无人机油电混合动力系统（二）

符长青

电推进技术和混合动力技术的涌现与发展，或将给航空业带来一次产业革命，这是我国航空业参与全球航空技术创新的难得机遇。本文重点阐述国内外油电混合动力系统的发展现状，涉及美国、欧洲、俄罗斯、日本、中国的研发项目。

油电混合动力系统作为一种航空动力的新概念，与目前航空器通常采用的油动或电动系统有较大差异，甚至超越了传统航空器的动力技术范畴，是航空器设计技术、动力技术和飞行控制导航技术的综合集成，其研发、制造和实际使用是一个相当复杂的系统工程，不但涉及材料、发动机、电动机及飞控导航系统的技术研究和制造，还涉及试验规范、试验台建设以及适航管理等内容。

油电混合动力系统研究现状

世界上航空工业比较发达的主要国家和地区，都高度重视航空器油电混合动力系统的研制和发展，将油电混合动力系统视为未来具有广阔应用前景的航空动力解决方案，并组织航空器制造商和发动机制造商对多种新型混合动力航空器的方案进行探索和预研，不断提升混合动力技术水平及其技术成熟度。

美国研发项目

美国航空器的油电混合动力技术研究处于世界领先水平，该国一如既往地实施一系列研究计划，以促进油电混合动力技术和产品的发展。

（1）美国国家航空航天局联合多家公司开展研究

美国国家航空航天局（NASA）很早就开始关注航空器油电混合动力系统的发展，认为未来民用航空业的爆发式成长是必然趋势，灿烂的前景意味着巨大的挑战，谁能发掘出未来技术的潜力，谁就能称霸下一个30年的天空。于是，该局提出了《美国国家航空航天局N+3代先进飞行器概念设计最终报告》。这份报告是对30年后飞机的设想，权衡内容包括飞机的燃油消耗、飞行距离、噪声以及排放等多项指标。针对N+3代先进飞行器概念研究，美国国家航空航天局提出了“亚声速超绿色飞机研究计划”（SUGAR），要求飞机的耗油率比波音公司737-800飞机降低70%。波音公司参与了该项计划，研究了两种构型飞机，其中波音公司SUGAR VOLT方案采用了GE公司研制的电动/燃气涡轮发动机并联混合动力装置，能源消耗减少70%，达到了美国国家航空航天局提出的N+3代先进飞行器的要求。

2012年，美国国家航空航天局（NASA）与波音、霍尼韦尔等公司联合制订了一项油电混合动力技术研究计划，并将高功率密度电气部件技术、分布式电推进系统性能及控制为核心技术布局视为油电混合动力关键技术的突破点，如图1所示。

以2013年为起点，参与方按照计划，10年内须完成功率为1～2MW的油电混合动力系统研制，技术成熟度应使通航飞机实现全电动飞行，50～100座支线客机实现油电混合动力飞行。

图1 美国国家航空航天局油电混合动力技术研究计划进度表。

20年内，参与方须要完成功率为2～5MW的油电混合动力系统研制，技术成熟度达到6以上，使50座支线客机实现全电动飞行，100～150座支线客机实现油电混合动力飞行。

30年内，参与方须要完成功率为5～10MW的油电混合动力系统研制，技术成熟度达到6以上，使150座支线客机实现油电混合动力飞行。

40年内，参与方完成须要完成功率为10MW以上的油电混合动力系统研制，技术成熟度达到6以上，使300座干线客机实现油电混合动力飞行

目前，美国国家航空航天局的研究团队在兆瓦级高功率密度常温常导电机技术、高效率高功率密度超导电机技术领域取得了一定突破，该团体承担的油电混合动力研究项目主要包括X-57、SUGAR VOLT、N3X等新型分布式电推进平台。

2017年7月，美国航空航天学会在亚特兰大市举办了推进与能源论坛。在本届论坛上，美国国家航空航天局展示了一种设计概念，即在A320飞机和波音公司737飞机的同级别客机尾部嵌入涵道风扇，涵道风扇由功率为2.6MW的电动机驱动，机翼下方的2台涡扇发动机驱动的发电机为电动机供电。涵道风扇内埋在机体后方，吸入边界层气流并对涵道风扇进行加速，降低了尾流阻力，从而减小涡轮发动机尺寸，并降低阻力。

（2）拜伊航宇公司推出“沉默卫士”油电混合动力无人机

2012年1月，美国拜伊（Bye）航宇公司推出“沉默卫士”(Silent Guardian)油电混合动力固定翼无人机。该型无人机的电动推进装置以非常先进的太阳能光伏薄膜和电池为能源，具有超长航时、静音飞行和低污染排放等优异性能，同时还采用了一台涡扇发动机，用于改善起飞和爬升性能。尤其值得指出的是，拜伊航宇公司采用博尔丁（BoldIQ）公司开发的操作优化和应急管理软件，使“沉默卫士”无人机拥有先进的“例外管理”（Exception Management）理念。用户在操控无人机和管理相关任务时，能大幅提高工作效率，并减少地面无人机操控人员。

（3）哈里斯航空公司开发油电混合动力无人机

2017年9月，美国哈里斯航空（Harris Aerial）公司推出油电混合动力四旋翼无人机“运输”H4（Carrier H4）。该型无人机空机重量13kg，最大起飞重量21kg，油电混合动力系统配有48V电池、2kW发电机和0.0043m3油箱。在任务载荷重量不超过5kg的情况下，该机可连续飞行约1.5h。若任务载荷重量不超过3kg，最多连续飞行5h。

（4）“视野”8油电混合动力无人机创下新的飞行纪录

2020年3月，位于美国加州的无人机制造商空中前线（SKYFRONT）公司研制的“视野”8（Perimeter 8）油电混合动力无人机创下多旋翼无人机有史以来的新纪录。“视野”8无人机最近在美国加州海岸山脉的上空飞行了约330km，连续飞行时间为13h4min。该机使用一个燃料喷射的汽油发动机，可将燃料转化为电力输送给8台电动机，分别驱动8副旋翼旋转，从而产生飞行所须的气动力。在演示中，该型无人机在日出前起飞，直到日落后才降落，其续航时间是同类型电动无人机的20多倍。

欧洲研发项目

欧洲油电混合动力技术与美国并驾齐驱。在“航迹2050”计划支持下，欧盟对分布式油电混合动力系统技术开展探索。

（1）空客公司联合多家公司开展研究

图2 2012年，美国拜伊航宇公司推出一种油电混合动力固定翼无人机。

图3 美国“视野”8油电混合动力无人机在空中飞行。

空客公司与罗尔斯-罗伊斯、西门子等公司联合开展了油电混合动力系统技术研究，根据欧盟“航迹2050”（Track 2050）计划中的节能减排要求，这些公司制订了航空油电混合动力研究计划，具体进程是，2016—2020年完成10MW级油电混合动力系统的地面验证和2MW级油电混合动力系统的飞行验证；2030年左右，完成100座支线客机油电混合动力系统的研制与验证；2035年左右，完成150～200座支线客机油电混合动力系统的研制与验证。目前空客公司的研究团队已完成小功率全电推进系统的飞行验证、高功重比航空电机和高功率密度航空电力电子系统的初步研发与试验。

（2）空中公牛公司推出“叶海”油电混合动力四旋翼无人机

2015年6月，德国空中公牛（Airstier）公司推出“叶海”（Yeair）油电混合动力四旋翼无人机。该型无人机续航时间达到1h，最大飞行速度100km/h，任务载荷重量5kg，而当时的主流四旋翼电动无人机也难以实现这种性能指标。“叶海”无人机的成功奥妙是，采用了油电混合动力装置，配备一个0.0015m3油箱和一小块1250mAh电池，而且这个电池不须要提前充电。因为在无人机飞行过程中，二冲程燃油发动机会随时为电池充电，即使无人机飞行时间超过50min，电池电量依然充足。“叶海”无人机的每副旋翼都由一台600W电动机和一台10cc二冲程燃油发动机驱动。二冲程燃油发动机发电，提供源源不断、强大的动力，以驱动电动机。电动机的反应比燃油发动机迅速，可帮助无人机能够快速改变飞行速度。此外，二冲程燃油发动机启动也须要电动机的帮助。

（3）四元数公司混合动力2.0四旋翼无人机

2017年，西班牙初创公司四元数（Quaternium）公司“混合动力”2.0（HYBRiX2.0）四旋翼无人机，采用油电混合动力系统，在空中飞行了整整4h40min，刷新了当时的新纪录。改进型“混合动力”2.1（HYBRiX2.1）无人机机身对角线轴距长1249mm，使用了二冲程汽油发动机（燃料为辛烷值98汽油）和Li-Po锂电池6S。2020年2月，改进型“混合动力”2.1携带10kg货物，以巡航速度50km/h在空中飞行8h10min，最大飞行速度达80km/h。据报道，改进型“混合动力”2.1无人机现在可以在空中悬停10h14min。

（4）SP-55 FI TS油电混合动力发动机

2020年11月，德国天空动力（Sky Power）公司推出一款用于无人机的油电混合动力发动机SP-55 FI TS。该发动机有两个火花塞，配置有燃油喷射系统和用于发电的无刷直流电机，在50V直流电压下，其最大功率可达2kW。该发动机还装配了SGC 352轻型启动控制装置和HKZ215点火系统，具有更高的点火性能，废气排放水平也得以改善。此外，天空动力公司还开发了发动机和发电机的集成冷却系统，位于发动机和发电机上方，以提供新鲜空气并去除热空气。

俄罗斯研发项目

（1）中央航空发动机研究院发布航空器油电混合动力系统研究计划

图4 西班牙“混合动力”2.1油电混合动力无人机。

图5 德国SP-55 FI TS油电混合动力发动机外形图。

2017年7月，俄罗斯中央航空发动机研究院（CIAM）在莫斯科航展上发布了该院首个航空器油电混合动力系统研究计划，并展出了500kW级的油电混合动力无人机模型。该无人机载客量约8人，相当于小型公务机，其推进系统的结构特点是，由燃气涡轮带动发电机发电，然后由电动机驱动六副螺旋桨旋转，当燃气涡轮或发电机发生故障时，由备用电池提供动力。该油电混合动力系统将采用俄罗斯初创公司提供的Super Ox超导材料，这种材料重量很轻，可在高能量下工作，并能减少电磁干扰。俄罗斯中央航空发动机研究院表示，500kW级验证机完成飞行试验后，将开展用于19座飞机的2000kW级油电混合动力系统的试验验证。

（2）ARDN技术公司推出油电混合动力多旋翼无人机

2017年11月，俄 罗 斯ARDN技术公司推出SKYF多旋翼无人机。该机机身大小为5.2m×2.2m，能够携带181kg任务载荷，最大飞行速度70km/h，最大续航时间8h，最高飞行高度约305m。虽然该型无人机的外形尺寸相当大，但不使用时，可以折叠收纳在储运箱中，一个长度约6m的集装箱可储运2架无人机。SKYF无人机总体结构设计非常特别，其油电混合动力装置属于分离式油电混合动力系统。该系统控制方向的旋翼分开，两副主旋翼提供升力，汽油发动机提供动力，而控制飞行方向和姿态的4副辅助旋翼则由电动机提供动力。

（3）萨拉航空公司新型固定翼无人机完成远程飞行试验

2021年9月，俄罗斯卡拉什尼科夫集团子公司萨拉航空公司宣布，该公司研发的油电混合动力新型固定翼无人机首次完成远程飞行试验。在试验中，该型远程遥控无人机无须机场起降，飞行时间超过12h，航程达1130km。该型无人机由弹射器发射，配备了伞降装置和减震器，由于使用了油电混合动力装置（电动机和内燃机集成在一起），从而大幅提高了无人机的续航时间和航程，最长飞行时间可超过16h,飞行速度80～140km/h。该机可对敌人纵深实施侦察，且不易被发现，除用于侦察任务外，还可加装目标截获系统、通信中继系统和移动网络监控系统，执行侦察、手机识别及定位等任务。

中国研发项目

我国无人机产业发展十分迅猛，特别是民用无人机，已经发展为全球性优势产品。不过，在重载长航时航空器油电混合动力技术领域，我国目前还处于起步阶段。以无人机油电混合动力技术革新为契机，我国航空业有望迅速达到或赶超世界先进水平，同时带动我国多个相关产业的发展。

2021年10月，中国航空研究院组织国内优势力量，对电动飞机发展的必要性、定义与分类、重点产品、关键技术、措施建议等方面进行研究，提出电动飞机发展白皮书。该白皮书认为，电动飞机以电能作为推进系统的全部或部分能源，是“第三航空”时代的重要标志。它将开启航空领域新一轮创新与变革热潮，推动航空技术、绿色航空创新发展，将对世界航空业产生革命性影响。该白皮书提出，我国应重点发展在城市空中运输、轻型运动、通勤运输、支线运输等领域中运营的4类电动飞机；聚焦总体设计技术、高效高功重比电推进技术、能量综合管理技术、能源系统技术等关键技术发展；建议制定电动飞机发展战略规划，加大研发投入，同时关注适航能力建设与人才培养，从而推动我国电动飞机发展。

图6 俄罗斯SKYF油电混合动力无人机。

图7 北京瑞深航空科技有限公司H2油电混合动力装置。

图8 “灵动鹰”-25油电混合动力可折叠六旋翼无人机。

下面简要介绍我国无人机油电混合动力装置项目。

2016年11月，北京瑞深航空科技有限公司成功研制功率2kW的油电混合动力装置H2，适用于最大起飞重量18kg以下的多旋翼无人机和垂直起降固定翼无人机。无人机搭载3kg任务载荷可飞行2h，最大续航时间可达5h。

2017年9月9日，安装了H2油电混合动力装置的HC330无人机和“盖亚”160无人机于上午11:30从烟台起飞，下午2:30抵达大连，直线航距超过100km，续航时间达3h。

2017年12月，“灵 动鹰”-25油电混合动力可折叠六旋翼无人机，采用国际通用92#汽油作为能源，一次加注约0.005m3，可以搭载5kg任务载荷持续飞行时间90min。该机平飞速度18m/s，使用半径10km（可扩展至30km），最大飞行高度2500m，可在7级大风、小雨天气条件下顺利飞行，空机重量约17kg，满油约21kg，展开尺寸约2200mm×2200mm×500mm，折叠后尺寸约为900mm×900mm×500mm，使用温度范围-10～40℃。“灵动鹰”-25油电混合动力无人机可以搭载1600万高清摄像头、30倍光学变焦摄像头、光电/红外吊舱、救生抛投装备、中继通信设备、喊话器、大气污染探测器、激光雷达、物流箱等多种任务载荷，在不同领域大展身手。

图9 日本川崎重工公司大型油电混合动力装置。

2019年，中航金城无人系统有限公司推出一种油电混合动力六旋翼无人机。该无人机采用串联式油电混合动系统，系统模块化程度高，互换性好，能量利用效率高达95%。该机最大任务载荷重量20kg，满载时可飞行2h，如果空载，最大续航时间可达3h，应用范围较广。

日本研发项目

2020年6月，日本川崎重工公司大型油电混合动力多旋翼无人机验证机成功首飞，搭载超过200kg任务载荷飞行超过100km。该验证机机长约7m，机宽约5m，机高约2m，配装的3台油电混合动力发动机，均为川崎重工公司（Ninja ZX-10R）摩托车的发动机。油电混合动力发动机产生的电力驱动8副螺旋桨旋转。与同量级无人直升机相比，该型无人机具有成本低的优势。