三种构型方案对比评估分析

 

 

 

一、功率与操纵功效

 

 

 

由以上分析可以看出，三种构型中，只有单电机直驱变转速构型由于受桨叶刚度和重量影响，由最大正拉力到最大负拉力转换时间比原来由桨距调节方式要慢，不满足CCAR-27 部关于操纵性和机动性的要求；其他两种构型在正常状态下，功率输出或提供的拉力均满足或超出原机械尾桨构型功能。特别是三涵道变转速构型在正常工作状态下，单个涵道以持续功率20kW 运行，三个涵道产生的最大总拉力大于原机械尾桨产生的最大拉力，抗侧风能力有所提升。此外，如果考虑动力电池具有的短时提供功率输出补偿能力，总拉力将进一步增大，抗侧风能力相较原机也将大幅提升。

 

 

 

二、重量和重心

 

 

 

传统机械式尾传动轴、尾减速器总重约为20kg。三种电驱动反扭矩系统构型均需配置60kVA发电机，以及不同功率需求的尾桨驱动电机。如果忽略结构重量、尾桨叶、线缆及控制器重量，简单对比尾传动轴、尾减速器与发电机、驱动电机的重量，见表1。

 

 

 

表1 机械尾桨和不同电动尾桨构型重量对比

 

 

 

从表1 可以看出，单电机直驱时驱动电机选用单台60kW 电机，单台电机重20kg；双电机直驱时选用两台单台持续功率35kW、峰值功率可达60kW的电机（满足应急情况下单台电机峰值功率需求），单台电机重8kg；三电机直驱时选用三台单台持续功率20kW、峰值功率35kW 电机（满足应急情况下两台电机峰值功率需求）情况下，单台电机重4kg，单电机直驱、双电机直驱和三电机直驱变转速构型分别增重20kg、16kg和12kg。如果考虑线缆安装、变压整流驱动器等重量，估计再增加30kg 以上。因此在当前阶段，整体来看机械式尾桨改为电动尾桨重量增加40～50kg，三涵道尾桨增重最少。

 

 

 

驱动电机重量增加还会带来重心向后偏移，导致满载状态下纵向重心超限的问题值得关注。图7～图12分别给出了单电机直驱变转速构型、双电机直驱变转速构型和三电机直驱变转速构型的纵向、横向重心包线图。

 

 

 

图7 单电机直驱构型纵向重心包线

 

 

 

图8 单电机直驱构型横向重心包线

 

 

图9 双电机直驱构型纵向重心包线

 

 

图10 双电机直驱构型横向重心包线

 

图11 三电机直驱构型纵向重心包线

 

 

图12 三电机直驱构型横向重心包线

 

 

 

从图中可以看出，三种构型方案的横向双驾驶使用包线都在横向重心限制范围内，但是，纵向双驾驶使用包线都不同程度地超出纵向重心限制范围，其中，单电机直驱、双电机直驱构型纵向重心超出包线较多，三涵道电机直驱尾桨纵向重心超出最少。

 

 

 

三、动力学

 

 

 

单旋翼变桨距构型，尾桨转速固定，能够避开机体共振频率。单旋翼变转速构型，桨距固定，通过调整转速调整尾桨拉力，存在无法避开机体共振频率的风险。双涵道变转速、三涵道变转速构型，桨距固定，通过分别调整各个涵道转速，实现尾桨拉力控制。通过涵道的不同转速搭配，能够避开机体共振频率。尾桨共振图和阻尼比随转速变化如图13和图14所示。

 

 

 

图13 尾桨共振图

 

 

图14 阻尼比随转速变化

 

 

四、安全性和可靠性

 

 

 

安全性方面，不同于传统尾桨必须与主旋翼保持同步运转，电动尾桨能独立控制。因此，在地面时，电动尾桨可以停转，三种构型方案均大大降低了尾桨对维修人员造成伤害的风险。相较而言，双涵道和三涵道构型由于采用涵道尾桨，地面维护安全性更高。就飞行安全性来说，单电机驱动变转速构型没有提升；双电机驱动变转速构型余度较高，提升了飞行安全性；三电机驱动变转速构型余度最高，因此飞行安全性更高。

 

 

 

可靠性方面，原机械尾传动系统出现故障，则尾桨必将停转，失去功能，只能自转着陆。电动尾桨主要考虑三个方面：发动机、发电机和驱动电机故障。若发动机出现故障，自转着陆时由于旋翼仍然在转动，可以继续带动发电机转动，产生电能供尾桨使用；若发电机故障，还可以使用应急电池为尾桨驱动电机提供5min应急供电，保证直升机紧急着陆；若驱动电机故障，单电机直驱构型与原机械尾桨失效相当，只能自转下滑，而在双/三涵道电动尾桨构型情况下，增加了余度设计，即使一个涵道驱动电机出现故障，双/三涵道电动尾桨仍然可以有一/两个尾桨电机以峰值功率工作，保证直升机在短时间内仍能够最大起飞重量悬停着陆并且具有与原机相当的抗侧风能力。例如，双涵道构型单台电机的峰值功率达到60kW，最大拉力可达1400N。三涵道构型正常工作状态下，单个涵道可以20kW运行，提供拉力500N，总拉力1500N，略高于原机；应急状态（损坏1台电机）单个电机峰值功率达到35kW，拉力达700N，剩余两台电机可提供拉力1400N，与原机相当。

 

 

 

此外，增加动力电池除了能够保证在发电机故障情况下尾桨安全运行外，还可以在大重量、大风速侧风等尾桨功率需求较大时，提供短时功率输出补偿能力，改善抗侧风性能。如果考虑动力电池短时提供功率补偿输出，则三台电机可提供总拉力2100N，抗侧风能力大大优于原机。

 

 

 

五、维修工作量

 

 

 

电动尾桨取消了复杂的传动轴、减速器和操纵杆系的连接结构，可大幅降低全寿命周期成本，减少用户直接运营成本。这大大提高了尾桨的使用效率、直升机的安全性，降低了维修工作量。

 

 

 

六、成本

 

 

 

在直升机巡航飞行中，电动尾桨可以采用较低的转速，降低发动机功率输出，从而降低油耗。此外，维修工作量的降低、电动系统寿命的提升等均可降低直接和间接使用成本。

 

 

 

七、噪声

 

 

 

为对比不同构型气动噪声水平，以常规变桨距孤立垂尾桨为基准，选择在相同气动力状态下对比，噪声观测点与尾桨空间位置示意图如图15 所示。图16 给出了常规变总距尾桨噪声特性曲线，从图16 中可以看出，单旋翼变桨距构型随总距增加不同观测点噪声声压逐渐增加，总距13°时声压等级为112.5dB。在相同气动力情况下，单旋翼变转速噪声水平与单旋翼变桨距相当。

 

 

 

图15 噪声观测点与尾桨空间位置示意图

 

 

图16 常规变总距尾桨噪声特性曲

 

 

 

双涵道变转速构型在4910r/min 下气动力与常规构型总距13°状态下气动力相当，桨盘平面内0°观测点的声压约为104.5dB，相较于单旋翼构型降低了8dB，如图17所示。

 

 

 

图17 双涵道变转速构型转速4910r/min时声压级变化曲

 

 

 

三涵道变转速构型在5550r/min 下气动力与常规构型总距13°状态下气动力基本相同，此时桨盘平面内0°观测点的声压级约为107.5dB，相较于单旋翼构型降低了5dB。随转速降低，噪声下降明显，如图18所示。

 

 

 

图18 三涵道变转速构型不同转速时声压级变化曲线

 

 

 

经过仿真发现，在相同气动力情况下，三种构型中双涵道变转速电动尾桨噪声降低幅度最大，大约为8dB；三涵道变转速尾桨噪声降低幅度略有降低，约为5dB。图19 为三涵道变转速尾桨构型等涡量图，可以看出，三涵道间存在较大的气动干扰是噪声不如双涵道低的原因之一。

 

 

 

图19 三涵道变转速构型尾桨涡量图

 

 

 

因此，三涵道电动尾桨的优势最为明显，其不仅重量最轻、气动特性较好、飞行品质好，而且安全性最高、可靠性最好、噪声较低。

 

 

 

特别是三涵道构型在大重量起飞、大风速侧风等对尾桨功率需求大的情况下，动力电池具有短时功率补偿能力，单个涵道可以以峰值功率35kW运行，对应拉力700N，总拉力达到2100N，抗侧风能力较原机大幅提升。

 

三电机直驱变转速构型应用前景

 

 

 

从上述分析来看，三涵道电动尾桨系统虽然综合性能最优，但增重问题比较明显，投入使用预计增重80kg，相当于占掉乘员1 人。因此，减重是分布式电驱动尾桨的重中之重。以下重点进行三涵道电动尾桨构型减重分析。a

 

 

 

一、发电机、电动机和整流器等

 

 

 

三涵道电动尾桨发电机、电动机和整流器等总量约为50kg，功率密度在3～5kW/kg。目前，西门子公司、赛峰公司、美国H3X等公司都在开发航空电机，最高持续功率密度有望达到12.5kW/kg。若功率密度10kW/kg 左右，则可减重20kg 左右，与原机械式尾桨传动轴与尾减速器重量相当。

 

 

 

二、飞控计算机

 

 

 

由于电动尾桨需要增加航向电动尾桨控制专用计算机控制电机转速，进而调节尾桨拉力，包括正常模式和故障模式。经估算要满足安全性要求，必须采取余度设计，拉力约增加150N。由于国产2t 级直升机数字式增稳系统属于选装设备，实际上通过软、硬件扩展，将电动尾桨飞控系统整合到增稳系统中，不仅可以减重，还可以大大减轻飞行员操纵负担，获得更高要求的飞行品质和自动驾驶功能。因此，在电动尾桨状态下选择航向控制与增稳系统一体化设计，可以少增重5～10kg。

 

 

 

三、电池

 

 

 

动力电池按照满足尾桨应急供电5min，质量能量密度取200Wh/kg，电池重量约为25kg。当前，国内外诸多企业在大力发展高能量密度电池技术，如韩国LG 公司、美国SionPower 公司等开发的锂硫电池产品有望在投产初期能量密度达到400Wh/kg以上，这样尾桨应急电池重量还可以减重10kg左右。

 

 

 

通过上述分析可知，随着电池、航空电机等技术的发展，经过未来5年左右，电动尾桨重量可由增重80kg降为增重40kg 左右，解决电动尾桨目前存在增重较大的问题，应该说三涵道分布式电驱动尾桨前景非常光明。

 

结束语

 

 

 

目前来看，传统机械式尾桨在重量上还略占优势，未来随着电池、航空电机技术的发展，机械式尾桨系统在重量上的优势将逐渐消失，分布式电动尾桨必将代替机械式尾桨系统。从2t 级直升机需求来看，三涵道电动尾桨构型已满足需求，若涵道数量进一步增加，可能带来气动干扰加剧、飞行控制律复杂度上升等问题需具体评估。

 

 

 

随着绿色航空的发展，全电动直升机也将在不远的将来出现在人们的生活中。特别是近几年eVTOL、电动飞机和氢能源飞机的快速发展，必将推动电推进系统技术蓬勃发展。