符长青
本文对无人机油动和电动两种动力装置的性能与特点进行对比，阐述油电混合动力系统的定义，分析油电混合动力系统的特点、优势和类型。
随着无人机的广泛应用和性能提高，其动力装置的作用日益凸显，无人机动力装置选型变得越来越重要。电动机和燃油发动机是当前无人机动力装置的主要类型，两者各有优缺点。不论是电动机，还是燃油发动机，都无法完全取代对方。而一种有效的解决方案即无人机油电混合动力系统已应运而出。
无人机油动和电动两种动力装置的性能与特点对比
无人机是一种自身质量密度大于空气质量密度的飞行器，动力是其升空飞行的首要条件。无人机拥有动力才能产生克服重力所需的升力。人们把无人机上能产生拉力或推力，使无人机飞行的一种装置，称为无人机动力装置。例如，无人机安装的电动机和发动机，以及保证它们正常工作所需的子系统和配套设备。无人机常用动力装置有三大类：电动机、发动机以及两者相互组合而构成的混合动力装置。
燃油发动机的性能与特点
（1）热效率低。
活塞式发动机的热效率为20%~30%，涡轮喷气发动机的热效率为24%~30%，涡轮风扇发动机的热效率为40%~46%，这三个热效率远低于电动机的热效率。
（2）结构复杂，造价和使用成本高。
（3）维修保养困难、麻烦。
（4）机械磨损大，使用寿命短。
（5）噪声大，有污染排放。
电动机的性能与特点
（1）热效率高。
电动机平均热效率为87%，国际先进水平为92%，远高于燃油发动机。
（2）结构简单，造价和使用成本低。
电动飞行器的能源使用成本仅为油动飞行器的1/6。
（3）维修保养简单、容易。
（4）电磁力转子和定子不直接接触，机械磨损小，使用寿命长。
（5）噪声小，无污染排放。
电动飞行器在运行过程中产生的碳排放几乎为0。
以上对比可知，电动机比燃油发动机的热效率高很多，而且成本低，噪声小，使用寿命长，无排放和污染。
节能减排是交通领域研究和实践的热点问题，无人机领域也不例外，例如应用最广泛的轻小型多旋翼无人机已基本采用了电动系统。但是，当人们将电动系统应用于无人机等飞行器时，目前却遇到一个非常棘手、而非电动机本身的问题，这就是为电动机提供能源的动力电池能量密度太低，比航空燃油的能量密度低十余倍。于是，电动无人机在实际使用中，通常表现出重载动力不足、飞行时间短等缺点。由此可见，依靠单一能源（电池）推进的电动无人机很难满足许多飞行性能要求。
为了清晰地说明无人机油电混合动力系统的特点和优势，下文对电动无人机和油动无人机动力系统存在的弱点展开讨论。
制约电动无人机动力系统性能提升的主要因素
众所周知，电动无人机凭借操控简单灵活和极高的性价比，已经广泛应用于多个领域。但是，电动无人机在实际应用中，因其动力系统受电池性能等因素的制约，在某些领域难以大范围推广和应用。
一是电池能量密度低。电动无人机普遍使用的是锂电池，该型电池能量密度一般为0.46~0.72MJ/kg。由于锂电池太重，导致无人机任务载荷重量大打折扣，一般最大起飞重量约15kg的无人机，理论上自带电池的重量很难超过5kg，这意味无人机的续航时间不会超过30min。
二是电池放电速度快。锂动力电池放电速度随着环境温度的降低而加快。在低温环境下，锂电池放电速度加快，缩短了电动无人机的作业时间。
三是电池技术在短期内难突破。预计在未来很长一段时间内，电池技术很难取得根本性突破，这意味由电池提供能源的电动无人机，其任务载荷重量小、续航时间短的问题在短期内很难从根本上得到解决。
制约油动无人机动力系统性能提升的主要因素
一是汽油能量密度虽高，但汽油发动机调速慢。航空汽油能量密度为12~17MJ/kg，其能量密度比锂电池高二十余倍。汽油发动机的热效率通常是30%~50%，所以100kg且充满电的锂电池，其带电量大约只相当于3kg汽油的发电量。虽然汽油能量密度高，但是气油发动机的油门线性复杂，调速程序繁琐，导致油动无人机的响应速度变慢。
二是燃油发动机直驱/变距方式在最佳输出功率下的行程很窄，需要变速箱改变齿轮配比才能适应不同的转速，这将导致油动无人机的尺寸增大，噪声和污染排放大，进而增加无人机的空机重量。
油电混合动力系统的定义
油电混合动力系统是指安装在有人机、无人机等飞行器上的一种双动力装置，它由电池或太阳能供电的电动机和燃油发动机两种动力装置组装在一起而构成一个新的动力系统，以改善飞行器的推力，大幅提高等效涵道比，提升气动效率，降低油耗，减小噪声和排放。
油电混合动力系统通常包括驱动系统、供电系统和储能系统三大子系统。其中，驱动系统是指电动机和燃油发动机，供电系统是指发电机、电池和太阳能电池，储能系统是电池、燃油和燃油箱。
油电混合动力系统的特点
油电混合动力系统成功有效地将电能和航空燃油（汽油，柴油）两种不同性质的能源同时提供给无人机使用，将电动机及其能源储存装置（电池）与燃油发动机及其能源储存装置（燃油和燃油箱）组合在一起，实现电动机和燃油发动机之间的良好匹配和优化控制，优势明显。油电混合动力无人机可充分发挥诸多优点，一方面，可以解决电动无人机载重和续航能力弱的困局；另一方面，电动机具有与尺寸无关的重要特性，即一个大功率电机系统分解为多个小功率电动机后，而整个系统的功率密度、效率和重量基本保持不变。
因此，油电混合动力无人机可采用分布式电动系统，利用多个小功率电动机，驱动多个较小直径的涵道风扇/螺旋桨，而不再驱动超大直径的涵道风扇/螺旋桨，有效提高推进系统的等效涵道比。小尺寸涵道风扇/螺旋桨可以更方便地安装于机翼、机身，有效提升油电混合动力无人机的气动效率，改善其飞行性能和能源消耗，其设计和布局可以更为灵活。
油电混合动力系统的优势
无人机电动和油动系统各有所长，而油电混合动力系统将两者的优势组合在一起，并充分发挥两者的优势。
第一，相比于电动或油动系统，油电混合动力系统采用先进的燃油发动机与发电机一体化动力技术，能充分发挥电动和油动系统的优势。无人机利用燃油发动机发电，获得了航空汽油的高能量，而无人机螺旋桨/旋翼系统由电动机驱动，使无人机具有电力驱动的反应敏捷、操控灵活、安全可靠、易维护等优点。燃油发电方式可长时间地为电动机供电，很完美地解决了电动无人机任务载荷重量小和续航时间短的短板，让无人机的应用前景更加宽广。相较电动无人机，油电混合动力无人机的任务载荷重量、续航时间和航程通常可提高约4~5倍。由此可见，油电混合动力技术是解决当前电动无人机“载重小、航时短”难题的最终手段。
第二，相比于氢燃料电池，油电混合动力能源的能量密度以及技术成熟度均高于氢燃料电池。因此，油电混合动力装置在无人机上的应用更加广泛。
油电混合动力技术已成为当前世界各国航空领域的前沿研究内容与热点，是一项可以实现未来航空领域节能减排目标的关键技术。。在下一代航空动力研究领域，美国国家航空航天局（NASA）提出了涡轮油电混合动力发动机概念，主要由电动涵道风扇推进系统（电动涵道风扇采用单组或者多组分布式并联方式）、涡轮发电系统与动力电池系统组合而成。
综上所述，无人机采用油电混合动力系统，不仅可以改善无人机的气动结构，大幅提升气动效率，降低油耗、噪声和废气排放，而且能实现大载重、长航时、一机多用等目标。
油电混合动力无人机的优势
油电混合动力无人机是一种拥有新型双动力装置的无人机，其动力系统由使用电池或太阳能供电的电动机和燃油发动机构成，可实现良好的起飞、爬升等飞行性能，具有任务载荷重量大、超长航时飞行等优点。
相比于以燃油发动机为动力的飞行器，油电混合动力飞行器除了具备环保优势外，还能大幅度降低运营成本和提高乘坐舒适性。美国混合动力飞机初创企业祖纳姆航空公司（Zunum Aero）的评估报告认为，油电混合动力飞行器的碳排放量仅是同类油动飞行器的20%。通过减小燃油消耗，油电混合动力飞行器能为航空公司降低40%～80%的运营成本。由于电动系统运行振动更小，飞行过程中的噪声可降低75%。除此以外，油电混合动力飞行器相当于有两套动力子系统，可以互为备份。在飞行过程中，其中一个子系统一旦出现问题，另一个子系统能够继续有效地运转工作，保证飞行器安全降落。
无人机在实际飞行中，其动力系统性能将影响无人机的任务载荷重量、续航时间、飞行高度、飞行速度和最大航程等性能及飞行状态。虽然电动无人机具有结构简单、节能环保、经济性好、使用方便等优点。但是，目前其任务载荷重量小、续航时间短等难题在短时间内很难解决，或者说任务载荷重量和续航时间的乘积低即载重续航积低。虽然以氢燃料电池为能源的电动系统方案可以解决续航时间短的问题，但是受限于其功率密度，任务载荷重量仍无法显着增加。
一方面，电动无人机动力系统的电动机和电池重量占比较大，能耗也非常大，动力不足是最大的问题，而目前的电池储能技术还无法使电动无人机在短期内摆脱这一困局，无法大幅提升电动无人机的载重和续航能力；另一方面，目前以燃油发动机为动力的无人机为了提升环保性，其发动机直径、涵道比呈不断增加的发展趋势，这给无人机设计带来了很大的挑战。
无人机采用油电混合动力系统，能解决或改善上述两方面的问题。
未来，无人机的发展、应用领域将逐渐扩大，而电动无人机受限于电池能量密度，其发展空间非常有限，尤其受山地、森林、岛礁等复杂地区高度和距离的影响，电动无人机无法满足长时间和搭载重载荷的飞行要求。
油电混合动力无人机能真正实现一机多用。油电混合动力无人机可以根据客户需求对油箱尺寸进行改装，只要燃油量足够多，无人机的续航时间就能增长。同时，无人机采用无线通信网络技术，具备了远程通信能力，其航程能超过100km，可承担大范围、长航时的空中监视、勘查、应急救援、森林消防等工作。不仅如此，在没有电力设施的受灾地区，汽油作为一种容易获得的燃料，可避免复杂的充电条件要求并节省宝贵的充电时间，特别是无人机应用于抢险救援，在灾难发生时及灾难发生后的救援过程中，争分夺秒、分秒必争具有重要意义。
面对高温、低温、大风、大雨等环境，油电混合动力无人机也能够游刃有余，其生存能力远大于电动无人机。
油电混合动力无人机的载荷能力大幅提升，可以搭载多种任务载荷执行应急救援、环境监测、边境巡逻、消防灭火等任务，从而真正实现一机多用。
油电混合动力系统的类型
无人机油电混合动力系统是把两种不同类型的动力装置整合在一起，构成一种可协同运作、功能互补的动力系统。按照组合方式，该系统可分为串联式、并联式、混联式和分离式四种类型。
串联式油电混合动力系统
串联式油电混合动力系统的结构和工作原理比较简单。直接在电动无人机上额外加装一台燃油发动机和一台发电机，组成一个新的发电机组，称为燃油发电机（组）。燃油发动机不与无人机的驱动执行装置联结在一起，即燃油发动机与旋翼系统之间没有减速传动的机械联结，其功能只是驱动无人机上新加装的发电机旋转，将机械能转化成电能，输出电力，既可以直接给无人机上的电动机供电，也可为电池充电。
采用串联式油电混合动力系统的无人机，其动力系统结构与电动无人机有较大差别。前者电动机的电力来源除电池外，还可以由发电机直接供电。但是，油电混合动力无人机和电动无人机螺旋桨/旋翼系统的驱动和工作模态没有差别，两者基本相同，即无人机螺旋桨/旋翼系统完全由电动机驱动并旋转，进而产生升力。
当油电混合动力无人机在空中飞行时，发电机全程为电动机提供动力电能，电池的作用是，在无人机螺旋桨/旋翼系统须要较大驱动功率时（如无人机起飞爬升和悬停阶段）提供额外功率。
当油电混合动力无人机处于稳定的巡航阶段时，无人机螺旋桨/旋翼系统须要的驱动功率比较小，电池的作用是蓄能，并吸收发电机输出的多余功率，从而起到功率调配的作用，使作为源动力的燃油发动机的工作始终处于最佳状态。
并联式油电混合动力系统
并联式油电混合动力系统结构的特点是，燃油发动机和电动机通过并联机械耦合装置（离合器）联结在驱动轴上。无人机螺旋桨/旋翼系统旋转采用两种驱动方式：发动机与电动机同时联合驱动，或者燃油发动机与电动机分别单独驱动。
电动机具有单独供电系统（电池或太阳能），燃油发动机既不为电动机供电，也不为电池供电。换言之，并联式油电混合动力系统同时拥有两套相互独立的动力装置，这两套动力装置既可以各自单独工作，也可以同时协同工作。
无人机并联式油电混合动力系统的工作模态与常规电动无人机动力系统的工作模态有所不同。
无人机在起飞、爬升和悬停阶段，即无人机的螺旋桨/旋翼系统须要较大驱动功率时，发动机与电动机同时联合工作，竭尽全力提供动力，驱动螺旋桨/旋翼系统旋转。
无人机在巡航和下降阶段，即无人机螺旋桨/旋翼系统只须要较小驱动功率时，燃油发动机关闭，仅电动机单独工作，为螺旋桨/旋翼系统旋转提供动力。
当无人机处于降落过程中的悬停阶段，即无人机螺旋桨/旋翼系统须要较大驱动功率时时，燃油发动机再次起动，与电动机一起工作，共同提供动力，驱动螺旋桨/旋翼系统旋转。
混联式油电混合动力系统
混联式油电混合动力系统结构的特点是，燃油发动机和电动机通过混联式机械耦合装置（星形齿轮）联结在螺旋桨/旋翼系统的驱动轴上。无人机螺旋桨/旋翼系统旋转采用两种驱动方式：发动机与电动机同时联合驱动，或者燃油发动机与电动机分别单独驱动。这种动力系统可以使燃油发动机带动发电机发电，给电池充电。混联式油电混合动力系统综合了串联式和并联式的优点，取消传动离合器，增加了星形减速齿轮。该系统的特点是，燃油发动机不仅可以与电动机联合工作，共同为无人机螺旋桨/旋翼系统的主减速器提供动力，而且它的一部分功率还可用来驱动发电机发电，为电池和电动机提供电力，使电池能在电动机处于较低输出功率时自动充满电。
混联式油电混合动力系统的工作模态与并联式类似。
无人机在起飞、爬升和悬停阶段，电动机和燃油发动机同时工作，共同提供动力，驱动螺旋桨/旋翼系统旋转，此时燃油发动机与发电机的联结断开，停止带动发电机发电。
图1 串联式油电混合动力系统结构示意图。
图2 并联式油电混合动力系统结构示意图。
图3 混联式油电混合动力系统结构示意图。
无人机在巡航和下降阶段，其飞行采用电动模式。电动机单独为螺旋桨/旋翼系统旋转提供所需的动力，此时燃油发动机并不关停，而是驱动发动机发电，部分电力供电动机驱动螺旋桨/旋翼系统旋转，部分多余电力供无人机机载电池充电。
当无人机处于降落过程中的悬停阶段，燃油发动机与发电机的联结再次断开，重新与电动机一起工作，共同提供动力，驱动螺旋桨/旋翼系统旋转。
分离式油电混合动力系统
分离式油电混合动力系统的结构和工作原理最简单。直接在电动无人机上额外加装一台或多台燃油发动机，以及两副主旋翼。燃油发动机提供动力，直接驱动两副主旋翼旋转，产生无人机飞行所需要的升力。机载电池给4台电动机提供电力，由电动机驱动与之相联的4个副旋翼旋转，产生控制无人机飞行方向和飞行姿态所需的拉力。
燃油发动机与电动机之间没有机械性硬联结（图4），因此两者各自独立运行工作。但是，它们之间有控制操作信号的软联结，机载飞行控制与导航系统（自动驾驶仪）实时向对方传输各自的工作状态信息，并使对方能够即刻做出实时响应，以保证无人机飞行具有良好的稳定性和可操控性。
图4 分离式油电混合动力系统结构示意图。
分离式油电混合动力系统的工作模态容易理解。该系统将提供升力及控制方向的旋翼分开，两副主旋翼尺寸比较大，由燃油发动机提供动力，确保为无人机安全飞行提供所需的、足够大的升力，以克服地球巨大的引力。控制飞行方向和飞行姿态的4个副旋翼尺寸比较小，由电动机提供动力，产生精确控制无人机平衡和平稳飞行所需的拉力。分离式油电混合动力系统将两种不同结构和工作原理迥异的动力系统集成于无人机，让它们充分发挥各自的特长，共同承担一项特别重大的任务。分离式油电混合动力系统具有功能分离的双重优势，使无人机结构简单，又能搭载较重的任务载荷。
串联式油电混合动力系统的优点是，动力控制系统比较简单，燃油发动机可较长时间（例如几小时）驱动发电机工作，保证了无人机上所有电动机完成较长时间工作所需的电力供应，从而提高了无人机的载重和续航能力。缺点是能量要经过发电机、控制器和电动机多级功率递减，整个动力机械效率比较低，经济性较差。另外，在串联式油电混合动力系统工作时，燃油发电机直接给电池及电动机供电，它与旋翼系统之间没有减速传动系统的机械性连接。只有高性能电池问世后，才能用高性能电池替换燃油发电机，油电混合动力无人机变成电动无人机。因此，可以把该系统视为一种过渡方案。不过，革命性电池产品（高能量密度充电电池）在短期内问世的可能性极低。
图5 美国贝塔公司“阿利亚”（Alia）电动垂直起降飞行器。
在并联式油电混合动力系统中，没有发电机，燃油发动机也不为电动机供电，电动机具有单独的供电系统（电池或太阳能）。整个系统工作方式较为灵活，缺点是电池须要人工拆下进行单独充电。并联式混合动力系统是在电动无人机上加装一套燃油动力设备，通过复合动力装置对电动机和燃油发动机输出的动力进行叠加，两种不同的动力装置是并联关系。并联式混合动力系统的结构比串联式复杂，优点是燃油发动机的动力可直接复合到动力输出上，用来驱动螺旋桨/旋翼系统旋转，产生向上或向前的推力。
从能量传输效率来看，混联式油电混合动力系统是最理想的混合动力装置，能充分发挥航空汽油能量密度高的特点，具有较高的燃油经济性，极大提高了无人机任务载荷重量、续航时间和航程。其主要缺点是，整个动力系统结构比较复杂，对无人机系统的控制运行精度要求较高。
不论是系统结构，还是工作原理，分离式油电混合动力系统的结构最简单。但是，它算不上是真正意义的油电混合动力系统。因为它的电动机并没有参与驱动主旋翼系统旋转而产生升力，只是对无人机飞行方向和姿态进行控制，真正驱动无人机两副主旋翼系统旋转并产生升力的动力完全来自燃油发动机。所以，大部分文献资料都不把它列入油电混合动力系统的分类。
综合对比以上4种无人机油电混合动力系统结构的特点和能量传递效率可知，混联式油电混合动力系统是最理想的混合动力装置。
实际上，这4种无人机油电混合动力系统的结构并不存在绝对的优势与劣势。选择不同的油电混合动力系统，应根据不同无人机的构型和量级进行计算和评估，包括总体参数选择的迭代方法，以确定最佳的油电混合动力系统方案。■
（未完待续）
