低空飞行器三大关键系统之一：动力子系统

摘要：倘若把低空飞行器当做一个人，那么它的各个关键系统可以类比为：躯干（机身）、四肢（机翼）、心脏（动力）、大脑（飞控系统与AI）、五官（各类传感器与任务载荷）、五脏六腑与神经血管（航电、机电等机载系统）。我们把这些关键的系统分为三大类：动力子系统、航电与飞控子系统

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题图 | 来自网络DJI无人机图片

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倘若把低空飞行器当做一个人，那么它的各个关键系统可以类比为：躯干（机身）、四肢（机翼）、心脏（动力）、大脑（飞控系统与AI）、五官（各类传感器与任务载荷）、五脏六腑与神经血管（航电、机电等机载系统）。我们把这些关键的系统分为三大类：动力子系统、航电与飞控子系统以及飞机平台与机电子系统。

动力子系统包括三大类：内燃机动力推进系统、电力推进系统和混合动力推进系统。

内燃机动力推进系统包括：活塞/涡轴发动机等内燃机、起发供电系统和螺旋桨；

电力推进系统包括：电池、电机、电控（其中，电池、电机和电控简称为“三电”系统）和螺旋桨；

混合动力系统可以认为是内燃机动力推进系统和电力推进系统的组合，其包括：活塞/涡轴发动机等内燃机、起发供电系统、“三电”系统和螺旋桨。

航电与飞控子系统包括：飞控系统（含飞控计算机、舵机控制机）、导航设备、卫星通信设备、自组网通信设备、光电吊舱、数字微光相机、激光雷达测量系统产品等。

飞机平台与机电子系统包括：机体结构、燃油系统、起落架系统、隔振系统、航空照明产品等。

本期内容，我们首先详细剖析介绍三大关键系统之一的动力子系统。

动力子系统

如上所述，目前主流的无人机动力系统包括三种：内燃机动力推进系统、电力推进系统和混合动力推进系统。

内燃机动力推进系统以活塞、涡轴、涡扇、涡喷等类型内燃机作为动力源，通过汽油、重油、氢燃料等燃料的燃烧产生能量，再通过驱动螺旋桨转动（活塞、涡轴、涡桨）或高速排出的气流（涡扇、涡喷）产生推力，为无人机提供动力。同时，内燃机通过起发供电系统给电池和其他机载系统供电。中小型内燃机动力推进无人机以采用活塞、涡喷发动机为主，大型内燃机动力推进无人机根据使用环境的不同，分别采用活塞、涡轴、涡桨、涡扇等类型发动机。广义上的直升机动力系统还包括传动系统（含减速器和传动轴）。

电力推进系统由螺旋桨/涵道风扇、电机、电控、线束、电池集成，为飞机提供动力，与传统发动机相比容易改善飞机的气动布局和安全冗余。

混合动力推进系统正成为航空动力发展的重要方向，它将燃油（或汽油、重油、氢燃料）与电力结合，通过内燃机与电动机联合驱动，提高效率并降低排放。

1. 航空活塞发动机

航空活塞发动机作为航空动力系统的核心组件之一，拥有悠久的历史和广泛的应用。随着航空技术的不断进步，航空活塞发动机在设计理念、材料应用和燃料多样性（燃油、汽油、重油、氢燃料）等方面持续创新，满足了从通用航空到无人机领域的多样化需求。国产航瑞DB416航空重油活塞发动机如下图所示。

航空活塞发动机的历史和典型应用

航空活塞发动机的历史可以追溯到航空工业的萌芽阶段。在早期航空动力系统中，航空活塞发动机以其相对简单的结构和制造工艺成为主流。

20世纪初，莱特兄弟首创的“轻量化四缸发动机”成功驱动了人类历史上的首次飞行，奠定了航空活塞发动机的基础。

二战时期，随着航空技术的发展，航空活塞发动机在功率和可靠性方面取得了飞跃式进步，如V型发动机和星型发动机广泛应用于战斗机和轰炸机。

现代阶段，在涡轮发动机逐渐成为主流后，航空活塞发动机的市场转向无人机、轻型飞机及通用航空领域，其技术进一步优化。

航空活塞发动机因其高效、灵活和经济的特点，广泛应用于以下领域

应急救援：为无人直升机提供动力，用于物流运输、抢险救灾、森林灭火、海上救援、岛礁投送等任务；

通用航空：小型飞机和轻型运动飞机广泛采用航空活塞发动机，其具有较高的经济性和较低的维修成本，成为许多飞行器的首选。

未来，航空活塞发动机将朝着集成化、混合动力技术、氢能应用、智能化和数字化以及轻量化与高效能材料等方向综合发展。

集成化发展：一体化动力模块的设计理念将燃油系统、点火系统、冷却系统和传感器紧密集成于单一模块中，既简化了整体结构，又大幅提升了维护效率与系统性能的一致性。同时，先进的螺旋桨驱动系统进行全面升级，通过可变螺距设计与电子控制优化，实现发动机与螺旋桨的协同标定，从而推动整体系统性能的提升，而不再局限于传统的单一发动机优化。

混合动力技术：其一方面是燃油与电力结合，即通过内燃机和电动机的联合驱动，提高效率并降低排放。另一方面是再生制动与能量回收，即通过电动系统回收着陆时的动能并存储，用于下一次起飞。

氢能应用：氢内燃机是一种通过直接燃烧氢气来释放能量的动力装置。氢气以其高能量密度和清洁燃烧特性，在航空活塞发动机中展现出巨大的潜力。为了适应氢气独特的燃烧特性，氢内燃机需要优化燃烧室设计、增强点火系统的可靠性，并匹配高压供氢系统，确保燃烧效率和飞行安全。

智能化与数字化：通过传感器网络和先进的人工智能算法，发动机能够实现实时状态监测与故障预测，主动规避潜在风险，提升运行安全性。同时，基于数据链路的远程监控和智能控制功能，可以对发动机性能进行精确调节，以适应复杂多变的飞行任务需求。大数据分析和数字孪生技术的结合，为发动机设计优化，健康管理和性能提升提供了强有力的支撑。

轻量化与高效能材料：新型复合材料，如碳纤维复合材料和钛合金，因其优异的强度重量比和耐疲劳性能，显著减轻了发动机的整体质量，同时提升了结构强度和抗震能力，为飞机的燃油效率和航程带来了直接效益。此外，表面涂层技术的进步，特别是在高温耐磨涂层和抗腐蚀涂层的开发上，大幅提高了关键零部件在严苛环境下的耐久性和可靠性。

2. 起发供电系统

起发供电系统由电机、电控、配电、线束和电池组成，完成对发动机的起动和在发动机拖动下发电的功能。

起动过程为：起动电源给控制器提供28V直流电源，由控制器将28V直流电源转换成三相交流电，驱动电机起动发动机，不同发动机应采用不同的控制策略，使得整个起动过程平稳丝滑，起动效率高。

发动过程为：发动机起动成功后，电机为控制器提供三相交流电，控制器将三相交流电整流成幅值随转速变化的直流电，再由DC-DC（直流-直流转换器）环节将电压稳定在28V，有时考虑线损稳定在29V，输出电压质量应满足GJB 181B-2012《飞机供电特性》的要求。

3. 螺旋桨

作为低空经济重要的飞行场景，低空应用场景要求飞行器在较低的飞行马赫数下具备较高的推进效率，且具备良好的低速特性。而主流的推进方式之一就是螺旋桨推进，因螺旋桨在低速飞行条件下具备超高的推进等效涵道比，使其成为低空经济中最受关注的推进方式之一。其中，以eVTOL为代表的低空飞行器便广泛采用螺旋桨作为其核心推进部件。

与固定翼对飞行速度的要求不同，螺旋桨通过桨叶旋转便产生与飞行方向相匹配的气动力，能轻易实现飞行器的垂直起降、悬停及低速飞行。而当飞行速度进一步增加时，螺旋桨可与固定翼配合，令固定翼完全承担升力，而桨叶产生的气动力仅用于克服飞行阻力，从而高效提升巡航效率。

螺旋桨的高效气动设计和复合材料的应用，满足低空经济对高效、环保和经济的需求。通过基于飞行工况的剖面翼型、扭转角、桨叶数量等设计，可以实现高升阻比、低噪声污染的设计目标。与传统金属材料相比，玻璃纤维、碳纤维等复合材料在保证或提高螺旋桨力学特性的同时，进一步实现了螺旋桨的轻量化设计，对低空经济飞行器的安全与经济性具有重要意义。

4. 电池

与新能源电动车用电池相比，eVTOL用电池在安全性、能量密度、功率密度等方面有着更高的要求。

安全性：美国航空无线电技术委员会（RTCA）发布的RTCA DO-311修订版 A-2017《可充电锂电池及电池系统最低操作性能标准》中明确规定：当单个电芯发生热失控时，电池系统必须确保不会产生碎片释放和火焰逸出，同时排放物的逸出需符合声明的排放类别。

能量密度：目前，eVTOL用电池电芯的能量密度已到285Wh/kg，通常续航200~300Km的eVTOL需要150~200KWh的电池组（质量通常在600~800kg）。如果需要进一步提升续航时间或获得更多商载质量，则必须进一步提升电池的能量密度来减轻自身负重，减少体积占比。

功率密度：eVTOL实现垂直起降所需的电池功率密度远高于在地面行驶的同等质量电车的电池功率密度。根据国外相关机构研究，eVTOL与电车的放电功率需求存在明显差异。复合翼或倾转旋翼构型的eVTOL在航行时会有几个阶段，包括：起飞悬停、爬升、巡航、下降、降落悬停等。

在巡航期间放电倍率通常处于1C~2C，但在起飞和降落时都需要极高的功率输出，通常放电倍率达到约3C~5C。考虑到飞机下降时电池处于低电量状态，此时进行高倍率放电对电池的要求更苛刻（低电量时电池电压降低，需输出更高电流支持输出功率。）此外，考虑到紧急迫降情况，如其中一个电池包失效，则剩余电池包就需承担整体的动力输出，电池需要在低电量情况下做到高功率放电，由此可见eVTOL对于电池功率密度具有更苛刻和全面的要求。

5. 电机与电控

作为eVTOL的核心部件之一，推进系统是制约该新型飞行器发展的关键因素，发展轻质化、高可靠性推进电机系统是实现跨越式发展、突破关键瓶颈的重要方向。永磁电机具有高功率密度、高效率的特点，契合eVTOL电力推进技术需求，可构成一种极具发展潜力的电力推进系统。

eVTOL用永磁推进系统发展需要高转矩/功率密度、高可靠性与高安全性等特殊要求，重点围绕永磁推进电机轻质化拓扑结构、全域损耗分布特性与高效热管理技术，位置冗余及多通道协同智能控制技术等关键基础科学问题开展技术研究，建立适用于eVTOL的轻质化永磁推进电机系统综合设计理论。

探求eVTOL推进系统高可靠性、高安全性要求下的轻质化永磁推进电机拓扑结构，是实现eVTOL动力装置轻量化设计的前提与基础。

兼顾高电磁符合运行状态下的散热要求和高电压体制下的高防护等级要求的高效热管理方法，是保障推进系统在全域载荷范围内安全可靠运行的核心与关键。

探明电气隔离型多通道架构推进系统的故障运行模态、实现弱耦合下各个通道协同运行及高效容错，是实现推进系统高效、高可靠、高安全运行的重要基础。

6. 电动航空未来发展方向：混合动力驱动

由于纯电力推进系统由供电系统和电力推进系统组成，不需要燃油发动机，广泛被eVTOL等新兴电动航空厂商使用。纯电力推进系统所带来的明显优点如下：

①推动航空绿色发展，应对全球环境挑战；②相比燃油动力系统，电力推进系统架构更简化，为预测和排除故障带来便利，并拓展了飞行器设计的自由度；③电力推进系统架构多采用分布式，理论上更具安全冗余；④分布式电力推进系统可将动力分散到飞行器的各个主要结构上，并改变机体周围流场，提高气动性能。

但是，纯电力推进系统的eVTOL在商载和续航里程方面存在着明显的短板。限制其商载和续航里程的关键问题在于电池的功率密度和能量密度不足。另外，飞行器与纯电动飞行汽车不同，对电池的可靠性要求更严格，尤其是在供电失效或故障等极端情况下对安全性要求更加苛刻。

类似油电混合动力汽车架构可实现对纯电动飞行汽车的增程，燃油发动机与电动机共同作用的油电混合推进系统也可用于eVTOL，称为油电混合动eVTOL或混动eVTOL，国外优势称其为HVTOL或HeVTOL。其中的发动机，可以使用活塞发动机，也可以使用涡轮发动机。

根据发动机是否直接提供推进动力，油电混合推进系统可再分为并联式架构和串联式架构。

并联式架构：发动机与电动机通过传动装置共同驱动螺旋桨。发动机在最佳工况点附近运行，电动机用来提供不足的功率，当发动机输出功率大于飞行所需时，电动机作为发电机运行吸收多余能量。系统效率较高，燃油消耗较少。但由于发动机通过传动装置直接耦合到飞机螺旋桨驱动轴上，传动装置的存在限制了效率的进一步提高。

串联式架构：发动机不直接提供动力，只驱动发电机提供电能，能实现发动机与电动机的解耦，使得发动机能够始终在最佳工况点附近稳定运转，效率高，排放性能好。

混合动力也不仅仅是油电混合动力，也可以是氢电混合动力。作为复杂的多学科问题，混动系统的总体优化设计和能量管理策略是决定飞行器性能水平的关键。需要从飞行器典型剖面出发对动力系统的设计进行需求分解，再从动力系统设计的功能、性能和安全性角度出发，搭建完整的飞行器构型、重量、功耗计算模型，实现架构设计、重量集成、功耗需求、控制策略等分析能力。相比纯电动飞行器，混动系统中采用的发动机在散热、减震、降噪等方面也给飞行器设计带来了一定挑战，这方面相比传统燃油动力、机械传动仍会有更好的表现。