电动直升机概念设计与分析

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJul．252017Vol38No．7SSN1000—6893ON11—1929／Vhttp：#hkxb．buaaedu．cahkxb@buaa．edu．cn电动直升机概念设计与分析赵洪，李建波*，刘铖南京航空航天大学直升机旋翼动力学国家级重点实验室，南京210016摘要：根据当前电池与电动机特性分别建立适合电动直升机的能源与动力系统数学模型，提出满足电动直升机的3种能源方案，构建出一套适合电动直升机概念设计的总体参数选择与优化方法，并结合任务剖

2、面需求对采用3种能源方案的电动直升机展开总体参数的选择与敏感性分析。受当前电池技术水平发展，电动直升机的久航性能与燃油动力直升机相比有较大差距。通过参数敏感性分析方法得出，电动直升机具有与燃油直升机不同的设计特征，电动直升机应结合动力及能源系统特征进行针对性设计。关键词：电动直升机；概念设计；飞行性能；优化；敏感性分析中图分类号：V221+．8文献标识码：A文章编号：1000—6893(2017)07520866-09电动载人飞行器使用电动力推进系统动力，具有节能环保、效率高、振动噪声小、乘坐舒适性好等优点，是一种理想的绿

3、色交通工具，有望广泛应用于未来通用航空等领域。当前，欧美等发达国家正大力开展电动载人飞行器的研究，研制的机型主要为2座及以下的固定翼飞机，如空客的“E-FAN”电动飞机、德国以燃料电池驱动的“安塔利斯”电动飞机、美国波音燃料电池／锂电池的电动飞机等，航时可达1～2h。直升机在飞行时功耗远大于固定翼飞机，受当前电动能源储能特性影响，电动直升机主要为小型无人直升机，电动载人直升机的发展与研究较为缓慢[1。2]。2012年，西科斯基公司在S-300C直升机的基础上研制了“萤火虫”电动直升机[3]，直升机采用200hp的电动机作为

4、动力，能源系统采用33．3kW·h锂聚合物电池，支持“萤火虫”电动直升机留空15min。2015年，法国民航学院研制了“Volta”电动直升机，电动直升机携带160kg锂聚合物电池，续航时间为20～30min。电动直升机最大的技术瓶颈是当前的能源系统能量密度与功率密度偏低，致使电动直升机的续航时间、航程、载荷受到较大影响。“萤火虫”电动直升机及“Volta”电动直升机都是采用燃油直升机改装而成，并非根据电动特性针对性设计，直升机的总体气动参数确定、结构设计等方面均有较大改进空间，可进一步提升直升机的久航性能。当前，电动直升

5、机的研究工作主要集中在小型的电动无人直升机上，Guinea等探讨了将燃料电池应用在小型电动无人直升机上的可能性，并分析了燃料电池功率密度对小型电动无人直升机飞行性能的影响[4]。北京航空航天大学聂资和陈铭对改装电动力的FH一1共轴无人直升机进行了飞行性能的计算研究[5]，并与原直升机进行了性能对比，改装后的电动直升机悬停升限大大增加，但是续航时间仅为原来的1／10。在有人电动直升机方面，美国Johnson建立了包括电动力收稿日期：2016·10-19；退修日期：2016·12—14；录用日期：2017-01·11；网络出版

6、时间：2017—04—0610：15网络出版地址：WWWcnki．net／kcms／detail／11．1929V20170406．1015．002．html基金项目：江苏高校优势学科建设工程(PAPD)*通讯作者．E-mail：Ijbl01@nuaa．edu．cn礅用椿武l赵洪．李建波，朗铖．电动直升机概念设讨s分析[J]．航空学报．2017．38(7)：520866．ZHAOH．LIJB．LIUC．Conceptualdesignandanalysisofelectrichelicopters[JJ，ActaAeron

7、auticaetAstronauticaSinica，2017，38(7)：520866．520866．1航空学报在内的多种动力系统模型邸]，并针对R22直升机的电动改装工作进行了研究[7]，系统分析了锂聚合物电池、氢燃料电池以及电动机的特性．对改装电动的R22直升机飞行性能进行了计算与分析。国内外对电动直升机开展的研究工作还较少，尤其是在电动直升机的总体设计方面。电动直升机与采用燃油动力的直升机在设计方面存在差异，本文将结合当前电动力系统与电能源系统发展水平建立电动系统的数学模型，以此构建出基于优化的电动直升机的概念设计

8、方法，并对采用不同能源型式的电动直升机进行对比与分析，通过总体参数敏感性分析方法探讨电动直升机的设计特征，为今后电动直升机的发展提供一定的理论指导。1电动系统简述电动直升机的电动系统包含了动力系统与能源系统，动力系统一般为大功率高压无刷电机，可直接驱转或通过传动系统驱转主旋翼及尾桨。能源系统为电能储存装