)需求分析

選擇合適的電動(dòng)機(jī)，需要對(duì)無(wú)人機(jī)各飛行狀態(tài)所需的最大功率進(jìn)行綜合分析。如果選擇的電動(dòng)機(jī)功率過(guò)小，電動(dòng)機(jī)會(huì)經(jīng)常處于高過(guò)載狀態(tài)工作，這會(huì)縮短電動(dòng)機(jī)的使用壽命甚至導(dǎo)致無(wú)人機(jī)無(wú)法起飛[12]；相反，如果所選電動(dòng)機(jī)功率過(guò)大，則無(wú)法發(fā)揮出電動(dòng)機(jī)最佳工作狀態(tài)，且所需電量也會(huì)增大，這會(huì)增加電動(dòng)機(jī)和電池質(zhì)量，對(duì)電動(dòng)機(jī)和電池造成浪費(fèi)，同時(shí)影響無(wú)人機(jī)性能。

通過(guò)對(duì)天翼1無(wú)人機(jī)飛行任務(wù)剖面的分析，可知無(wú)人機(jī)在起飛時(shí)的爬升階段所需功率最大。因此選擇起飛時(shí)需要的最大功率作為電動(dòng)機(jī)額定功率。無(wú)人機(jī)在起飛時(shí)所需的最大推力可由以下方程式組求出：

(1)

式中：a1為飛機(jī)起飛爬升時(shí)的加速度；Vl為爬升結(jié)束時(shí)的平飛速度(取150 km/h)；Vtk為起飛速度(取100 km/h)；Sc為爬升飛行的距離(設(shè)爬升高度為1 000 m，則Sc=1 000/sinβ)；D為阻力；S為機(jī)翼面積；ρ為空氣密度(取海平面空氣密度)；β為爬升角(取5°)；CD為阻力系數(shù)；Fc為起飛時(shí)最大推力；m為無(wú)人機(jī)質(zhì)量(取最大起飛質(zhì)量85 kg)；g為重力加速度(取9.8 m/s2)。

代入各參數(shù)值可求得Fc=180.68 N。假設(shè)無(wú)人機(jī)做定常爬升飛行，則所需最大功率為

螺旋槳效率ηp取0.8，電動(dòng)機(jī)效率ηe取0.95，則所需的電動(dòng)機(jī)功率為

實(shí)際選擇電動(dòng)機(jī)時(shí)應(yīng)考慮一定的余量，這里參考天翼1無(wú)人機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)，選取額定功率13 kW的電動(dòng)機(jī)。

2.3 鋰電池組電容量分析

鋰電池組電容量需要根據(jù)無(wú)人機(jī)任務(wù)剖面內(nèi)各階段的耗電量進(jìn)行分析確定。本文選擇天翼1無(wú)人機(jī)滑跑起飛、傘降回收起降方式的任務(wù)剖面，該剖面包含以下幾個(gè)階段：地面等待、滑跑、爬升、巡航、下滑、傘降回收，如圖3所示，其中傘降回收階段，除切傘外全機(jī)基本無(wú)其他電量消耗，且切傘所耗電量極低，可忽略不計(jì)。

圖3 天翼1無(wú)人機(jī)任務(wù)剖面Fig.3 Mission profile of SW1 UAV

按最佳航時(shí)進(jìn)行分析，無(wú)人機(jī)質(zhì)量取正常起飛質(zhì)量70 kg，起飛速度取100 km/h，巡航速度取120 km/h，爬升高度取1 000 m，電動(dòng)機(jī)控制器效率ηc取0.98，則電推進(jìn)系統(tǒng)的總效率

η=ηpηeηc=0.8×0.95×0.98=0.744 8

下面分別對(duì)各階段所需電量進(jìn)行分析。

地面等待階段：這一階段的時(shí)間設(shè)為1 min，所需功率取電動(dòng)機(jī)額定功率的1/5，則這一階段的耗電量為

滑跑階段：假設(shè)這一階段無(wú)人機(jī)作等加速度運(yùn)動(dòng)，這一階段的時(shí)間可以由式(2)求出

(2)

式中：Srun為起飛滑跑距離，設(shè)為150 m；a2為滑跑加速度，可求得時(shí)間trun=10.8 s。

這一階段電動(dòng)機(jī)功率取爬升階段起飛時(shí)功率的90%，求出爬升階段起飛時(shí)的需用最大功率為4 257 W，則滑跑階段的耗電量為

=0.015 kW·h

爬升階段：由式(1)和Vl=Vtk+a1tclimb，可求得爬升所需時(shí)間為376 s，則這一階段的耗電量為

=0.596 kW·h

巡航階段：這一階段的需用功率為

(3)

式中：K為升阻比，取15，可求得Pcruise=1.524 kW，巡航時(shí)間按2 h計(jì)算，則這一階段的耗電量為

下滑階段：開(kāi)傘高度距地面約200 m，下滑高度為1 000-200=800 m。這一階段的需用功率取巡航階段的80%，下沉率取3 m/s，則這一階段的耗電量為

=0.121 kW·h

傘降回收階段：考慮30 min的巡航時(shí)間余量，則有

機(jī)上其他用電設(shè)備的總功率為400 W，2 h的耗電量為

Wother=Pothertother=0.4×2=0.8 kW·h

因此鋰電池組的總電容量應(yīng)為

Wcell=Wwait+Wrun+Wclimb+Wcruise+Wglide+

Wsave+Wother=6.707 kW·h

2.4 改造可行性分析

首先分析天翼1無(wú)人機(jī)電動(dòng)化改造后全機(jī)質(zhì)量變化。目前廣泛使用的電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)功率密度普遍低于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的水平，電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的功率密度問(wèn)題嚴(yán)重影響了電推進(jìn)系統(tǒng)的推廣使用[13]。現(xiàn)有小型電動(dòng)飛機(jī)的電動(dòng)機(jī)額定功率密度基本為2 kW/kg。斯洛文尼亞Pipistrel公司的Taurus Electro G2飛機(jī)中，使用了30 kW永磁同步電機(jī)，其轉(zhuǎn)速在2 000 rpm左右，質(zhì)量?jī)H為11.8 kg[14]。國(guó)內(nèi)外電動(dòng)機(jī)廠(chǎng)商正在研制功率密度大于3 kW/kg的電動(dòng)機(jī)。有報(bào)道稱(chēng)全超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)的功率密度理論上能超過(guò)25 kW/kg[15]，但這僅停留在對(duì)大型電推進(jìn)飛機(jī)的理論研究。隨著對(duì)電動(dòng)機(jī)材料改進(jìn)，電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和電動(dòng)機(jī)容錯(cuò)性能優(yōu)化等，未來(lái)電動(dòng)機(jī)的功率密度會(huì)進(jìn)一步提高。因此可以假定天翼1無(wú)人機(jī)電動(dòng)化改造使用的電動(dòng)機(jī)功率密度為3 kW/kg，則可計(jì)算出電動(dòng)機(jī)質(zhì)量為13/3≈4.33 kg。

早期電池能量密度遠(yuǎn)低于燃油能量密度[16]。近年來(lái)，隨著電動(dòng)汽車(chē)的飛速發(fā)展，鋰電池技術(shù)發(fā)展迅速。松下公司為特斯拉電動(dòng)車(chē)Model3研制的21700電池于2017年7月28日隨車(chē)一起公布，能量密度達(dá)到了300 W·h/kg。2018年特斯拉CEO埃隆·馬斯克表示，特斯拉在電池技術(shù)方面獲突破性進(jìn)展，能量密度再提升30%，并且生產(chǎn)成本大幅下降[17]。參考這個(gè)數(shù)據(jù)，再考慮鋰電池技術(shù)的發(fā)展，可假定改造選取的鋰電池組能量密度為330 W·h/kg，則其質(zhì)量為6 707/330≈20.32 kg。

天翼1無(wú)人機(jī)電動(dòng)化改造前后主要換裝推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備的質(zhì)量對(duì)比如表2所示，其中電動(dòng)機(jī)控制器、BMS和增加電纜質(zhì)量是參考現(xiàn)有電動(dòng)飛機(jī)進(jìn)行的預(yù)估。

表2 推進(jìn)系統(tǒng)質(zhì)量對(duì)比

從表2可以看出：電動(dòng)化改造前燃油動(dòng)力系統(tǒng)質(zhì)量為17.52 kg，改造后電推進(jìn)系統(tǒng)質(zhì)量為26.25 kg，電動(dòng)化改造后無(wú)人機(jī)質(zhì)量增加了約9 kg，正常起飛質(zhì)量變?yōu)?9 kg。計(jì)算出巡航時(shí)間為1.77 h，比改造前航時(shí)3 h減少較多。如果再考慮質(zhì)量變化引起的其他飛行階段耗電量增加，航時(shí)還會(huì)有所減少。

再來(lái)分析電推進(jìn)系統(tǒng)在天翼1無(wú)人機(jī)上安裝的可行性。天翼1無(wú)人機(jī)總體布置如圖4所示，可以看出：電動(dòng)機(jī)安裝在機(jī)身尾部原發(fā)動(dòng)機(jī)安裝位置，空間富余；鋰電池組將安裝在機(jī)身中部油箱位置。參考21700電池單體參數(shù)：外徑21 mm，高度70 mm，標(biāo)稱(chēng)容量4 600 mA·h，電壓標(biāo)稱(chēng)3.7 V，可以計(jì)算出滿(mǎn)足6.707 kW·h的電池總體積約為0.012 m3。天翼1無(wú)人機(jī)油箱艙容積約為0.021 m3，即使考慮鋰電池組封裝增加殼體帶來(lái)的尺寸增加，油箱艙的尺寸也能夠滿(mǎn)足鋰電池組的安裝需求。也可以考慮在采用滑跑起降方式的天翼1無(wú)人機(jī)中取消回收傘，再增加一塊與回收傘質(zhì)量相同的鋰電池組裝到傘艙，這樣就能獲得更多的航時(shí)。

圖4 天翼1無(wú)人機(jī)總體布置Fig.4 Overall layout of SW1 UAV

綜上所述，天翼1無(wú)人機(jī)改造前后除鋰電池組外，其他機(jī)載設(shè)備質(zhì)量變化不大，且鋰電池組安裝于全機(jī)重心附近，因此不會(huì)對(duì)無(wú)人機(jī)重心位置變化產(chǎn)生大的影響。此外，天翼1無(wú)人機(jī)本身具有較大的靜安定裕度，因此可以初步確定改造時(shí)無(wú)需對(duì)機(jī)上其他設(shè)備布置進(jìn)行調(diào)整。

3 結(jié) 論

(1) 天翼1無(wú)人機(jī)電動(dòng)化改造基本可行，但是會(huì)付出一定的質(zhì)量和性能代價(jià)(全機(jī)質(zhì)量增加約9 kg，巡航時(shí)間減少了一個(gè)多小時(shí))。

(2) 在實(shí)際改造中還應(yīng)當(dāng)仔細(xì)研究電推進(jìn)系統(tǒng)中的其他設(shè)備，以及如何實(shí)現(xiàn)電推進(jìn)系統(tǒng)與機(jī)上其他設(shè)備的交聯(lián)。同時(shí)還要考慮全機(jī)電磁兼容，電動(dòng)機(jī)和電池的散熱、隔熱等問(wèn)題。另外改造成本也應(yīng)當(dāng)作為重要的考慮因素。

(3) 在后續(xù)的研究中將繼續(xù)關(guān)注電推進(jìn)系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，尋找合適的電動(dòng)機(jī)和鋰電池，完善改造方案，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)天翼1無(wú)人機(jī)的電動(dòng)化改造。