电动直升机的性能特点分析

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1、新观察电动直升机的性能特点分析AnalysisofElectricHelicopterPerformanceFeature中航工业昌河飞机工业(集团)有限责任公司曹京军中航工业直升机设计研究所何权荣[摘要】电动直升机的关键技术已接近成熟，相较热机直升机有更好的垂直性能和水平性能，在噪音和振动、可靠性、使用成本上具有优势。关键词：比能量比功率可用功率【ABSTRACTlKeytechnologyofallelectricheli-copterisalmostripe．Itshorizonandverticalperformanceisbetterthan

2、helicopterwithheatengine．Italsohastheadvantageofnoise，vibration，reliabilityandoperationcost．Keywords：SpecificenergySpecificpowerAvail-ablepower近年来电动力技术在飞机上得到了发展，飞机要求的功率重量比大，电池容量高。随着大功率电机和大容量动力电池的性能提高，电动飞机的实现条件逐渐成熟。电动飞机实现途径就是飞机动力单元以电机替代燃油发动机，飞机储能单元以电池替代燃油。小功率内燃机提供动力的轻型飞机首先改装使用电动力

3、，电动直升机的研制也已经起步，典型产品如西科斯基公司的Firefly全电动直升机，见图1⋯。Firefly直升机由施韦策$300C直升机改装而来，动力单元以USHybrid公司的电机取代莱康明HIO一360D1A汽油内燃机。电机功率143．25kW，与内燃机相同；电机(含控制器)重量为8lkg，内燃机干重131．9kg。储能单元以GIGA公司的两个锂离子电池组取代汽油箱，每组容量45A·h、电压370V、重量265kg；汽油箱容量是l14L。Firefly直升机首飞时最大速度148．2km／h，飞行了15min。而$300C直升机起飞重量930kg时，

4、最大速度也只有151．9km／h⋯。相较$300C，Firefly直升机减少了部件数量，大幅降低噪音和振动，飞行和使用成本也大为下降。西科斯基公司评价其优点是更加平稳、安静、清洁、易用、可靠且经济，如果电池储能有大幅提高，这种电动直升机会有很好的前景。1电动直升机发展的难点及解决途径电动直升机的关键是动力电机和电储能技术。与164航窄制造技术·2014年第22期图1Firefly直升机及驱动电机Fig．1Fireflyhelicopterandelectricmotor所有飞行器一样，要求功率重量比大，所以部件应该性能高、重量轻。电动直升机的动力电机要

5、求高比功率特性(单位质量所输出的功率，kW／kg)，电储能单元要求高比能量特性(单位质量所储存的电能，(W·h)／kg)。1．1电机比功率不亚于内燃机电机将电能转化成机械能，相较于内燃机其效率高、节能环保，USHybrid公司的电机效率高于95％，内燃机一般为30％；其他优点包括结构简单、零件数少、可靠性高、维修性好、噪音和振动小、重量轻、经济性好、输出扭矩特性和高度特性好、转速控制技术简便成熟等。用于电动飞机的电机技术关键是高比功率、大输出功率以及无刷技术。稀土永磁无刷直流电机和交流同步电机、开关磁阻电机(SRM)是主要发展方向。目前的永磁直流电机的

6、比功率可达到1．5-2．25kW／kg(内燃机约为1．13～1．5kW／kg)。USHybrid公司的电机的比功率为1．77kW／kg。新观察大输出功率电机实现起来有难度，目前主要应用于轻型飞机。应用无刷电机技术克服了高空中电刷打火和磨损问题，提高了电机的寿命和可靠性。1．2电储能技术难点电储能技术主要途径是使用蓄电池和燃料电池。燃料电池目前使用贵金属铂作催化剂，成本高、结构复杂、技术不成熟．实际应用困难：目前的动力电储能器仍然是蓄电池，以锂离子电池为主，这是因为它有如下优点：比能量高、无污染、使用寿命长、额定电压高、无记忆效应、循环寿命高、高低温适应

7、性好、可快速充电等。目前的商用锂电池的比能量为60～150(W·h)／kg，难以满足飞机电动力系统的最低要求。所以Firefly直升机目前只能用作原理验证。传统的石墨类碳阳极材料的锂离子电池比能量理论上限为372(W·h)／kg，改进空间有限。研发单位纷纷转向研究锂硅电池和锂硫电池等新阳极材料电池，获得重大突破。硅阳极材料锂离子电池比能量理论上限为4200(W·h)／kg，但硅材料在充放电循环中有巨大的体积变化，容易产生机械分裂，使电极粉化剥落。2008年斯坦福大学的Cui用硅纳米线制备出高充放电次数的阳极，容量比碳阳极锂电池提高10倍12102014

8、年Cui用碳壳硅纳米粒子形成石榴状的群簇，制备出的阳极在充放电1000次之后仍能维持97％电池