無人機(jī)動(dòng)力技術(shù)

（第二版）

（10）符長(zhǎng)青博士無人機(jī)油電兩種動(dòng)力裝置性能對(duì)比1）燃油發(fā)動(dòng)機(jī)（航空發(fā)動(dòng)機(jī)）性能特點(diǎn)（1）效率低。（2）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)和使用成本高。（3）維護(hù)保養(yǎng)困難、麻煩。（4）機(jī)械磨損大，使用壽命短。（5）噪音大，排放有污染。2）電動(dòng)機(jī)性能特點(diǎn)（1）效率高。（2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)和使用成本低。（3）維護(hù)保養(yǎng)簡(jiǎn)單、容易。（4）機(jī)械磨損小，使用壽命長(zhǎng)。（5）噪音小，無排放污染。（6）缺點(diǎn)：電池能量密度低，只有汽油的1/10油電混合動(dòng)力系統(tǒng)的定義油電混合動(dòng)力系統(tǒng)是指安裝在航空行器上的一種雙動(dòng)力裝置，它由電動(dòng)機(jī)（使用電池或太陽(yáng)能供電）和燃油發(fā)動(dòng)機(jī)（航空發(fā)動(dòng)機(jī)）兩種動(dòng)力裝置混合組裝在一起而構(gòu)成一個(gè)新的動(dòng)力系統(tǒng)，以改善航空飛行器的氣動(dòng)結(jié)構(gòu)、大幅提高等效涵道比，提升氣動(dòng)效率、降低油耗、減少噪聲和排放。串聯(lián)式油電混合動(dòng)力系統(tǒng)

串聯(lián)式油電混合動(dòng)力系統(tǒng)的燃油發(fā)動(dòng)機(jī)不與無人機(jī)的驅(qū)動(dòng)執(zhí)行裝置聯(lián)結(jié)在一起，即燃油發(fā)動(dòng)機(jī)與旋翼系統(tǒng)之間沒有減速傳動(dòng)的機(jī)械聯(lián)結(jié)，其功用只驅(qū)動(dòng)無人機(jī)上新增加的發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能，發(fā)出電力，既可以直接給無人機(jī)上的電動(dòng)機(jī)供電，也可為電池充電并聯(lián)式油電混合動(dòng)力系統(tǒng)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)通過并聯(lián)機(jī)械耦合裝置（離合器）連接在驅(qū)動(dòng)軸上，可采用兩種驅(qū)動(dòng)螺旋槳/旋翼旋轉(zhuǎn)的方式：發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)同時(shí)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)，或者燃油發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)分別單獨(dú)驅(qū)動(dòng)混聯(lián)式油電混合動(dòng)力系統(tǒng)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)通過混聯(lián)機(jī)械耦合裝置（行星齒輪）連接在螺旋槳/旋翼驅(qū)動(dòng)軸上，可采用兩種驅(qū)動(dòng)螺旋槳/旋翼旋轉(zhuǎn)的方式：發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)同時(shí)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)方式，或者燃油發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)分別單獨(dú)驅(qū)動(dòng)方式；又可以使燃油發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，向電池輸出電流，進(jìn)行充電分離式油電混合動(dòng)力系統(tǒng)直接在原純電無人機(jī)上額外增加一個(gè)或多個(gè)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)，及兩個(gè)主旋翼。燃油發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力直接驅(qū)動(dòng)兩個(gè)主旋翼旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生無人機(jī)飛行所需要的升力。機(jī)載電池提供電力給4個(gè)電動(dòng)機(jī)，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)與之相連的4個(gè)副旋翼旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生控制無人機(jī)飛行方向和飛行姿態(tài)所需要的拉力

油電混合動(dòng)力系統(tǒng)研發(fā)現(xiàn)狀（1）2012年，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）與波音、霍尼韋爾等公司聯(lián)合制定了一個(gè)油電混合動(dòng)力研究計(jì)劃，以2013年為起點(diǎn)，10年一個(gè)臺(tái)階，40年內(nèi)，實(shí)現(xiàn)300座干線客機(jī)的油電混合動(dòng)力。油電混合動(dòng)力系統(tǒng)研發(fā)現(xiàn)狀（2）歐洲在油電混合動(dòng)力研究方面與美國(guó)并駕齊驅(qū)，歐盟在“航跡”2050計(jì)劃下探索分布式油電混合動(dòng)力系統(tǒng)。空客集團(tuán)與羅羅、西門子等公司聯(lián)合開展油電混合動(dòng)力系統(tǒng)研究，依據(jù)歐盟“航跡2050”計(jì)劃節(jié)能減排的要求，制定了航空油電混合動(dòng)力研究計(jì)劃。油電混合動(dòng)力系統(tǒng)研發(fā)現(xiàn)狀（3）

2017年7月，俄羅斯中央航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院在莫斯科航展上宣布了首個(gè)航空飛行器油電混合動(dòng)力系統(tǒng)研究計(jì)劃，并展出了500kW級(jí)概念模型。其推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是由燃?xì)鉁u輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，然后由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)六葉螺旋槳旋轉(zhuǎn)，當(dāng)燃?xì)鉁u輪或發(fā)電機(jī)發(fā)生故障時(shí)由備份電池提供動(dòng)力。油電混合動(dòng)力系統(tǒng)研發(fā)現(xiàn)狀（4）2020年6月，日本川崎重工的大型油電混合動(dòng)力多旋翼無人機(jī)驗(yàn)證機(jī)成功進(jìn)行了首飛，搭載200kg以上的載荷，飛行超過100km。該驗(yàn)證機(jī)機(jī)長(zhǎng)約7m，寬度約5m，高度約2m，使用的3臺(tái)川崎NinjaZX-10R摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)為油電混合動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力源，其產(chǎn)生的電能可以帶動(dòng)8套電動(dòng)螺旋槳。與同量級(jí)的無人直升機(jī)相比，更具成本優(yōu)勢(shì)。油電混合動(dòng)力系統(tǒng)研發(fā)現(xiàn)狀（5）中國(guó)無人機(jī)領(lǐng)域發(fā)展十分迅猛，特別是民用無人機(jī)，已經(jīng)發(fā)展為全球性的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)。不過在重載長(zhǎng)航時(shí)航空飛行器油電混合動(dòng)力技術(shù)領(lǐng)域，目前我國(guó)還處于起步階段。2021年10月由中國(guó)航空研究院組織國(guó)內(nèi)優(yōu)勢(shì)力量，從電動(dòng)飛機(jī)發(fā)展必要性、定義與分類、重點(diǎn)產(chǎn)品、關(guān)鍵技術(shù)、措施建議等方面，研究提出電動(dòng)飛機(jī)發(fā)展白皮書。油電混合動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)1．永磁同步發(fā)電機(jī)

電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，通過改變勵(lì)磁繞組，控制電流能夠方便地調(diào)節(jié)氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)寬范圍輸出電壓和調(diào)速特性；斷開勵(lì)磁回路能夠有效滅磁，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的短路和故障保護(hù)。但存在勵(lì)磁繞組損耗使得系統(tǒng)效率相對(duì)較低，難以實(shí)現(xiàn)高功率密度，且使用電刷-集電環(huán)結(jié)構(gòu)，可靠性不高2．超導(dǎo)發(fā)電機(jī)

超導(dǎo)技術(shù)可以使發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)小型化，而功率更強(qiáng)大，工作性能更穩(wěn)定，為電機(jī)的低噪聲化提供可能性。超導(dǎo)發(fā)電機(jī)是電機(jī)領(lǐng)域的一種新型電機(jī)，具有功率密度大、同步電抗小、效率高、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，是最理想的能源轉(zhuǎn)換裝置之一。

油電混合動(dòng)力系統(tǒng)的燃油發(fā)動(dòng)機(jī)（1）高可靠性需求。（2）較高的功重比需求。（3）較低的耗油率需求。（4）結(jié)構(gòu)緊湊需求。結(jié)構(gòu)體積小，結(jié)構(gòu)緊湊。（5）其他需求。迎風(fēng)面積小，振動(dòng)小，噪聲低，維護(hù)簡(jiǎn)單等。（6）啟動(dòng)/發(fā)電一體化需求；

無人機(jī)啟動(dòng)/發(fā)電一體化系統(tǒng)利用電機(jī)的可逆性原理，采用同一臺(tái)電機(jī)，在燃油發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)把它作為電動(dòng)機(jī)使用，燃油發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后再把它作為發(fā)電機(jī)使用，由燃油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電，向無人機(jī)蓄電池或驅(qū)動(dòng)旋翼旋轉(zhuǎn)的主電動(dòng)機(jī)輸送電能。油電混合動(dòng)力無人機(jī)能量綜合管理油電混合動(dòng)力無人機(jī)能量綜合管理是應(yīng)用人工智能（AI）技術(shù)，通過優(yōu)化能量控制策略，實(shí)現(xiàn)油電混合動(dòng)力無人機(jī)在整個(gè)飛行任務(wù)中及各子系統(tǒng)之間動(dòng)態(tài)高效分配和管理電能和熱能。無人機(jī)能量綜合管理系統(tǒng)的功能（1）測(cè)量感知功能。（2）信息識(shí)別功能。（3）數(shù)據(jù)采集功能。（4）通信傳輸功能。（5）適時(shí)響應(yīng)功能。（6）自診斷功能。（7）自調(diào)節(jié)功能。（8）安全管理功能。（9）電池?zé)峁芾砉δ堋o人機(jī)油電混合動(dòng)力控制子系統(tǒng)無人機(jī)油電混合動(dòng)力控制子系統(tǒng)根據(jù)電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、溫度等信息和相關(guān)控制設(shè)備的狀態(tài)信息，來判斷它們的工況，確定無人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)的功率分配策略，來滿足無人機(jī)油電混合動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性等指標(biāo)要求。開發(fā)能量綜合管理系統(tǒng)原則和方法1．開發(fā)無人機(jī)能量綜合管理系統(tǒng)的指導(dǎo)原則（1）能力原則。（2）可靠性原則。（3）敏捷性原則。（4）經(jīng)濟(jì)性原則。2．設(shè)計(jì)無人機(jī)能量綜合管理系統(tǒng)的方法（1）創(chuàng)建響應(yīng)更快的系統(tǒng)。（2）處理更大動(dòng)態(tài)載荷。（3）運(yùn)用快速綜合新技術(shù)。（4）分布式控制技術(shù)。（5）開放式架構(gòu)設(shè)計(jì)。油電混合動(dòng)力無人機(jī)總體設(shè)計(jì)

總體結(jié)構(gòu)/推進(jìn)系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)油電混合動(dòng)力無人機(jī)的燃油發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、動(dòng)機(jī)、旋翼或螺旋槳、機(jī)翼、短艙開展綜合權(quán)衡分析和迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)，綜合考慮油電混合動(dòng)力無人機(jī)的幾何參數(shù)、氣動(dòng)力參數(shù)、重量參數(shù)、動(dòng)力系統(tǒng)等參數(shù)，開展關(guān)鍵參數(shù)的敏感性分析與協(xié)調(diào)，進(jìn)行方案評(píng)估，支撐布局方案選型油電混合動(dòng)力無人機(jī)總體設(shè)計(jì)采用總體結(jié)構(gòu)/推進(jìn)系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)方法，既能克服純油動(dòng)無人機(jī)動(dòng)力裝置與機(jī)體結(jié)構(gòu)分開獨(dú)立設(shè)計(jì)方式的缺點(diǎn)，又能發(fā)揮純電動(dòng)無人機(jī)氣動(dòng)布局、推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有較高自由度，且高度耦合的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效地提高無人機(jī)的飛行性能。復(fù)合無人機(jī)的類型

（1）噴氣式垂直起落無人機(jī)。（2）傾轉(zhuǎn)旋翼無人機(jī)。（3）傾轉(zhuǎn)機(jī)翼無人機(jī)。（4）單旋翼復(fù)合無人機(jī)（5）多旋翼復(fù)合無人機(jī)（6）帶推進(jìn)器旋翼無人機(jī)。無人機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)（1）材料性能的可設(shè)計(jì)性。（2）設(shè)計(jì)/制造的一體化。（3）材料的缺陷敏感性。（4）結(jié)構(gòu)的整體性。（5）承載路徑的連續(xù)性。（6）結(jié)構(gòu)良好的工藝性。無人機(jī)復(fù)合制料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程（1）設(shè)計(jì)要求。（2）材料設(shè)計(jì)。（3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。（4）結(jié)構(gòu)驗(yàn)證。無人機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的材料設(shè)計(jì)無人機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的材料設(shè)計(jì)是指應(yīng)用已知理論與信息，通過理論與計(jì)算預(yù)報(bào)新材料的組分、結(jié)構(gòu)與性能，或者說，通過理論設(shè)計(jì)來“訂做”具有特定性能的新材料的方法。（1）材料結(jié)構(gòu)性能關(guān)系的研究設(shè)計(jì)。（2）材料使用性能預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)。（3）材料成分結(jié)構(gòu)研究設(shè)計(jì)。綜合考慮結(jié)構(gòu)完整性、強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)疲勞/耐久性、耐濕/熱性能、動(dòng)力學(xué)特性、工藝性，以及成本、使用經(jīng)驗(yàn)、材料來源等因素綜合權(quán)衡折衷、擇優(yōu)選用。電動(dòng)垂直起降飛行器的基本概念

2016年10月美國(guó)優(yōu)步公司發(fā)布了《快速飛入城市空中交通白皮書》，首次提出電動(dòng)垂直起降飛行器（eVTOL）和城市空中交通（UAM）的概念。指出城市空中交通將利用三維空域緩解地面的交通擁堵；眾多電動(dòng)垂直起降飛行器（eVTOL）所構(gòu)成的城市空中巴士、空中出租車網(wǎng)絡(luò)，將能夠在郊區(qū)和城市之間，并最終在市內(nèi)實(shí)現(xiàn)迅速而可靠的交通。風(fēng)險(xiǎn)投資關(guān)注電動(dòng)垂直起降飛行器

2018年12月摩根斯丹利發(fā)布的第一份行研報(bào)告中首次提出萬億美元市場(chǎng)預(yù)期，掀起世界各國(guó)資本市場(chǎng)狂瀾。2019年12月億航公司成為全球首家上市的電動(dòng)垂直起降飛行器企業(yè)，到2020年1月美國(guó)Joby公司上市，短短一個(gè)多月內(nèi)連續(xù)三家電動(dòng)垂直起降飛行器企業(yè)上市，到達(dá)一個(gè)高峰。如今投資更是風(fēng)起云涌。eVTOL與飛行汽車的區(qū)別

19世紀(jì)80年代人類開發(fā)出了第一輛汽車，大約20年后，美國(guó)萊特兄弟發(fā)明了第一架飛機(jī)。隨后，人們產(chǎn)生了將汽車和飛機(jī)這兩個(gè)概念結(jié)合起來的想法：飛行汽車，這是一種既能在地面公路上跑，又能飛上天的陸空兩用交通工具。一百多年來已經(jīng)有3千多個(gè)陸空兩用“飛行汽車”設(shè)計(jì)，這些飛行汽車設(shè)計(jì)方案最后都沒有獲得人們認(rèn)可，未能獲得推廣應(yīng)用，被束之高閣。其中最主要的原因是世界各國(guó)法律規(guī)定：公路上禁止任何飛行器起飛和降落，從而堵死了“飛行汽車”發(fā)展之路。

電動(dòng)垂直起降飛行器（eVTOL）實(shí)質(zhì)上就是一架新型載客多用途無人機(jī)，它與飛行汽車的概念沒多大關(guān)系。電動(dòng)垂直起降飛行器動(dòng)力裝置類型所謂“垂直起降飛行器”在整體結(jié)構(gòu)上實(shí)質(zhì)上指的就是一種旋翼飛行器，它可以采用5種類型的動(dòng)力裝置電動(dòng)垂直起降飛行器的動(dòng)力裝置

電動(dòng)垂直起降飛行器，英文