某轻型运动飞机电动化改装方案研究

成 强 张 庆 林壮龙

（1.中航通飞研究院有限公司，广东 珠海 519090；2.浙江通飞野马飞机制造有限责任公司，浙江 杭州 311612）

近年来，通用航空进入快速发展期，截至2020年底，通航运营企业已达523家。通用航空飞机数量庞大，飞行架次多，飞行高度低，大多围绕城市周边飞行，除了存在碳排放问题以外，还面临噪声污染问题。与传统燃料动力飞机相比，以电能作为推进能源的电动飞机能够实现零排放的目标，噪声和振动水平极低，是目前航空领域的研究热点之一。

国内外多家公司已经研制出可以载人的电动飞机，部分公司已经可以量产载人电动飞机。2015年，蝙蝠公司（Pipistrel Aviation）将旗下Alpha Trainer升级为全新双座电动教练机——Alpha Electro，该飞机取得多个国家的适航证并进入市场。同年，我国辽宁通用航空研究院研制的国内首款电动双座轻型飞机“锐翔”RX1E 获得中国民用航空局颁发的轻型运动类飞机的型号合格证和生产许可证并已量产交付。由于绿色航空逐渐成为航空领域发展的主流趋势，因此电动飞机将成为未来航空领域的主要发展方向。与燃油动力系统相比，电推进系统具有较凸出的环保性、安全性和维护性的优势，对燃油动力飞机进行电动化改装具有较大的经济效益。

1 某轻型运动飞机

某轻型运动飞机是航空工业通飞下属浙江野马公司研制的一款单发两座金属结构飞机，主要用于飞行员培训和个人娱乐飞行。该飞机是按照ASTM F2245的相关要求进行设计和验证的，并于2021年获得了中国民用航空局颁发的型号合格证和生产许可证。该飞机为上单翼飞机，具有并排双座和固定式前三点起落架。飞机前部机身安装发动机和螺旋桨，发动机外有整流罩；飞机中部机身安装玻璃化座舱和2套座椅，座舱两侧设置登机舱门，座椅后设置行李舱；后部机身用于安装平尾和垂尾；飞行操纵系统贯穿整个机身。飞机选用1台ROTAX 912 ULS型活塞发动机和1副由Whirlwind厂家生产的GA-RW3B型三叶地面可调桨距复合材料螺旋桨，并配装一套MGL综合电子仪表系统。飞机如图1所示，该飞机的基本参数见表1。

表1 飞机的基本参数

图1 某轻型运动飞机

2 电动化改装方案

2.1 改装方案

在某轻型运动飞机的电动化改装过程中将拆除原有的燃油动力系统，由锂电池组提供能源，电动机为动力的电推进系统。电推进系统是电动飞机的核心，电动飞机的性能和用途主要取决于其电推进系统的具体性能。电推进系统由电动机、螺旋桨、电动机控制器、动力电池组、电源管理系统（BMS）和显示仪表组成，系统交联关系如图2所示。改装的基本原则是尽量减少对飞机原有构型的影响，用电源管理系统替代原来的燃油系统，并对动力装置和航电等系统进行适应性改进。

由图2可知，打开主开关后，高压动力电池组通过电动机控制为电动机供电，控制器调节电动机的功率。电动机驱动螺旋桨，从而产生拉力。原机携带的14 V蓄电池为电源管理系统、显示仪表和其他用电设备（例如襟翼电机）供电，通过显示仪表可设置和监测动力电池（例如电量、温度）和电动机的参数（例如转速）。由于原机安装的综合电子仪表是国外成品，因此为了降低改装影响和费用，不对原仪表进行升级，改装时为动力系统新增1块电子仪表。

图2 电推进系统交联图

2.2 电动机需求分析

动力装置对飞机速度特性、高度特性、耐航性和加速性等各方面有很大的影响。电动机功率是根据飞机所需动力来选择的，应尽量使电动机在额定负载下运行。如果所选电动机的功率过小，就会出现“小马拉大车”的现象，造成电动机长期超载运转，过热时电动机可能损坏或烧毁。如果所选电动机的功率过大，就不能充分利用其输出功率，还会增加电动机和电池的质量，从而影响飞机性能。电推进系统要保证在飞机全部飞行速度和飞行高度范围内都有足够的拉力或功率。通过计算飞机飞行任务剖面各阶段所需的功率和电量来确定电动机的功率和动力电池的电容量。根据该飞机的用途可以确定典型的飞行任务剖面，如图3所示。

对图3的典型飞行任务剖面各阶段的动力需求进行分析。飞机在地面滑行阶段速度为15 km/h~20 km/h，所需功率较小；飞机在起飞爬升时需要克服自身重力（离地面越近，地心引力就越大，飞机需要的拉力也就越大），通常以最大功率起飞离场，爬升到安全高度后以最大连续功率或者最佳爬升速度爬升，这个过程中所需功率最大；飞机以最佳动力状态巡航时可达到最大航程，此时功率最平稳；飞机下降进近时，重力大于升力，此时所需功率很小。因此，用起飞爬升时需要的功率作为选择电动机功率的标准。飞机在起飞爬升时所需的功率如公式（1）所示。

式中：为飞机维持某种飞行状态时所需的功率，W；W为飞机起飞质量，W=600 kg；为重力加速度，=9.81 m/s；为定常爬升时的平均速度，=130 km/h≈36 m/s；为爬升角，=5°；为爬升时的升阻比，=11.0。

螺旋桨在飞行中的最高效率可达85%~90%。由于该型飞机安装的是ROTAX 912型活塞发动机和地面可调桨距的螺旋桨，因此为了保证最佳巡航性能，设置桨叶角在巡航状态下达到最大功率。起飞阶段保守地假定螺旋桨效率η=0.80，则所需的电动机输出功率P如公式（2）所示。

当飞机以150 km/h的速度巡航时，爬升角为0°，升阻比为14.5，按照上述方法可求得电动机的输出功率为21 109 W。飞机下降时电动机为怠速状态，所需功率较小。

考虑原飞机安装的活塞发动机在海平面国际标准大气环境下的最大连续功率为69 kW，随着飞行高度的增加，空气变得稀薄，进气减少，发动机手册给出曲线表明性能就会降低。结合该型飞机在飞行试验时测得的爬升性能数据（并考虑一定余量）可以初步选择额定输出功率为60 kW的电动机。

2.3 动力电池组电容量

电池组能量指标是体现电池价值的最重要的参数，它是由飞机的飞行剖面决定的。电池组的能量是由飞行剖面总能量决定的。可以根据飞机飞行任务剖面内各阶段的耗电量和可装载的电池指令进行综合分析，确定电动飞机动力电池组的总能量。根据第2.2节所需电动机的输出功率，可以按公式（3）求得所需的动力电池组功率（其他用电设备使用独立的蓄电池，此处不考虑）。

式中：η为电动机的效率，η=0.95；η为电动机控制器的效率，η=0.95。

由图3所示的典型飞行任务剖面可知，飞机爬升到1 000 m所需的时间为5.3 min，假设巡航时间为120.0 min，再结合飞机的实际使用情况和预留20%的备用电量计算电池组的总电量，结果见表2。

表2 电池组总电量计算结果

图3 典型飞行任务剖面

2.4 改装可行性分析

由于该方案只是用电推进系统替换原有的燃油动力系统，为了尽可能地避免对原飞机性能产生影响，因此电推进系统的质量以及合理的布置就成为成功改装的关键因素。

电推进系统的质量是电动飞机设计的一个关键因素，动力电池质量占比越大，续航里程就越长。电动机和控制器可选南京首航动力额定功率为60 kW的电机产品，电机质量约为15.2 kg，控制器和水冷系统的质量约为10.0 kg。动力电池组可选中创新航已经量产的NCM电池，电芯能量密度为260 Wh/kg。假设增加的电推进系统的显示仪表和电缆的总质量为6.8 kg，螺旋桨沿用原有成品，并与电机进行适应性匹配试验。

某型飞机改装前后的主要质量变化见表3。飞机改装前可乘坐2个人（包括飞行员），按CCAR-23正常类飞机每个标准乘员质量为77.0 kg估算，2名乘员总质量为154.0 kg；燃油动力装置约为76.0 kg，油箱及管路约为5.0 kg，满载时可装燃油为61.0 kg。改装后的电推进系统总质量为32.0 kg，仪表和电缆质量为6.8 kg，在飞机最大起飞质量不变的情况下得到的动力电池组的总质量为110.0 kg。锂电芯质量按电池组质量的80%来估算，其质量约为88.0 kg。根据所选的电芯能量密度计算得到电池组的总电量为23 kW·h。对表2巡航阶段的时长进行修正，可获得巡航段时间为29 min，改装的电动飞机总续航时间为50 min。

表3 改装前后的质量对比

根据公式（4）初步估算改装后的续航里程。

式中：V为爬升时的平均速度，V=130 km/h；γ为爬升角，γ=5°；t为爬升到预定高度（1 000 m）的时间，t=5.3 min；V为巡航时的平均速度，V=150 km/h；t为巡航持续时间，t=29 min；V为下降时的平均速度，V=120 km/h；γ为下降角，γ=3°；t为下降持续时间，t=8 min。

由公式（4）可知，飞机在爬升阶段和下降阶段的航时和航程都比较短，电动飞机在飞行过程中质量保持不变，因此电动飞机的航程如公式（5）所示。

式中：ρ为电池能量密度，Wh/ kg；为电推进系统的总效率；为重力加速度；/为升阻比；W/W为动力电池在起飞质量中的占比。

根据公式（5）可知，受动力电池的能量密度、动力电池的质量、飞机升阻比和电推进系统总效率的影响，改装的电动飞机与燃油动力飞机在航时、航程上有较大的差别。

3 电动飞机改装存在的问题

通过第2节的分析可知，虽然制定的电动改装方案尽可能地减少了对原机性能的影响，但是与燃油动力飞机相比，受当前动力电池技术和原机气动性能的影响，改装对原机的续航性能有较大的影响。因此，当前燃油飞机改电动飞机需要解决以下3个问题：1） 总体设计和气动特性问题。设计原有燃油动力飞机时考虑的因素与电动设计飞机不同，其不利于改装成电动飞机。由于飞机升阻比决定了电动飞机所需电量的大小，因此也决定了电动飞机的电动机功率大小。通过合理布局、优选翼型等方法确定高升阻比飞机外形；同时，采用先进制造工艺保证表面质量。采用轻质高效复合材料降低空机质量，提高电池质量占比，增强飞机的市场竞争力。2） 电推进系统的效率问题。原有飞机的螺旋桨是与燃油发动机相匹配的，当前所用效率系数为燃油动力飞机的经验值，改电动后需要重新匹配和验证相关系数（还有提升的空间）。通过提高电机效率、电控制器效率、螺旋桨效率和电能利用率可减少电能损失，增强飞机的续航性能。通过降低电推进系统的质量可以提高动力电池的质量，以增加可携带的电量。3） 动力电池能量密度问题。改装选用的动力电池来自电动汽车行业，对汽车来说已经比较实用了，但对飞机来说，其还处于起步阶段，当前电池技术还不足以使电动飞机成为主流飞机。电动飞机的“心脏”——电池性能直接影响电动飞机的续航里程。纵观电动化的发展进程，增大能量密度仍是全球电池技术的发展主线。另外，通过电池结构创新、系统集约化设计等方法也可以达到增大电池系统能量密度、增强综合性能的目的。

4 结论

电动飞机是绿色航空发展的主要方向。可以预见，随着动力电池技术逐步走向成熟，电动飞机将抢占轻型通用飞机市场。当前，对传统燃油动力飞机进行改装，虽然减少了原机的航时、航程，但是通过分析电动机、动力电池各参数和改装方案的可行性，可以达到迅速掌握电推进系统技术、储备新能源技术以及锻炼设计队伍的目的。