无人机油电混合动力系统（六）

符长青

本文介绍电动垂直起降飞行器动力装置的类型、电池集成技术以及7种配装油电混合动力系统的电动垂直起降飞行器，并阐述各型飞行器的技术特点与发展历程。

电动垂直起降飞行器动力装置的类型

飞行器的动力装置也称动力系统，包括燃油发动机系统和电动机系统两大类。其中，燃油发动机系统由发动机、油料油箱、润滑油系统和各种动力辅助装置等部分组成；电动机系统包括电动机、电池组、新型燃料电池和转速控制系统等部分。按照垂直起降飞行器的定义，垂直起降飞行器的整体布局实质上就是一种旋翼飞行器，它可以采用5种类型的动力装置（见图1）。但是，电动垂直起降（eVTOL）飞行器不同于垂直起降飞行器，英文eVTOL中的第一个小写字母e表示电动，后面4个大写字母VTOL表示垂直起降。顾名思义，电动垂直起降飞行器的动力系统必须包含电动机和电池，可选用动力系统只有三种类型，即混合动力装置、动力电池和燃料电池，因为这三种动力系统都包含电动机和电池。

图1 垂直起降飞行器的动力装置。

前面章节已经对各种动力系统的优缺点做了对比分析，结论是，油电混合动力系统是当前电动垂直起降飞行器最适合使用的动力装置。

电动垂直起降飞行器的电池集成技术

电动垂直起降飞行器采用动力电池作为能源，可以得到稳定电压以及受外界影响很小且能长时间稳定供电的电流。动力电池具有结构简单、携带方便、充放电操作简便易行、受外界环境温度影响较小、性能稳定可靠等优点。目前适用于电动垂直起降飞行器的动力电池主要有锂电池以及燃料电池、石墨烯电池、铝空气电池、纳米电池和固态电池等各类新型电池。电动垂直起降飞行器电池集成是指动力电池在机身内安装的集成方式。目前常用的电池集成技术主要有三类，一是传统的电池包集成技术；二是新的CTP（Cell to Pack）和CTC（Cell to Chassis）电池包集成技术。

（1）传统电池包集成技术

电动垂直起降飞行器传统电池包是一种标准化模块。它由电芯组成模组后，再与机身地板组装在一起。这种集成方法的优点是，每个电池包都由多个模组组成，每个模组都有单独的壳体保护和控制单元，便于电池的电量控制和热管理。在维修时，操作人员可以单独更换电池模组，维修方便。缺点是模组间存在安全间隙及整体重量较大，不仅空间利用率低，而且每个模组都要配置单独的控制单元，导致整体重量较大，成本较高。

（2）CTP电池集成技术

电动垂直起降飞行器CTP电池集成技术取消了传统集成方式的模组结构，电芯直接组成电池包，电池包集成到无人机机身地板上，成为机身结构件中的一部分组成。这种集成方法的优点是，消除了模组之间的布置间隙，增加了电芯的数量，取消了模组结构，从而降低了整体电池包的重量。缺点是电池包须要作为机体结构件的一部分组成而承载载荷，对动力电池的结构设计提出了更高的要求。

（3）CTC电池集成技术

电动垂直起降飞行器CTC电池集成技术是指，电芯直接集成在无人机机身地板框架内部，将地板上下板作为电池壳体，即电池成为电动垂直起降飞行器机身的一部分组成。它是CTP方案的进一步集成，机身地板的上下板代替了电池壳体和盖板，电芯与机身地板采用一体化设计，形成一个强度和刚度都非常大的结构体。这从根本上改变了电池的安装形式，电池的电芯不仅是能量存储和释放单元，而且成为电动垂直起降飞行器整机结构件的一部分组成。这种集成方法的优点是，取消了电池包的结构件，实现了高度集成化和模块化，大大提高了电动垂直起降飞行器空间利用率，降低了电动垂直起降飞行器的重量，使电动垂直起降飞行器的续航时间增加15%~25%。缺点是，电芯作为机身结构件的一部分承载载荷，须要考虑如何与上下结构件固定在一起，以应对最为苛刻的剪切力。该技术对生产工艺提出了更高的要求，电池维修较困难。

上述三种电池集成技术对比如表1所示。对比结果表明，电动垂直起降飞行器使用CTC方案，其空间利用率最高，电池电量的提升有显著效果。在现有电池技术不变的条件下，CTC方案是有效提升电量的最佳集成方案。

表1 三种电池集成技术方案对比表。

配装油电混合动力系统的电动垂直起降飞行器

随着人们生活水平的提高，现在很多人都拥有自己的小汽车，但是道路交通拥堵特别严重，尤其是一线城市的道路，很多出行计划经常会因严重的塞车而被迫取消。在当代市场经济环境下，广大顾客的需求就是商机。于是，世界著名飞机制造商、汽车生产商和许多新的初创公司瞄准了这个巨大的市场，纷纷上马并投入巨资，开始研制电动垂直起降飞行器。下面列举几个以油电混合动力系统为动力的电动垂直起降飞行器案例。

吉利控股集团有限公司开发电动垂直起降飞行器

吉利控股集团有限公司是一家中国民营汽车制造企业，2017年收购了美国太力（Terrafugia）飞行汽车公司后，开发了一款电动飞行汽车，名为TF-1。TF-1电动飞行汽车采用了油电混合动力装置，可搭乘2人，航程超过600km，最高飞行速度160km/h，最大飞行高度3048m。2021年1月15日,TF-1电动垂直起降飞行器获得美国联邦航空管理局（FAA）颁发的轻型运动飞机（LSA）特许适航证。飞行汽车设计存在较大难度，因为要同时满足地面行驶和空中飞行这两个存在很大内在矛盾的使用要求。因此，TF-1电动飞行汽车能成功获得美国联邦航空管理局颁发的特许适航证，说明该产品取得了很大的成就。

图2 TF1电动飞行汽车。

轻型运动飞机不属于审定类飞行器，美国联邦航空管理局不要求轻型运动飞机进行适航审定。轻型运动飞机制造商仅向美国联邦航空管理局提交符合性声明，然后美国联邦航空管理局的检查员对相关文件进行审查，审查完成后，轻型运动飞机制造商就可以量产并销售产品。特许适航证不是正常类型号合格证（即适航证）。按现有规定，轻型运动飞机的最大起飞重量为600kg。美国联邦航空管理局正在修订的轻型运动飞机最大起飞重量有可能提高到750kg，而TF-1电动飞行汽车的最大起飞重量为850kg，大大超过了美国联邦航空管理局轻型运动飞机的要求。因此，TF1电动飞行汽车须获得美国联邦航空管理局批准的多项许可。

目前，吉利控股集团有限公司正在研制电动垂直起降飞行器TF-2A，并预告TF-2A全尺寸原型机即将问世。TF-2A飞行器拥有8个升力螺旋桨和1个推进螺旋桨，无须地面跑道即可垂直起降。此外，与倾转旋翼飞行器或倾转机翼飞行器相比，TF-2A采用了复合式构型，这种构型的飞行器容易通过适航审定并取得较高的经济效应。出于安全性考虑，TF-2A安装了三点轮式起落架，在紧急迫降时，该型飞行器拥有更多的迫降点选择。TF-2A可搭载2名乘客，最大航程100km，巡航速度180km/h，实用升限3000m。

联合开发中心科技股份有限公司推出电动垂直起降飞行器

联合开发中心科技股份有限公司（JDC Technology Inc）位于美国加州洛杉矶市，多年来一直从事消防无人机研制与销售。该公司提出的电动垂直起降飞行器方案采用了复合式构型和“星链”通信网络技术，拥有8个轴16副旋翼和1个推进螺旋桨，能以多旋翼无人机模式垂直起降，又能以固定翼无人机模式实现较高的飞行速度和巡航飞行。该 公 司FF-1（FireFighting-1）消 防无人机和PP-1（Passenger Plane-1）载人飞行器的气动和总体结构相同，只是任务载荷不同。其中，FF-1为不载人无人机，任务载荷重量600kg，可承担高层建筑灭火和森林灭火任务；PP-1飞行器可搭载5名乘客，主要用于旅客运输，是一种经济高效、省时的中短途交通运输工具（见图4）。

图4 联合开发中心科技股份有限公司开发的PP-1电动垂直起降飞行器。

图3 吉利控股集团有限公司TF-2A电动垂直起降飞行器。

FF-1和PP-1飞行器均使用油电混合动力系统提供动力，安装了滑橇式起落架，机长8m，机高1.8m，翼展1.8m，双垂尾高1m，最大航程500km，巡航速度200km/h，实用升限3000m。基于星链网络技术，FF-1和PP-1飞行不受通信链路传输距离限制，通信信号可覆盖全球。在地球上能看到天空的任何地方，FF-1和PP-1飞行器至少能与三颗“星链”卫星进行网络通信。“星链”网络无人机的数据传输速率达1Gb/s、时延小于10ms（与5G通信网络的数据传输速率相当）。

阿斯顿马丁公司公布“沃兰特愿景”电动垂直起降飞行器

阿斯顿马丁公司是英国一家汽车制造商，以生产敞篷旅行车、赛车和限量版豪华跑车而闻名于世。近期，阿斯顿马丁公布了一种概念飞行器，名为“沃兰特愿景”（Volante Vision），计划开发电动垂直起降飞行器。

“沃兰特愿景”电动垂直起降飞行器采用了混合动力技术和自动驾驶技术，由阿斯顿马丁公司、克兰菲尔德大学和劳斯莱斯公司联合开发，是一种飞行的士，旨在为交通拥挤的城市提供通勤服务。“沃兰特愿景”采用三轴设计，前端两轴上的螺旋桨能以任意角度偏转，实现前飞和转向，而后轴的螺旋桨与地面平行，为飞行器提供升力。由概念图可见，该型飞行器的外形十分漂亮，内饰也和阿斯顿马丁公司生产的汽车一样，非常奢华。

图5 阿斯顿马丁公司“沃兰特愿景”电动垂直起降飞行器的概念图。

图6 英国劳斯莱斯公司电动垂直起降飞行器。

劳斯莱斯公司开发电动垂直起降飞行器

英国劳斯莱斯公司是世界超豪华轿车制造商之一，1906年成立于英国。该公司公布了一种电动垂直起降飞行器。该机最大飞行速度402km/h，最大航程805km，其油电混合动力系统中的涡轮增压汽油发动机可以提供500KW的最大功率。劳斯莱斯公司将该型飞行器定位为飞行的士、私人飞机和货机。

该机采用了倾转机翼布局设计，4个螺旋桨及油电混合动力系统安装在机翼上，机翼可90°旋转，能像双旋翼横列式无人直升机那样垂直起飞，起飞后机翼绕水平轴相对于机体逐渐向前转动，逐渐转入前飞状态，当过渡到平飞姿态时，该机如同固定翼无人机，依靠固定翼产生升力，支撑机体重量，以及依靠转轴近乎水平的螺旋桨产生向前的推力。

奥迪公司推出“下一代超时尚”概念机

奥迪公司是世界著名的汽车制造商，于1898年在德国创立，总部位于德国英戈尔施塔特市。多年来，奥迪汽车在世界各地广受欢迎。当前，世界电动垂直起降飞行器热潮来袭，奥迪公司也没有放过这次大好商机。在2020年日内瓦车展上，奥迪公司联合老牌飞机制造商空客公司，推出了“下一代超时尚”（Pop.Up Next）电动垂直起降飞行器的概念机。由概念图可见，“下一代超时尚”由汽车底座和飞行模块两部分构成，以油电混合动力装置为动力。飞行模块由碳纤维复合材料制成，配备有4个螺旋桨。座舱可搭乘2人，舱内未配备方向盘，仅配有一台大尺寸显示器。“下一代超时尚”也是一种飞行的士，旨在提供通勤服务。今年6月，奥迪公司获得德国政府颁发的飞行出租车测试资格证，计划在奥迪公司总部进行测试。

PAL-V公司PAL-V电动垂直起降飞行器亮相

图7 “下一代超时尚”电动垂直起降飞行器的概念图。

PAL-V公司位于荷兰，推出了PAL-V电动垂直起降飞行器。该机以油电混合动力装置为动力，将汽车、摩托车和直升机的概念结合在一起。它既能像汽车一样在地面行驶，也能像直升机一样在空中飞行。2009年4月27日，PAL-V公司向荷兰交通部长展示了PAL-V原型机。据悉，PAL-V电动垂直起降飞行器最先承担紧急服务部门的任务。使用者只须按一个键，该型飞行器在10min内便可全自动完成汽车形式与直升机形式间的切换。PAL-V飞行器的最大行驶速度可达180km/h，而安装在车后方的可折叠水平旋翼、尾翼与推进器展开后，该机就能腾空飞行，最大飞行速度可达185km/h，航程800km，飞行高度1200m。2020年10月，PAL-V公司宣布，PAL-V电动垂直起降飞行器已成功通过欧洲道路通行考试，并获得官方颁发的正式牌照。

骏马集团“确信飞行”电动垂直起降飞行器亮相

骏马集团（Workhorse）位于美国俄亥俄州，主要业务包括无人机和卡车生产制造。因此，该公司既能从卡车业务中获得自动驾驶技术，又能从无人机业务中获得油电混合动力技术，然后将这两种关键技术同时应用于“确信飞行”（SureFly）电动垂直起降飞行器。“确信飞行”采用了多旋翼气动布局设计，具有4个轴8副旋翼，主用定位是私人飞行器、商用运输机、农用飞行器和轻型军用飞行器。

2017年6月，“确信飞行”电动垂直起降飞行器在法国举行的巴黎航展上正式亮相。2018年1月，骏马集团在美国内华达州举行的2018消费电子产品展会上展示了“确信飞行”。该机于2018年4月在美国俄亥俄州辛辛那提市伦肯机场成功完成首次飞行，并于同年8月开展了多次飞行测试。2018年11月，美国陆军与骏马集团签订合作研究与开发协议（CRADA），旨在探索这种轻型飞行器的潜在作战能力。2019年底，“确信飞行”电动垂直起降飞行器获得美国联邦航空管理局颁发的型式认证。

上述7种电动垂直起降飞行器均采用了油电混合动力系统，但是这并不等于说基于纯电动技术的电动垂直起降飞行器就没有市场前景。

随着电动垂直起降飞行器的快速发展，以及人类不断推进空中巴士、空中出租车等电动垂直起降飞行器的示范性商业应用，城市空中交通时代即将开启。未来，在全新的智慧交通体系中，私人交通工有望实现“飞”起来的梦想。 ■

图8 荷兰PAL-V公司研制的PAL-V电动垂直起降飞行器。

图9 美国骏马集团推出一款电动垂直起降飞行器“确信飞行”。

表2 部分电动垂直起降飞行器一览表。