混合動力技術驅動傳統直升機

貝爾“空中計程車”Nexus

提到“電動”或“混合動力”發動機， 大多數人想到的應該是時下熱門的城市空中交通和空中計程車的發展。現在，全球有160家公司在無人駕駛和人工智慧等方面進行投資，希望在這一新興市場引領飛行汽車的發展。然而，拋開這一備受關注的領域，還有很多家公司致力於將電動和混合動力發動機應用到傳統型直升機上，以此來降低傳統直升機的噪聲水平，提高運載能力、安全性和燃油效率。

空客直升機公司研製RACER高速旋翼機

今年6月，空客直升機公司與法國交通部在巴黎航展上宣佈啟動一項研究計劃，旨在單發直升機測試平臺上使用混合動力推進系統。空客將泰雷茲研發的100千瓦電機、空客防務與航天開發的電池組以及由ADENEO提供的電能轉換器安裝在一架H130直升機上，並計劃於2020年進行驗證飛行。目前，驗證機正在通過關鍵設計評審。有了這套全新的推進系統，H130載客量比之前增加1人，自轉變得更為簡單，安全性也由此得到提高。空客直升機CEO艾文表示：“直升機產業正在快速轉型。這項技術可以提供安全性的新標準，為單發直升機飛行員提供更多的靈活性，可在發動機停車時提供自轉驅動力。這一技術的進步也為顯著提高燃油效率、降低噪音水平奠定了基礎，進而提升直升機在城市環境中運營的接受度。”

除了進行混合動力H130直升機的研發外，空客還為其推出的RACER高速旋翼機配備了新型高壓“啟停”供電系統，也計劃在2020年開展驗證試飛。有了高壓“啟停”供電系統，RACER高速旋翼機在單發工作時能夠以180節/時（333千米/時）的速度飛行，另一臺發動機在有需要的情況下才會啟用。新系統能使直升機在前飛時燃油效率提高20%，使8噸重的直升機執行400海里（740千米）飛行任務的燃油消耗減少136千克。簡而言之，混合動力為客戶提高了生產效率。

RACER高速旋翼機是空客在2013年推出的X3原型機的基礎上進行研發的。空客對RACER採用前飛時減少傳統主旋翼負荷的氣動機翼以及雙螺旋槳提供推力的複合結構，使機體流線型更佳。據悉，RACER有望在明年首飛，飛行速度將比傳統直升機高出50%，耗油量比傳統直升機少25%。研發團隊要實現的目標是RACER巡航速度達220節（407千米/時），最快速度超過255節（472千米/時）。

羅羅公司M250燃氣輪機進展順利

與全球諸多航空發動機製造商一樣，羅爾斯·羅伊斯公司正處於軍、民用航空領域的新興電力革命浪潮之中。羅羅公司內部新近成立了電氣部門，專門負責監管電氣化相關的新工業戰略，以應對航空領域電氣化這一“不可避免的趨勢”。

今年3月，整合M250燃氣輪機的混合動力系統成功通過地面測試，使羅羅公司為實現向下一代航空提供混合動力系統的願景邁出了重要的一步。M250燃氣輪機是一款非常成功的發動機，自開發應用以來，已用於170多種固定翼的軍、民用飛機和直升機上。羅羅已經將該發動機開發成混合動力推進系統。成功通過地面測試的混合動力M250燃氣輪機三種系統配置分別是串聯混動、並聯混動和混聯混動。除了完整的發動機測試外，羅羅也對混合動力發動機的每個部件和子系統都進行了單獨的電氣效能測試。經過模擬一系列包括起飛、巡航、著陸和滑行的測試，最終確認了該系統可用於多種運輸平臺。

電氣部門主管邁克·梅赫奇表示， 公司目前正在開發的純電動和混合動力方案可用於一系列新興和現有的飛行平臺。這些平臺包括專注於市內及城市間個人出行的eVTOL（電動垂直起降飛行器）和HeVTOL（混合動力垂直起降飛行器）、通用航空和商用飛行器。“航程、載荷能力和任務剖面都促使推進系統滿足預期的效能需求，進而提升推進系統的模組化、拓展性和靈活性。”他表示，目前在混合動力方面開發的一些部件和子系統可以提高旋翼機效能。比如，電機、貯能電池和相關電力管理和控制電子裝置的組合可以提供渦輪推進和緊急著陸系統， 為飛行員實現可控著陸提供更加靈活有效的方式。

羅羅公司eVTOL

柯林斯宇航公司啟動“電網”實驗室

聯合技術公司（UTC）旗下的柯林斯宇航表示，計劃在未來3年投入1.5億美元，用於開發航空領域的電動系統。今年4月初，柯林斯宣佈投資5000萬美元，在美國伊利諾伊州北部的羅克福德市建立一個大型實驗室，起名“電網”。柯林斯將利用這個高功率、高電壓的實驗室，設計和試驗兆瓦級電機、電力電子技術和發電機等系統， 用於商用、軍用、公務航空、無人機和城市空中交通平臺等電氣化水平更高的下一代航空器。實驗室預計在2021年全面投入執行。

在“電網”實驗室支援的首批平臺專案中，就包括了UTC最近公佈的混合動力驗證機——804專案。804專案由UTC領先專案部門開發，集合了來自柯林斯和普惠的專業工程知識與經驗，目標是在較短時間內重新設計渦輪螺旋槳固定翼飛機的發動機系統， 改由2兆瓦級混合動力推進系統提供動力。雖然804專案主要支撐的是固定翼飛機，但它很可能會影響旋翼機電動和混合動力發動機的發展。為了實現這一目標，柯林斯將利用“電網”實驗室，設計並測試1兆瓦的電機、電機控制器和電池系統。該1兆瓦電機將成為迄今為止航空領域最大且效率最高的電機。新的電機和電機控制器將作為驗證機混合動力推進系統的一部分，輔助燃油發動機提供動力。“電網”實驗室將成為世界上為數不多幾個能夠測試完整電動推進系統的設施之一。

柯林斯宇航電動系統主管內特·伯爾金表示，混合動力和純電動推進系統將為旋翼機和城市空中交通（UAM） 的發展帶來巨大優勢，能有效降低噪聲水平，減少碳排放，助力全球環保， 並將通過降低運營成本和燃料消耗來助力航空公司客戶的發展。同時，他也對短時間內實現傳統直升機的電氣化表示擔憂：“UAM航程短尺寸小，不久後就能實現電力驅動。而傳統直升機體積雖然比固定翼機小，但使用的仍然是很強勁的發動機，因此傳統直升機遇到的電氣能量密度問題也會更加嚴峻。因此，要對傳統直升機實現電力驅動可能還需要很長一段時間。”

賽峰集團推進混合動力推進系統

賽峰目前正在開發貝爾“空中計程車”Nexus的混合動力推進系統。同時， 賽峰也計劃將其應用在電動垂直起降飛行器（eVTOL） 上的ENGINeUS 45電機推進系統配備在傳統直升機上。ENGINeUS 45電機的連續功率為45千瓦，內建有專用電子控制裝置，能效超過94%。它在轉速為2500rpm時具有2.5千瓦/千克的功重比。同時， 該電機通過整合多個關鍵轉換、控制和電池介面功能來優化電氣架構，其機械和結構特性也非常適合航空器結構。該系列的最終產品為功率輸出高達500千瓦的電機。從電磁、熱能和機械的角度來說，ENGINeUS能為航空器帶來頂級效能。

（qinghangwang）

（旋翼機、固定翼、直升機相關圖紙、資料）

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