輕型直升機(jī)分布式電驅(qū)動(dòng)反扭矩系統(tǒng)構(gòu)型方案的綜合評(píng)估技術(shù)研究

唐興中，陳國軍，付裕，建志旭，胡冰蕊

1.中國航空研究院，北京 100029

2.中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001

直升機(jī)尾槳是用來平衡主旋翼反扭矩和對(duì)直升機(jī)進(jìn)行偏航操縱的部件。傳統(tǒng)機(jī)械式尾槳一般由中間傳動(dòng)軸、中間減速器、尾傳動(dòng)軸、尾減速器等組成，具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高、技術(shù)應(yīng)用成熟等優(yōu)點(diǎn)，但仍存在一系列問題，主要有：（1）機(jī)械傳動(dòng)鏈長，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造成維修成本高、耗時(shí)長[1-2]；（2）尾槳故障率高，據(jù)統(tǒng)計(jì)，由尾槳系統(tǒng)引發(fā)的事故，占直升機(jī)事故總數(shù)的15%以上，如美國西科斯基公司的“黑鷹”直升機(jī)便發(fā)生過因尾槳傳動(dòng)軸斷裂，導(dǎo)致多名高級(jí)軍官同直升機(jī)墜亡事故；（3）尾槳功率消耗較大，約占總功率的7%～10%[3]，傳動(dòng)效率低。為解決上述問題，人們開始探索新的直升機(jī)反扭矩系統(tǒng)，用以替代傳統(tǒng)的機(jī)械式尾槳。

在當(dāng)前綠色航空背景下，電動(dòng)飛機(jī)、電動(dòng)垂直起降飛行器（eVTOL）正在蓬勃發(fā)展[4]，據(jù)美國VFS統(tǒng)計(jì)，全球已啟動(dòng)接近600 個(gè)eVTOL 項(xiàng)目。受此啟示，有些直升機(jī)制造商開始嘗試采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)尾槳，如2016年萊昂納多公司與英國布里斯托大學(xué)合作，在一架AW139直升機(jī)的尾梁上改裝了一個(gè)電動(dòng)尾槳，并進(jìn)行了長達(dá)10h 的地面試驗(yàn)[5]。2020年，貝爾公司公開了一架采用4 個(gè)涵道風(fēng)扇代替?zhèn)鹘y(tǒng)尾槳的貝爾429 驗(yàn)證機(jī)，貝爾將該多涵道尾槳稱為電驅(qū)動(dòng)反扭矩（EDAT）系統(tǒng)[6]，這是全球首次采用此類多旋翼電驅(qū)動(dòng)尾槳的直升機(jī)，該驗(yàn)證機(jī)已經(jīng)在2019 年5 月開始試飛。國內(nèi)很多學(xué)者也對(duì)電驅(qū)動(dòng)反扭矩系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究。2018年，清華大學(xué)王洋等[7]申請了一項(xiàng)“一種直升機(jī)電動(dòng)尾槳驅(qū)動(dòng)裝置”的發(fā)明專利，通過三個(gè)串聯(lián)電機(jī)驅(qū)動(dòng)尾槳，可保證各電機(jī)都在高效的范圍內(nèi)工作，提高系統(tǒng)效率。2019年，電子科技大學(xué)王飛等[8]開展了小型無人直升機(jī)電動(dòng)尾槳控制方法研究，采用非線性自抗擾控制方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)直升機(jī)電動(dòng)尾槳偏航通道的控制。電動(dòng)尾槳具有結(jié)構(gòu)簡單、綠色環(huán)保、低噪聲、低振動(dòng)、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，此外，電動(dòng)尾槳與直升機(jī)主旋翼解耦，可提高尾槳控制的靈活性。

本文基于某國產(chǎn)2t 級(jí)直升機(jī)尾槳系統(tǒng)（見圖1），在滿足抗側(cè)風(fēng)能力與原準(zhǔn)樣機(jī)相當(dāng)?shù)那疤嵯?，開展了分布式電驅(qū)動(dòng)反扭矩系統(tǒng)構(gòu)型方案研究與綜合評(píng)估分析，對(duì)未來前景進(jìn)行了展望。在ISA狀態(tài)和海平面高度，該直升機(jī)以最大起飛重量（質(zhì)量）無地效懸停時(shí)，尾槳需提供拉力140kgf（約1400N）。

圖1 某國產(chǎn)2t級(jí)直升機(jī)尾槳系統(tǒng)Fig.1 Tail rotor system of a two-ton domesitc helicopter

1 電驅(qū)動(dòng)反扭矩系統(tǒng)構(gòu)型方案

電驅(qū)動(dòng)反扭矩系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)供電，經(jīng)控制系統(tǒng)后供給驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)尾槳的驅(qū)動(dòng)和控制。尾槳電傳動(dòng)方式主要包括電機(jī)直驅(qū)、電機(jī)加動(dòng)靜軸和電機(jī)加減速器等[1-2]。其中，電機(jī)直驅(qū)方式的傳動(dòng)鏈短、安裝維護(hù)方便、系統(tǒng)效率高，并且鑒于航空電機(jī)、電調(diào)等技術(shù)不斷發(fā)展，電機(jī)直驅(qū)構(gòu)型未來最有應(yīng)用發(fā)展前景，為此本文選取電機(jī)直驅(qū)構(gòu)型。

1.1 單電機(jī)直驅(qū)+變轉(zhuǎn)速控制構(gòu)型

單電機(jī)直驅(qū)加變轉(zhuǎn)速控制構(gòu)型方案是在滿足性能參數(shù)前提下，取消尾傳動(dòng)系統(tǒng)，主減速器直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，經(jīng)調(diào)節(jié)后為尾槳驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電，直接驅(qū)動(dòng)尾槳葉；去除尾槳變距系統(tǒng)，采用尾槳轂與槳葉固定結(jié)構(gòu)（固定槳距角）；采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)整尾槳推力大小，構(gòu)型方案架構(gòu)如圖2 所示。其中，發(fā)電機(jī)選用60kVA電力容量，頻率400Hz，電壓120/208V的大功率發(fā)電機(jī)，采用油冷方式，重量約20kg。尾槳驅(qū)動(dòng)電機(jī)按單旋翼變槳距尾槳功率及轉(zhuǎn)速需求，并且考慮重量及尺寸限制，選用60kW的軸向磁通同步永磁電機(jī)，采用空氣冷卻方式，重量約20kg。尾槳參數(shù)基本不變，槳距角取21.1°，轉(zhuǎn)速在0～2043r/min之間變化。

圖2 單電機(jī)變轉(zhuǎn)速構(gòu)型Fig.2 Single-motor variable speed configuration

經(jīng)估算，采用這種構(gòu)型，總體參數(shù)保持不變，電動(dòng)尾槳產(chǎn)生的最大正、負(fù)拉力與原尾槳相當(dāng)，飛行特性基本沒有變化，滿足適航規(guī)章CCAR-27部要求。按GJB 902—1990評(píng)價(jià)的飛行品質(zhì)等級(jí)與原機(jī)相當(dāng)。通過飛控系統(tǒng)調(diào)節(jié)可以保證腳蹬操縱與尾槳拉力保持線性關(guān)系。但由于受槳葉剛度和重量影響，由最大正拉力到最大負(fù)拉力轉(zhuǎn)換時(shí)間比原來由槳距調(diào)節(jié)方式要慢，不滿足CCAR-27部關(guān)于操縱性和機(jī)動(dòng)性的要求。

1.2 雙電機(jī)直驅(qū)+變轉(zhuǎn)速控制構(gòu)型

采用雙電機(jī)直驅(qū)加變轉(zhuǎn)速控制構(gòu)型方案是在提高全機(jī)抗側(cè)風(fēng)能力的同時(shí)，主要考慮提供故障冗余，即在任意一個(gè)涵道尾槳故障情況下，還有一個(gè)涵道尾槳可以保證最大起飛重量懸停著陸，保證大部分飛行狀態(tài)下直升機(jī)正常使用。這種構(gòu)型方案是在滿足性能參數(shù)前提下，取消尾傳動(dòng)、控制桿系等，主減速器直接驅(qū)動(dòng)60kVA發(fā)電機(jī)，經(jīng)調(diào)節(jié)后為持續(xù)功率35kW、峰值功率60kW 的兩個(gè)尾槳驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電，直接驅(qū)動(dòng)兩個(gè)固定槳距的涵道尾槳，構(gòu)型方案架構(gòu)如圖3 所示。這種構(gòu)型需要重新設(shè)計(jì)尾槳?dú)鈩?dòng)外形、尾槳葉和槳距角，如圖4所示。

圖3 雙電機(jī)變轉(zhuǎn)速構(gòu)型Fig.3 Double-motor variable speed configuration

圖4 雙涵道變轉(zhuǎn)速理論外形Fig.4 The shape of double-duct variable speed configuration

經(jīng)估算，采用這種構(gòu)型后，總體參數(shù)保持不變，電動(dòng)尾槳產(chǎn)生的最大正、負(fù)拉力與原尾槳相當(dāng)，飛行特性基本沒有變化，滿足適航規(guī)章CCAR-27 部要求。按GJB 902—1990評(píng)價(jià)的飛行品質(zhì)等級(jí)與原機(jī)相當(dāng)。通過飛控系統(tǒng)調(diào)節(jié)可以保證腳蹬操縱與尾槳拉力保持線性關(guān)系。當(dāng)單個(gè)尾槳故障失效后，由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率較高，仍可保持原機(jī)尾槳能力，可滿足無風(fēng)條件下懸停及大部分速度下的平飛要求，以及CCAR-27 部關(guān)于操縱性和機(jī)動(dòng)性的要求。這種構(gòu)型的好處是當(dāng)兩個(gè)涵道尾槳正常工作時(shí)，尾槳能力較原機(jī)尾槳富余較多，安全裕度較高。

1.3 三電機(jī)直驅(qū)+變轉(zhuǎn)速控制構(gòu)型

開展三電機(jī)直驅(qū)加變轉(zhuǎn)速控制構(gòu)型設(shè)計(jì)主要考慮任一尾槳故障后，余下兩個(gè)尾槳可以保持原機(jī)尾槳能力。在滿足性能參數(shù)前提下，取消尾傳動(dòng)系統(tǒng)，主減速器直接驅(qū)動(dòng)60kVA發(fā)電機(jī)，經(jīng)調(diào)節(jié)后為持續(xù)功率20kW、峰值功率35kW的三個(gè)尾槳驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電，直接驅(qū)動(dòng)三個(gè)固定槳距的涵道尾槳，構(gòu)型方案架構(gòu)如圖5 所示。這種構(gòu)型需要重新設(shè)計(jì)尾槳?dú)鈩?dòng)外形、尾槳葉和槳距角，如圖6所示。

圖5 三電機(jī)變轉(zhuǎn)速構(gòu)型Fig.5 Three-motor variable speed configuration

圖6 三涵道變轉(zhuǎn)速理論外形Fig.6 The shape of three-duct variable speed configuration

經(jīng)估算，采用這種構(gòu)型后，總體參數(shù)保持不變，電動(dòng)尾槳產(chǎn)生的最大正、負(fù)拉力與原尾槳相當(dāng)，飛行特性基本沒有變化，滿足適航規(guī)章CCAR-27部要求。按GJB 902—1990評(píng)價(jià)的飛行品質(zhì)等級(jí)與原機(jī)相當(dāng)。通過飛控系統(tǒng)調(diào)節(jié)可以保證腳蹬操縱與尾槳拉力保持線性關(guān)系。這種構(gòu)型的好處是當(dāng)三個(gè)涵道尾槳正常時(shí)，尾槳能力較原機(jī)尾槳富余較多，安全裕度較高；當(dāng)單個(gè)尾槳故障失效后，另兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率仍可保持原機(jī)尾槳能力，可滿足無風(fēng)條件下懸停及大部分速度下的平飛需求，以及CCAR-27部關(guān)于操縱性和機(jī)動(dòng)性的要求。

2 三種構(gòu)型方案對(duì)比評(píng)估分析

2.1 功率與操縱功效

由以上分析可以看出，三種構(gòu)型中，只有單電機(jī)直驅(qū)變轉(zhuǎn)速構(gòu)型由于受槳葉剛度和重量影響，由最大正拉力到最大負(fù)拉力轉(zhuǎn)換時(shí)間比原來由槳距調(diào)節(jié)方式要慢，不滿足CCAR-27 部關(guān)于操縱性和機(jī)動(dòng)性的要求；其他兩種構(gòu)型在正常狀態(tài)下，功率輸出或提供的拉力均滿足或超出原機(jī)械尾槳構(gòu)型功能。特別是三涵道變轉(zhuǎn)速構(gòu)型在正常工作狀態(tài)下，單個(gè)涵道以持續(xù)功率20kW 運(yùn)行，三個(gè)涵道產(chǎn)生的最大總拉力大于原機(jī)械尾槳產(chǎn)生的最大拉力，抗側(cè)風(fēng)能力有所提升。此外，如果考慮動(dòng)力電池具有的短時(shí)提供功率輸出補(bǔ)償能力，總拉力將進(jìn)一步增大，抗側(cè)風(fēng)能力相較原機(jī)也將大幅提升。

2.2 重量和重心

傳統(tǒng)機(jī)械式尾傳動(dòng)軸、尾減速器總重約為20kg。三種電驅(qū)動(dòng)反扭矩系統(tǒng)構(gòu)型均需配置60kVA發(fā)電機(jī)，以及不同功率需求的尾槳驅(qū)動(dòng)電機(jī)。如果忽略結(jié)構(gòu)重量、尾槳葉、線纜及控制器重量，簡單對(duì)比尾傳動(dòng)軸、尾減速器與發(fā)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的重量，見表1。

表1 機(jī)械尾槳和不同電動(dòng)尾槳構(gòu)型重量對(duì)比Table 1 Comparison between weight of mechanical tail rotor and different electical tail rotor configurations

從表1 可以看出，單電機(jī)直驅(qū)時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用單臺(tái)60kW 電機(jī)，單臺(tái)電機(jī)重20kg；雙電機(jī)直驅(qū)時(shí)選用兩臺(tái)單臺(tái)持續(xù)功率35kW、峰值功率可達(dá)60kW的電機(jī)（滿足應(yīng)急情況下單臺(tái)電機(jī)峰值功率需求），單臺(tái)電機(jī)重8kg；三電機(jī)直驅(qū)時(shí)選用三臺(tái)單臺(tái)持續(xù)功率20kW、峰值功率35kW 電機(jī)（滿足應(yīng)急情況下兩臺(tái)電機(jī)峰值功率需求）情況下，單臺(tái)電機(jī)重4kg，單電機(jī)直驅(qū)、雙電機(jī)直驅(qū)和三電機(jī)直驅(qū)變轉(zhuǎn)速構(gòu)型分別增重20kg、16kg和12kg。如果考慮線纜安裝、變壓整流驅(qū)動(dòng)器等重量，估計(jì)再增加30kg 以上。因此在當(dāng)前階段，整體來看機(jī)械式尾槳改為電動(dòng)尾槳重量增加40～50kg，三涵道尾槳增重最少。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)重量增加還會(huì)帶來重心向后偏移，導(dǎo)致滿載狀態(tài)下縱向重心超限的問題值得關(guān)注。圖7～圖12分別給出了單電機(jī)直驅(qū)變轉(zhuǎn)速構(gòu)型、雙電機(jī)直驅(qū)變轉(zhuǎn)速構(gòu)型和三電機(jī)直驅(qū)變轉(zhuǎn)速構(gòu)型的縱向、橫向重心包線圖。

圖7 單電機(jī)直驅(qū)構(gòu)型縱向重心包線Fig.7 Longitudinal centre of gravity envelope of single-motor direct-drive configuration

圖8 單電機(jī)直驅(qū)構(gòu)型橫向重心包線Fig.8 Transverse centre of gravity envelope of single-motor direct-drive configuration

圖9 雙電機(jī)直驅(qū)構(gòu)型縱向重心包線Fig.9 Longitudinal centre of gravity envelope of double-motor direct-drive configuration

圖10 雙電機(jī)直驅(qū)構(gòu)型橫向重心包線Fig.10 Transverse centre of gravity envelope of doule-motor direct-drive configuration

圖11 三電機(jī)直驅(qū)構(gòu)型縱向重心包線Fig.11 Longitudinal centre of gravity envelope of three-motor direct-drive configuration

圖12 三電機(jī)直驅(qū)構(gòu)型橫向重心包線Fig.12 Transverse centre of gravity envelope of three-motor direct-drive configuration

從圖中可以看出，三種構(gòu)型方案的橫向雙駕駛使用包線都在橫向重心限制范圍內(nèi)，但是，縱向雙駕駛使用包線都不同程度地超出縱向重心限制范圍，其中，單電機(jī)直驅(qū)、雙電機(jī)直驅(qū)構(gòu)型縱向重心超出包線較多，三涵道電機(jī)直驅(qū)尾槳縱向重心超出最少。

2.3 動(dòng)力學(xué)

單旋翼變槳距構(gòu)型，尾槳轉(zhuǎn)速固定，能夠避開機(jī)體共振頻率。單旋翼變轉(zhuǎn)速構(gòu)型，槳距固定，通過調(diào)整轉(zhuǎn)速調(diào)整尾槳拉力，存在無法避開機(jī)體共振頻率的風(fēng)險(xiǎn)。雙涵道變轉(zhuǎn)速、三涵道變轉(zhuǎn)速構(gòu)型，槳距固定，通過分別調(diào)整各個(gè)涵道轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)尾槳拉力控制。通過涵道的不同轉(zhuǎn)速搭配，能夠避開機(jī)體共振頻率。尾槳共振圖和阻尼比隨轉(zhuǎn)速變化如圖13和圖14所示。

圖13 尾槳共振圖Fig.13 Resonance diagram of tail rotor

圖14 阻尼比隨轉(zhuǎn)速變化Fig.14 Variation of damping ratio with rotation speed

2.4 安全性和可靠性

安全性方面，不同于傳統(tǒng)尾槳必須與主旋翼保持同步運(yùn)轉(zhuǎn)，電動(dòng)尾槳能獨(dú)立控制。因此，在地面時(shí)，電動(dòng)尾槳可以停轉(zhuǎn)，三種構(gòu)型方案均大大降低了尾槳對(duì)維修人員造成傷害的風(fēng)險(xiǎn)。相較而言，雙涵道和三涵道構(gòu)型由于采用涵道尾槳，地面維護(hù)安全性更高。就飛行安全性來說，單電機(jī)驅(qū)動(dòng)變轉(zhuǎn)速構(gòu)型沒有提升；雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)變轉(zhuǎn)速構(gòu)型余度較高，提升了飛行安全性；三電機(jī)驅(qū)動(dòng)變轉(zhuǎn)速構(gòu)型余度最高，因此飛行安全性更高。

可靠性方面，原機(jī)械尾傳動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，則尾槳必將停轉(zhuǎn)，失去功能，只能自轉(zhuǎn)著陸。電動(dòng)尾槳主要考慮三個(gè)方面：發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)故障。若發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障，自轉(zhuǎn)著陸時(shí)由于旋翼仍然在轉(zhuǎn)動(dòng)，可以繼續(xù)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生電能供尾槳使用；若發(fā)電機(jī)故障，還可以使用應(yīng)急電池為尾槳驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供5min應(yīng)急供電，保證直升機(jī)緊急著陸；若驅(qū)動(dòng)電機(jī)故障，單電機(jī)直驅(qū)構(gòu)型與原機(jī)械尾槳失效相當(dāng)，只能自轉(zhuǎn)下滑，而在雙/三涵道電動(dòng)尾槳構(gòu)型情況下，增加了余度設(shè)計(jì)，即使一個(gè)涵道驅(qū)動(dòng)電機(jī)出現(xiàn)故障，雙/三涵道電動(dòng)尾槳仍然可以有一/兩個(gè)尾槳電機(jī)以峰值功率工作，保證直升機(jī)在短時(shí)間內(nèi)仍能夠最大起飛重量懸停著陸并且具有與原機(jī)相當(dāng)?shù)目箓?cè)風(fēng)能力。例如，雙涵道構(gòu)型單臺(tái)電機(jī)的峰值功率達(dá)到60kW，最大拉力可達(dá)1400N。三涵道構(gòu)型正常工作狀態(tài)下，單個(gè)涵道可以20kW運(yùn)行，提供拉力500N，總拉力1500N，略高于原機(jī)；應(yīng)急狀態(tài)（損壞1臺(tái)電機(jī)）單個(gè)電機(jī)峰值功率達(dá)到35kW，拉力達(dá)700N，剩余兩臺(tái)電機(jī)可提供拉力1400N，與原機(jī)相當(dāng)。

此外，增加動(dòng)力電池除了能夠保證在發(fā)電機(jī)故障情況下尾槳安全運(yùn)行外，還可以在大重量、大風(fēng)速側(cè)風(fēng)等尾槳功率需求較大時(shí)，提供短時(shí)功率輸出補(bǔ)償能力，改善抗側(cè)風(fēng)性能。如果考慮動(dòng)力電池短時(shí)提供功率補(bǔ)償輸出，則三臺(tái)電機(jī)可提供總拉力2100N，抗側(cè)風(fēng)能力大大優(yōu)于原機(jī)。

2.5 維修工作量

電動(dòng)尾槳取消了復(fù)雜的傳動(dòng)軸、減速器和操縱桿系的連接結(jié)構(gòu)，可大幅降低全壽命周期成本，減少用戶直接運(yùn)營成本。這大大提高了尾槳的使用效率、直升機(jī)的安全性，降低了維修工作量。

2.6 成本

在直升機(jī)巡航飛行中，電動(dòng)尾槳可以采用較低的轉(zhuǎn)速，降低發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出，從而降低油耗。此外，維修工作量的降低、電動(dòng)系統(tǒng)壽命的提升等均可降低直接和間接使用成本。

2.7 噪聲

為對(duì)比不同構(gòu)型氣動(dòng)噪聲水平，以常規(guī)變槳距孤立垂尾槳為基準(zhǔn)，選擇在相同氣動(dòng)力狀態(tài)下對(duì)比，噪聲觀測點(diǎn)與尾槳空間位置示意圖如圖15 所示。圖16 給出了常規(guī)變總距尾槳噪聲特性曲線，從圖16 中可以看出，單旋翼變槳距構(gòu)型隨總距增加不同觀測點(diǎn)噪聲聲壓逐漸增加，總距13°時(shí)聲壓等級(jí)為112.5dB。在相同氣動(dòng)力情況下，單旋翼變轉(zhuǎn)速噪聲水平與單旋翼變槳距相當(dāng)。

圖15 噪聲觀測點(diǎn)與尾槳空間位置示意圖Fig.15 Diagram of noise observation point and tail rotor space position

圖16 常規(guī)變總距尾槳噪聲特性曲線Fig.16 Noise characteristic curves of conventional variable pitch tail rotor

雙涵道變轉(zhuǎn)速構(gòu)型在4910r/min 下氣動(dòng)力與常規(guī)構(gòu)型總距13°狀態(tài)下氣動(dòng)力相當(dāng)，槳盤平面內(nèi)0°觀測點(diǎn)的聲壓約為104.5dB，相較于單旋翼構(gòu)型降低了8dB，如圖17所示。

圖17 雙涵道變轉(zhuǎn)速構(gòu)型轉(zhuǎn)速4910r/min時(shí)聲壓級(jí)變化曲線Fig.17 Sound pressure level curve of double-duct variable speed configuration at 4910r/min

三涵道變轉(zhuǎn)速構(gòu)型在5550r/min 下氣動(dòng)力與常規(guī)構(gòu)型總距13°狀態(tài)下氣動(dòng)力基本相同，此時(shí)槳盤平面內(nèi)0°觀測點(diǎn)的聲壓級(jí)約為107.5dB，相較于單旋翼構(gòu)型降低了5dB。隨轉(zhuǎn)速降低，噪聲下降明顯，如圖18所示。

圖18 三涵道變轉(zhuǎn)速構(gòu)型不同轉(zhuǎn)速時(shí)聲壓級(jí)變化曲線Fig.18 Sound pressure level curves of three-duct variable speed configuration at different speeds

經(jīng)過仿真發(fā)現(xiàn)，在相同氣動(dòng)力情況下，三種構(gòu)型中雙涵道變轉(zhuǎn)速電動(dòng)尾槳噪聲降低幅度最大，大約為8dB；三涵道變轉(zhuǎn)速尾槳噪聲降低幅度略有降低，約為5dB。圖19 為三涵道變轉(zhuǎn)速尾槳構(gòu)型等渦量圖，可以看出，三涵道間存在較大的氣動(dòng)干擾是噪聲不如雙涵道低的原因之一。

圖19 三涵道變轉(zhuǎn)速構(gòu)型尾槳渦量圖Fig.19 Vorticity map of three-duct variable speed configuration

因此，三涵道電動(dòng)尾槳的優(yōu)勢最為明顯，其不僅重量最輕、氣動(dòng)特性較好、飛行品質(zhì)好，而且安全性最高、可靠性最好、噪聲較低。

特別是三涵道構(gòu)型在大重量起飛、大風(fēng)速側(cè)風(fēng)等對(duì)尾槳功率需求大的情況下，動(dòng)力電池具有短時(shí)功率補(bǔ)償能力，單個(gè)涵道可以以峰值功率35kW運(yùn)行，對(duì)應(yīng)拉力700N，總拉力達(dá)到2100N，抗側(cè)風(fēng)能力較原機(jī)大幅提升。

3 三電機(jī)直驅(qū)變轉(zhuǎn)速構(gòu)型應(yīng)用前景

從上述分析來看，三涵道電動(dòng)尾槳系統(tǒng)雖然綜合性能最優(yōu)，但增重問題比較明顯，投入使用預(yù)計(jì)增重80kg，相當(dāng)于占掉乘員1 人。因此，減重是分布式電驅(qū)動(dòng)尾槳的重中之重。以下重點(diǎn)進(jìn)行三涵道電動(dòng)尾槳構(gòu)型減重分析。

3.1 發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)和整流器等

三涵道電動(dòng)尾槳發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)和整流器等總量約為50kg，功率密度在3～5kW/kg。目前，西門子公司、賽峰公司、美國H3X等公司都在開發(fā)航空電機(jī)，最高持續(xù)功率密度有望達(dá)到12.5kW/kg[9]。若功率密度10kW/kg 左右，則可減重20kg 左右，與原機(jī)械式尾槳傳動(dòng)軸與尾減速器重量相當(dāng)。

3.2 飛控計(jì)算機(jī)

由于電動(dòng)尾槳需要增加航向電動(dòng)尾槳控制專用計(jì)算機(jī)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)節(jié)尾槳拉力，包括正常模式和故障模式。經(jīng)估算要滿足安全性要求，必須采取余度設(shè)計(jì)，拉力約增加150N。由于國產(chǎn)2t 級(jí)直升機(jī)數(shù)字式增穩(wěn)系統(tǒng)屬于選裝設(shè)備，實(shí)際上通過軟、硬件擴(kuò)展，將電動(dòng)尾槳飛控系統(tǒng)整合到增穩(wěn)系統(tǒng)中，不僅可以減重，還可以大大減輕飛行員操縱負(fù)擔(dān)，獲得更高要求的飛行品質(zhì)和自動(dòng)駕駛功能。因此，在電動(dòng)尾槳狀態(tài)下選擇航向控制與增穩(wěn)系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)，可以少增重5～10kg。

3.3 電池

動(dòng)力電池按照滿足尾槳應(yīng)急供電5min，質(zhì)量能量密度取200Wh/kg，電池重量約為25kg。當(dāng)前，國內(nèi)外諸多企業(yè)在大力發(fā)展高能量密度電池技術(shù)，如韓國LG 公司、美國SionPower 公司等開發(fā)的鋰硫電池產(chǎn)品有望在投產(chǎn)初期能量密度達(dá)到400Wh/kg以上[10]，這樣尾槳應(yīng)急電池重量還可以減重10kg左右。

通過上述分析可知，隨著電池、航空電機(jī)等技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)過未來5年左右，電動(dòng)尾槳重量可由增重80kg降為增重40kg 左右，解決電動(dòng)尾槳目前存在增重較大的問題，應(yīng)該說三涵道分布式電驅(qū)動(dòng)尾槳前景非常光明。

4 結(jié)束語

目前來看，傳統(tǒng)機(jī)械式尾槳在重量上還略占優(yōu)勢，未來隨著電池、航空電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械式尾槳系統(tǒng)在重量上的優(yōu)勢將逐漸消失，分布式電動(dòng)尾槳必將代替機(jī)械式尾槳系統(tǒng)。從2t 級(jí)直升機(jī)需求來看，三涵道電動(dòng)尾槳構(gòu)型已滿足需求，若涵道數(shù)量進(jìn)一步增加，可能帶來氣動(dòng)干擾加劇、飛行控制律復(fù)雜度上升等問題需具體評(píng)估。

隨著綠色航空的發(fā)展，全電動(dòng)直升機(jī)也將在不遠(yuǎn)的將來出現(xiàn)在人們的生活中。特別是近幾年eVTOL、電動(dòng)飛機(jī)和氫能源飛機(jī)的快速發(fā)展，必將推動(dòng)電推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)蓬勃發(fā)展。