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空直公司:混合动力直升机投入使用为时尚早


买飞机网  更新时间:2016/8/16 19:21:30  来源:网络

E-Volo

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不久前,空客直升机公司在经过研究和试验后得出结论,对于直升机来说,混合电力推进能够提高其安全性,但目前距离投入使用仍有一段距离。而之所以得出如此结论,是因为空客直升机公司认为,混合动力直升机对于能量储存能力的需要远高于固定翼飞机。

空客直升机公司对混合动力直升机技术的探索

2011年,原欧直公司在一架AS350/H125单发直升机上加装了备用的电池驱动的电动机并进行了飞行试验,该技术的目的是在发动机失效时,为直升机提供更强的自转下滑能力,但也对直升机混合驱动技术进行了研究。研究结论曾在第72界AHS国际论坛上发表,报告中认为,由于重量和费用方面的代价过高,用于提高安全性的应急电力驱动技术目前尚未达到投入使用的水平。

以下是混合动力技术应用前景以及空直公司的想法:

1.单发失效时提供30秒应急时间——目前可行

空直公司研究的架构包括了一个微型混合动力方案,最大输出功率50千瓦,用于为发动机燃气发生器提供电力,以暂时提高发动机的输出功率,满足30秒的单发失效应急功率需求。研究表明,目前的技术水平能够满足该需求。

2.发动机失效时辅助自转下滑——载荷代价过高

空直公司还对另一种混合动力架构进行了研究,该架构能够提供最大300千瓦的电能,可在发动机失效时直接为主减速器输入功率,或用于全电驱动尾桨。该架构能够用在轻型单发直升机上,在自传下滑时作为备用动力,延缓旋翼转速下降,从而降低机体的下降速度、增强可控性和安全性。根据当前的技术水平,一套由电动机、电力电子设备和一次性电池组成的系统的重量可控制在50千克以内,已具备了一定的实用价值。但开发成本和经常性成本过高,难以被用户接受,因为适航当局不会强制性安装该系统,而50千克重量的代价意味着少搭载1名乘客。

3.双发失效时提供应急功率——费用代价过高

对于双发直升机来说,混合动力技术可作为备用动力,用于提高单发失效情况下的起飞性能。在研究过程中,空直公司于2015年在一架中型直升机上开展了该技术的试验,结果表明该技术能够在狭窄空间或地面停机坪状态时提供2~3名乘客的起飞性能收益,但其开发成本和经常性成本仍然过高,因此难以在短期内投入使用。

空直公司还在进行其他试验,如在双发直升机巡航飞行时下关闭一台发动机或令其处于空载状态,以降低燃油消耗。该试验于2015年在空直公司“蓝色直升机”技术验证机上进行。空直公司称,混合动力技术能够在发动机空载或单发运行时提供额外的动力,以维持其平飞巡航速度,当电池电量用光时,第二台发动机即可完成重启,以继续维持巡航并为电池充电。但这种架构只能够降低不到10%的燃油消耗,而其代价则是系统复杂度增加,以及该系统占用的250千克商载,因此目前的应用前景不甚乐观。

4.全电可变转速尾桨——过重

全电驱动尾桨是目前多家制造商关注的一个方向,该技术可使尾桨转速不再与主旋翼转速挂钩,从而为转速优化设计奠定了基础。但空直公司的研究结果显示,使用多余度、可变转速的尾桨驱动系统将使全机重量增加约70千克,相当于少搭载1名乘客,只有当电动机重量降低至当前技术水平的1/5时,才能够保证全机重量与现在持平。

5.全混合动力/全电推进——电池技术远不能满足需求

研究团队还在H125平台上对全混合动力架构进行了研究,研究者为H125换装了重量和尺寸更小的涡轴发动机,通过电池来满足功率峰值状态(如起飞时)的动力需求。研究团队使用一台功率较小的涡轴发动机来驱动一台500千瓦的发电机,并同时使用电池带动了一台450千瓦的电动机驱动旋翼、和一台70千瓦电动机驱动尾桨。

研究结果表明,该架构可使燃油消耗降低约10%,但电力系统的功率损失则接近20%、重量则超过300千克。研究团队认为,该技术所需的电池能量密度需达到当前水平的7倍才能够满足需求,即使如此,选择更小的发动机所带来的重量收益也不足以抵消这套系统导致的空机重量提高,因此“若以当前的电力系统组件性能水平来看,该架构的应用前景非常渺茫”。

多家制造商开展混合动力直升机技术研究

空直公司并非是首个开展直升机电力驱动技术研究的公司。西科斯基、原阿古斯塔·韦斯特兰、贝尔等制造商都开展了相关技术研究。

2010年,西科斯基公司就在一架S-300C基础上开发了一个全电驱动技术验证机“萤火虫”,以一台140千瓦的电动机和锂电池取代了原有的活塞式发动机,但该机一直没有实现首飞。

阿古斯塔·韦斯特兰公司(现莱昂纳多集团直升机分部)开展的“零式飞机”项目于2012年成功首飞了一架全电驱动的垂直起降无人机,该机使用了可倾转的涵道式旋翼。

德国的e-Volo公司也首飞了一架18旋翼的垂直起降飞行器,该机使用电池驱动,可搭载2人。

贝尔直升机公司也启动了一个混合推进技术研究,而波音公司也在今年2月申请了一个混合电力直升机专利,该技术使用柴油发动机带动的发电机和电池驱动电动机,为主旋翼和尾桨提供动力。

空客直升机公司认为目前的混合动力直升机技术并不成熟

空直公司在对从为涡轴发动机备份的混合动力到全电驱动直升机的一系列技术进行研究后得出结论:这些技术仍需要做非常多的工作,尤其是在能量储存装置方面,目前的电池能量密度远远达不到在直升机上使用的要求。

即使目前电驱动技术在多旋翼小型无人机领域的应用日渐普遍,但空直公司仍然认为,当前技术水平仍然无法满足实用的全电驱动的全尺寸旋翼机需求(如支持3吨级直升机完成2小时飞行),其中电池技术的差距是最主要的短板。当前的技术水平仅能够支持10分钟的巡航飞行,而电池和电动机的重量则超过了1000千克。研究结果表明,电池能量密度需提高14倍才能够满足全电直升机的实用要求。

研究还指出,除非短时间使用(如作为应急备用系统),电动机、电力电子设备和电池都需要冷却系统,这进一步增加了系统重量。此外,电池系统的尺寸对于直升机来说也是一个问题,过大的电池系统将挤占行李舱和座舱的容积,降低直升机的装载能力。


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