電動(dòng)飛機(jī)對(duì)于飛行性能及飛行程序的影響研究

尹崇，高郭池，全敬澤

（中國民用航空沈陽航空器適航審定中心，遼寧 沈陽 110043）

1 背景

1.1 電動(dòng)飛機(jī)的發(fā)展

電動(dòng)飛機(jī)通常是指依靠電力推動(dòng)裝置提供動(dòng)力的飛機(jī)，主要區(qū)別于現(xiàn)階段廣泛使用的以活塞和渦輪為代表的內(nèi)燃機(jī)飛機(jī)。電動(dòng)飛機(jī)由于其在飛行性能、動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及噪聲振動(dòng)等方面的優(yōu)勢(shì)，從開始研究至今，已經(jīng)經(jīng)歷了60 多年的歷史。自從1957 年官方報(bào)道的世界第一架電動(dòng)飛機(jī)“無線電皇后”在英國成功試飛后，電動(dòng)飛機(jī)已經(jīng)發(fā)展成為目前航空界爭(zhēng)相投入的方向。

電動(dòng)飛機(jī)在動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，使得更多飛機(jī)制造商投身其中。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全球范圍內(nèi)正在研制的電動(dòng)螺旋槳飛機(jī)已經(jīng)達(dá)到了215 種，這為民機(jī)的發(fā)展提供了新的方向，也為適航審定工作帶來了新的挑戰(zhàn)。

1.2 電動(dòng)飛機(jī)的特征

電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)有許多優(yōu)點(diǎn)，如零起特性、電能/動(dòng)能的雙向轉(zhuǎn)化特性、寬范圍的恒功率調(diào)速特性、廣域的高效彎扭特性、安靜和平穩(wěn)的運(yùn)轉(zhuǎn)品質(zhì)等。目前，核心技術(shù)主要為四個(gè)方面，即高能量密度電池技術(shù)、高推（拉）重比電機(jī)推進(jìn)技術(shù)、集成電力電子控制技術(shù)和電動(dòng)飛機(jī)整體設(shè)計(jì)技術(shù)。目前，高能量密度電池技術(shù)為現(xiàn)階段可獲得突破的主要方向。

雖然當(dāng)前電動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的供能方式主要包括蓄電池驅(qū)動(dòng)、太陽能驅(qū)動(dòng)以及燃料電池驅(qū)動(dòng)，但蓄電池驅(qū)動(dòng)由于其技術(shù)研發(fā)早、技術(shù)更新快成為當(dāng)前電動(dòng)飛機(jī)供能的主要手段。雖然電動(dòng)機(jī)普遍高于90%的能量利用率，比熱燃機(jī)普遍在30%的能量利用率有明顯的優(yōu)勢(shì)，但現(xiàn)階段電動(dòng)的儲(chǔ)能裝置“能力密度”低的問題始終存在。以蓄電池動(dòng)力電動(dòng)飛機(jī)為例，現(xiàn)階段主要需要解決的問題是“能量密度”低。通常情況下，燃油發(fā)動(dòng)機(jī)的能量密度大約為12700kW·h/kg。鋰離子動(dòng)力電池作為高能量密度的代表，2020 年的最新數(shù)據(jù)顯示可以已經(jīng)基本達(dá)到350W·h/kg。雖然鋰電池能量密度目前可以保持每年7%～8%的增長(zhǎng)率，但兩者的能量密度仍差距很大。所以目前電動(dòng)飛機(jī)的研發(fā)主要集中在輕型飛機(jī)。

1.3 適航審定現(xiàn)狀

最新的研究成果表明，鋰電池驅(qū)動(dòng)電動(dòng)飛機(jī)的使用有效性已經(jīng)在輕型運(yùn)動(dòng)類飛機(jī)得到了驗(yàn)證。以我國的電動(dòng)飛機(jī)為例，2015 年遼寧通航研究院研制的RX1E 型飛機(jī)獲得了中國民航局頒發(fā)的型號(hào)設(shè)計(jì)批準(zhǔn)書。該型飛機(jī)采用雙座上單翼T尾布局，改型后的RX1E-A 飛機(jī)已經(jīng)達(dá)到了600kg 最大起飛重量，續(xù)航時(shí)間可以達(dá)到120 分鐘。世界范圍內(nèi)，2020 年6月10 日，斯洛文尼亞的Virus SW 121 飛機(jī)成為歐洲首款取得輕型運(yùn)動(dòng)類型號(hào)合格證的電動(dòng)飛機(jī)。該飛機(jī)與RX1E 采用類似布局，并具有80 分鐘續(xù)航時(shí)間。

2 審定依據(jù)與方法

目前，已經(jīng)有獲得適航認(rèn)證的電動(dòng)飛機(jī)案例，但主要集中在小重量的輕型運(yùn)動(dòng)類飛機(jī)。與中國民航適航規(guī)章中的正常類和運(yùn)輸類飛機(jī)的適航標(biāo)準(zhǔn)差距較大。特別是關(guān)于飛機(jī)性能和飛行程序的驗(yàn)證方法缺乏充分的符合性驗(yàn)證方法和符合性判定依據(jù)。針對(duì)目前國內(nèi)已經(jīng)有申請(qǐng)正常類飛機(jī)型號(hào)合格證的現(xiàn)狀，這一問題尤為突出。

當(dāng)前，使用的中國民用航空規(guī)章中對(duì)于飛機(jī)性能的要求中，除了飛行安全的考慮，也對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能特性進(jìn)行了區(qū)分，但并未涵蓋電動(dòng)機(jī)。以《正常類、實(shí)用類、特技類和通勤類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》（CCAR-23-R3）和《運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》（CCAR-25-R5）為例，兩部標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)中均以“活塞發(fā)動(dòng)機(jī)”和“渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)”進(jìn)行了區(qū)分，對(duì)于飛機(jī)性能和使用限制等具體要求也對(duì)兩類發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了區(qū)別。從規(guī)章要求的理解看，將電動(dòng)飛機(jī)簡(jiǎn)單的適航要求簡(jiǎn)單的套用現(xiàn)行條款是不足以涵蓋其設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

2.1 飛機(jī)性能

根據(jù)現(xiàn)行有效的CCAR-23-R3 為例，涉及發(fā)動(dòng)機(jī)區(qū)別直接相關(guān)的飛行部分條款的包括失速、爬升、著陸、操縱等條款。

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)性能。電動(dòng)力系統(tǒng)一個(gè)優(yōu)勢(shì)是迅速的扭矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)。以相同扭矩的電動(dòng)機(jī)和熱燃機(jī)為例，如果電動(dòng)機(jī)在1000 轉(zhuǎn)每分的情況下獲得最佳扭矩，基本相當(dāng)于在動(dòng)力輸出的前端即可獲得滿意的性能，而熱燃機(jī)通常需要1500～2000 轉(zhuǎn)才能達(dá)到同樣扭矩值。

以CCAR 23.65 條“全發(fā)爬升”為例，規(guī)章中除了按照飛機(jī)最大重量進(jìn)行了性能指標(biāo)的區(qū)別要求外，明確了活塞發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的最小定常爬升梯度。如“對(duì)于正常類、實(shí)用類和特技類飛最大重量不超過2722kg（6000 磅）的活塞發(fā)動(dòng)機(jī)飛機(jī)，在海平面對(duì)陸上飛機(jī)必須至少具有8.3%的定常爬升梯度……”，規(guī)章要求中明顯考慮了活塞發(fā)動(dòng)機(jī)相對(duì)于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)“熱效率高、一定時(shí)間內(nèi)輸出扭矩大”的特點(diǎn)。而電動(dòng)機(jī)的理論熱效率和定時(shí)輸出扭矩具有更加明顯的優(yōu)勢(shì)。

現(xiàn)階段，電動(dòng)飛機(jī)多用于小于2722kg 的飛機(jī)中，在綜合考慮了發(fā)動(dòng)機(jī)特性和飛機(jī)重量特點(diǎn)的情況下，若以現(xiàn)行條款的最臨界條件的高定常爬升梯度來要求電動(dòng)機(jī)，實(shí)際上是滿足臨界要求的。電動(dòng)飛機(jī)的總體性能特性與熱燃機(jī)存在明顯區(qū)別，只有經(jīng)過充分的試驗(yàn)驗(yàn)證，才能確定最終能結(jié)論。

（2）性能總則。電動(dòng)飛機(jī)的電機(jī)工作方式為磁場(chǎng)力輸出，不直接受空氣密度影響，受溫度影響比熱燃機(jī)明顯較小。電動(dòng)機(jī)通常通過驅(qū)動(dòng)螺旋槳的方式為飛機(jī)提供動(dòng)力，所以，外界大氣條件的影響主要體現(xiàn)在螺旋槳特性上。

以CCAR 23.45 條“總則”中對(duì)于性能的大氣條件要求中，分別針對(duì)起飛重量和發(fā)動(dòng)機(jī)類型進(jìn)行了不同的溫度和高度要求?？紤]到高度和溫度要求通?？梢院喜閷?duì)空氣密度的影響，所以，電動(dòng)機(jī)對(duì)于大氣條件的需求與熱燃機(jī)不同。由此獲得性能數(shù)據(jù)在外界大氣條件變化下也由“發(fā)動(dòng)機(jī)特性+螺旋槳特性”主導(dǎo)轉(zhuǎn)換為“螺旋槳特性”主導(dǎo)。目前，尚未具備足夠的正常類飛機(jī)飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，因此，電動(dòng)飛機(jī)的性能數(shù)據(jù)特性是否與熱燃機(jī)相似存在一定的不確定性。需要在適航審定過程中給予重視。

（3）重量重心變化。電動(dòng)飛機(jī)的另一特點(diǎn)是不存在因?yàn)槿加拖亩鸬闹亓恐匦淖兓ｏw機(jī)可變因素主要以任務(wù)設(shè)備和乘員的數(shù)量和分布決定。這就決定了電動(dòng)飛機(jī)的重量重心分布范圍相對(duì)于同樣構(gòu)型的熱燃動(dòng)力飛機(jī)更小。

從適航規(guī)章飛行部分總則部分的要求來看，CCAR 23.23條“載重分布限制”中特別對(duì)橫向載重分布進(jìn)行了強(qiáng)調(diào)，一個(gè)主要原因是大部分熱燃飛機(jī)在兩側(cè)機(jī)翼安裝有油箱，燃油的不對(duì)稱消耗很容易造成飛機(jī)橫向重心偏大。電動(dòng)機(jī)由于不存在機(jī)翼油箱，所以，飛行中的橫向重心改變的可能性不大。從這一角度看，電動(dòng)飛機(jī)的橫向載荷分布相對(duì)于熱燃飛機(jī)是更加保守的。

CCAR 23.25 條“重量限制”中的部分內(nèi)容已經(jīng)不適用，如對(duì)最大重量和最小重量確認(rèn)時(shí)提出了燃油量要求，包括“對(duì)批準(zhǔn)晝間VFR 的飛機(jī)，燃油量至少足以供給發(fā)動(dòng)機(jī)在最大連續(xù)功率下工作30 分鐘；對(duì)批準(zhǔn)夜間VFR 和IFR 的飛機(jī)，至少為45 分鐘”和“對(duì)渦輪噴氣飛機(jī)，為所檢查的特定燃油箱布置總油量的5%”。電動(dòng)飛機(jī)的最大最小重量確認(rèn)，在不考慮燃油因素的情況下，仍需要考慮電動(dòng)力系統(tǒng)的特殊要求。

2.2 飛行程序

仍以CCAR-23-R3 為例，涉及發(fā)動(dòng)機(jī)區(qū)別直接相關(guān)的飛行手冊(cè)和程序部分包含標(biāo)識(shí)標(biāo)牌、使用限制和使用程序等條款。

（1）正常操縱程序。電動(dòng)飛機(jī)關(guān)車時(shí)，無須進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)冷車，同樣減少了關(guān)車時(shí)間，以上特點(diǎn)直動(dòng)力系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，不存在燃油泵、無須進(jìn)行混合比調(diào)節(jié)，因此，發(fā)動(dòng)機(jī)開車程序更加便捷接影響了發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和關(guān)車的正常程序。

動(dòng)力裝置的狀態(tài)通常是駕駛員在飛行過程中關(guān)注點(diǎn)，除基本的功率和螺旋槳轉(zhuǎn)速信息外，熱燃機(jī)需要關(guān)注“發(fā)動(dòng)機(jī)溫度”“燃油狀態(tài)”等參數(shù)。以“剩余油量”和“剩余電量”為例，燃油機(jī)通過燃油量和不同任務(wù)下的燃油消耗量來對(duì)剩余航程進(jìn)行估算；現(xiàn)有的電動(dòng)機(jī)的“剩余電量”顯示通常由蓄電池的放電特性決定，電量變化的準(zhǔn)確掌握很難實(shí)現(xiàn)，采用更多剩余電量備份的有效性需要進(jìn)一步驗(yàn)證

（2）應(yīng)急操縱程序：①失速改出。電動(dòng)力系統(tǒng)具有迅速的扭矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)，針對(duì)油門的快速操作會(huì)伴隨扭矩的迅速提升。目前，大部分飛機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)為功率提升對(duì)飛機(jī)重心提供抬頭力矩，在熱燃飛機(jī)的失速改出程序中，通常采用先增速后增加功率的方式進(jìn)行。相對(duì)于熱機(jī)飛機(jī)的功率提升速率，提升功率電動(dòng)飛機(jī)會(huì)快速增加抬頭力矩，迅速加大飛機(jī)迎角，若不增加提升功率速度，飛機(jī)可能使飛機(jī)重新進(jìn)入失速狀態(tài)。②發(fā)動(dòng)機(jī)失效。咨詢通告中對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)失效后的駕駛員反應(yīng)時(shí)間通常都會(huì)有一個(gè)參考值，其確定考慮了飛行姿態(tài)變化和發(fā)動(dòng)機(jī)失效時(shí)動(dòng)態(tài)反應(yīng)。發(fā)動(dòng)機(jī)失效動(dòng)態(tài)反應(yīng)方面，熱燃機(jī)由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通常具備更大的慣性矩，且有明顯的大噪聲級(jí)和振動(dòng)。電動(dòng)機(jī)工作方式為磁場(chǎng)力、體積小且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由此帶來與燃機(jī)明顯不同的慣性、噪聲和振動(dòng)特點(diǎn)。

兩種動(dòng)力飛機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)失效后顯現(xiàn)出不同的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。首先，低慣性特征下的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速急速下降，對(duì)于飛機(jī)的姿態(tài)影響更為明顯。其次，電動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)與失效狀態(tài)的差異對(duì)于駕駛員的識(shí)別度不高，很可能導(dǎo)致駕駛員識(shí)別發(fā)動(dòng)機(jī)失效的時(shí)間加長(zhǎng)。兩方面均對(duì)飛機(jī)的應(yīng)急操縱產(chǎn)生了不利影響。原規(guī)章中制定的駕駛員反應(yīng)時(shí)間可能不再適用，相應(yīng)的應(yīng)急程序也應(yīng)該進(jìn)行調(diào)整。

3 結(jié)語

對(duì)電動(dòng)飛機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展方向進(jìn)行了分析。研究了民航規(guī)章中對(duì)于飛機(jī)性能和飛行程序的要求中無法包含電動(dòng)飛機(jī)的現(xiàn)狀。通過對(duì)具體條款的背景分析、電動(dòng)機(jī)與熱燃機(jī)的動(dòng)力輸出和工作特性分析，將適航審定中可能的關(guān)注點(diǎn)進(jìn)行了剖析，為適航驗(yàn)證和審定工作提供了參考。