直升機綠色航空動力技術發展研究

劉道建，黃水林，馮維超

中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001

直升機由于其特有的垂直起降、懸停、前后、側向和低空/超低空高機動飛行，以及對機場等基礎設施要求低等特性，已廣泛應用于人類社會活動的多個環節，在執法、緊急醫療服務、基礎設施維護、滅火救災和搜索救援等方面將發揮越來越大的作用。近年來，無人直升機也得到快速發展。無人直升機由于去除了有人機飛行員生理和飛行環境限制，在農業植保、管線巡查、地質測繪、航空拍攝、物流和安防等任務繁重、環境惡劣的領域得到了廣泛應用。隨著我國經濟社會的發展，一方面要替換老舊直升機，另一方面各行業特別是商務飛行以及城市空中交通等領域對直升機的需求規模將進一步擴大，未來我國的直升機市場規模潛力巨大[1-2]。

在直升機需求規模擴大的同時，用戶對直升機經濟性、安全性、可靠性、舒適性和環保性等的要求也逐漸提高。雖然當前直升機溫室氣體排放只占人類活動溫室氣體排放的極小一部分，但在直升機使用率較高的地區，它是機場和城區當地噪聲和大氣污染的重要來源之一[3]，這使得人們對“傳統且吵鬧”的直升機的接受程度逐漸降低。此外，在全球氣候變暖的大背景下，為減少航空運輸業的碳排放，國際民用航空組織（IACO）于2016年制定了到2050年航空碳排放較2005年減少一半的控制目標[4]。同時，根據IACO的預測，如圖1 所示，基于傳統航空技術的進步，無法實現航空業可持續發展和碳中和目標[4-5]。為積極響應IACO的碳排放要求，同時出于對未來直升機飛行活動對環境可持續性影響的擔憂，世界各直升機強國正尋求碳排放更低和環境更友好的直升機技術。由于直升機可執行多種類型任務，運行一般無規劃，且支持其運行的基礎設施要比固定翼飛機簡單，因此要推動直升機行業的可持續發展，更快速、更顯著地實現碳中和目標，探尋與發展直升機綠色航空動力技術是最主要的技術途徑[6-7]。我國民用直升機產業起步較晚，基礎比較薄弱，航空動力的綠色創新發展將是我國直升機技術實現“換道超車”的重要機遇。

圖1 航空運輸業CO2減排目標路線圖[4]Fig.1 Roadmap of net CO2 emissions from aviation sector[4]

本文分析了直升機綠色航空動力技術的發展方向，重點從特性和飛行器性能方面對不同綠色動力進行了對比，并闡述了氫能垂直起降飛行器面臨的技術挑戰，為今后直升機綠色航空動力技術的發展提供一定的指導。

1 直升機綠色航空動力發展現狀

1.1 直升機動力朝可再生能源/電動化的方向發展

汽車行業為降低二氧化碳（CO2）和污染排放，已經開始轉向了混合動力和電動汽車時代，這為直升機動力的轉型發展指明了方向[8-9]。傳統直升機通常由渦軸或活塞發動機提供動力，發動機燃燒室內化石燃料的燃燒是CO2和有害排放的主要來源。當前，普遍認為要在2050年前實現航空業凈零碳排放，主要有三個綠色能源動力發展方向：可持續航空燃料（SAF）、氫能和電池[3,6,10]。本質上，如圖2 所示，能源生產朝著可再生化方向發展，即生物質、風、光等可再生能源，動力系統朝著電動化方向發展。相比于傳統能源形式，電動化消除了機械傳動、引氣和液壓系統，在降低設備重量的同時提高了二次能源和電能利用率。

圖2 直升機實現綠色航空動力的技術途徑Fig.2 New green power technologies for helicopter applications

SAF 仍屬于航空燃料，其能量密度與航空煤油相當，且可與煤油混合使用，因此適用于絕大部分現役航空發動機。目前，SAF已獲得認證并獲準用于航空業。2021年9月，賽峰集團成功完成了使用100%生物燃料運行的Makila2 發動機的地面測試項目，當前在役機隊中的所有賽峰發動機均已通過使用高達50%SAF運行的認證。如圖3所示，2022年6月，一架空客H225 直升機在其搭載的兩臺賽峰Makila2 發動機上使用了100%SAF并進行了首飛。相關測試也在其他型號直升機上進行，以期在2030 年之前完成100%SAF 應用的認證。相對于化石燃料，SAF 總體上可以降低80%的CO2排放[6]，但其他常規和非常規有害排放仍不可避免。

圖3 雙發使用100% SAF的空客H225直升機Fig.3 Airbus H225 helicopter with 100% SAF

電池的電力可由可再生光伏/風力發電產生，通過電網輸送，并以充電的方式存儲到機載電池中，純電池驅動直升機在飛行中不產生任何排放。當前，純電池動力電驅動主要應用于小型直升機，且已有多種型號進入演示驗證階段。如圖4 所示，法國Aquinea 公司對傳統直升機進行改型，研制出Volta 電動直升機，最大起飛重量為520kg，攜帶160kg鋰電池，續航時間達30min；美國Tier1 Engineering 公司推出羅賓遜R44 電動直升機，飛行時間可達30min，飛行距離最遠可達55km。當前電池過低的能量密度是制約其在直升機上大范圍應用的最大“瓶頸”。

圖4 電動直升機Fig.4 Electric helicopter

由可再生光伏/風力發電進行電解水制氫被視為最佳的可再生能源儲能方式。氫氣的能量密度約為120MJ/kg（33kWh/kg），是標準航空煤油的3 倍，是鋰電池的100 倍。氫來源豐富，作為航空能源，可以實現CO2和有害物零排放，且相對于常規電池，其在質量上具有更高的能量密度。燃料電池是一種將燃料化學能直接轉化為電能的化學裝置，沒有機械傳動環節，能源轉化效率高，使用壽命長，被譽為是繼水電、火電和核電之后的第4代發電技術[11]。目前，氫燃料電池航空應用還處于起步階段，特別是氫能載人飛行器還處于概念演示階段。氫燃料電池創新者HyPoint 和Piasecki 飛機公司于2021 年8 月宣布開發了世界上第一架氫動力載人直升機，外觀如圖5所示。據稱，該直升機利用HyPoint 現有的技術，開發了5 個650kW 的氫燃料電池系統，計劃在2025年進行首飛。

圖5 HyPoint和Piasecki合作開發的氫動力直升機外觀Fig.5 Appearance of hydrogen powered helicopter developed by HyPoint and Piasecki

1.2 混合動力電驅動是直升機的主要動力形式

直升機一般以機載的方式存儲能源，當前最先進的鋰電池的質量能量密度與航空煤油和氫氣分別相差40 倍和100倍，這是限制純電池動力系統應用于大型直升機的最主要因素。賽峰集團認為，續航時間超過30min 或航程超過100km 的純電池動力垂直起降平臺至少還需要20 年才能實現[12]。氫能無疑可以通過極高的能量密度大幅提高飛行器的續航能力，但當前氫燃料電池反應堆功率密度依然較低，且輸出電壓對功率變化較鋰電池更為敏感，其應用于直升機這種具有短時大功率需求的飛行器還面臨諸多挑戰。當前，應用于直升機的渦軸發動機熱效率只有30%左右，活塞式發動機的熱效率為30%～40%，部分負荷工況下效率會迅速降低，且發動機尺寸越小，效率越低[13]。電驅動的方式可將發動機與旋翼進行解耦，發動機驅動發電機發電，并與燃料電池和電池等裝置組成多種混合動力電驅動系統。動力系統根據飛行剖面對系統的工作方式做出優化管理，以適應直升機起飛/著陸與巡航飛行所需動力的巨大差異，同時使主動力裝置能夠運行在高效、低排放區，從而使油耗和有害排放降到更低的水平。在電池能量密度和燃料電池功率密度尚未滿足飛行器性能要求前，混合動力電驅動是從傳統發動機驅動到純電驅動的一種過渡方案。

當前，發展最快的是基于燃油發動機-電池組合的油/電混合動力系統。研究顯示，油/電混合動力系統可比傳統動力系統方式提高3%～12%的能源經濟性[14-15]。貝爾公司在貝爾429直升機的基礎上改裝了電驅動分布式反扭矩系統（EDAT），如圖6所示。該系統取消了復雜的機械傳動尾槳，改用分布式電驅動涵道尾槳平衡反扭矩。相比傳統尾槳，EDAT 的復雜性低、效率高，并且具有安全裕度。2018年7 月，賽峰集團進行了首次混合動力電驅動系統地面測試，該動力系統由燃氣渦輪發動機驅動發電機，并與一組電池相結合，可產生100kW 的電能。同年，美國新能源科技公司Workhorse 的SureFly 混合動力直升機完成首次試飛，可攜帶約180kg 載荷，續航時間達1h，續航里程達112km。貝爾公司在2019 年Uber Elevate 大會上首次展示了其Nexus空中出租車，最大起飛重量約為2700kg，最大飛行速度約為240km/h，首架飛行驗證機采用的是與賽峰集團合作開發的“渦軸發動機—發電機—分布式電動機”混合動力系統。受氫能產業鏈發展滯后和燃料電池技術成熟度不足的限制，基于氫燃料電池-電池組合的混合動力電驅動系統目前還處于理論研究階段，但已有大量基礎研究表明，將氫燃料電池和電池相結合能滿足直升機懸停所需的高功率密度和巡航的高能量密度需求，且性能優于二者單獨作為動力源的性能[16-18]。

圖6 貝爾帶有電動尾翼的改裝試驗版429直升機Fig.6 Bell EDAT 429 helicopter

1.3 構型創新是直升機綠色動力性能倍增器

采用電驅動是為了降低直升機發動機的排放和噪聲，傳動系統大幅度簡化，在能源效率和任務靈活性上也有很大提升。但電驅動并不能提升所有性能，當前實現難度最大的是將直升機的主旋翼改為電驅動方式，這是因為直升機飛行時功耗遠大于固定翼飛機，就目前電機的技術水平而言，即使當前最先進的發電機—電機動力系統，重量仍比傳統的發動機—齒輪動力系統重10%左右[19]，這對于需要使用主旋翼作為主升力面的直升機是極為不利的。電動技術的許多獨特特征催生了新的推進概念，其中最主要的是電機的“尺度無關”性[20]。由此帶來的好處是將集中的主旋翼形式根據需要轉變成分布式旋翼，充分利用動力系統與氣動布局的有利氣/動耦合，將推力放在需要平衡的位置，大幅提高氣動性能，進而大幅降低油耗和噪聲水平，同時操縱性、可靠性和安全性也得到全面提升[21]。

電驅動不僅給直升機帶來動力形式的變革，也帶來直升機總體和系統設計的重大轉變，歐美等國家的飛機及發動機制造商、初創企業、科研機構等均加大了對新構型垂直起降飛行器的相關研發力度。當前，典型的新型垂直起降飛行器構型可以分為升力分布式多旋翼、升力分布式多旋翼+推力螺旋槳、分布式傾轉多旋翼、傾轉機翼分布式多旋翼等幾類[22-23]。其中，升力分布式多旋翼構型在城市空中交通飛行器中采用較多，如我國億航（Ehang）公司的“億航184”和空中客車直升機公司的CityAirbus等。后三種構型結合了直升機和固定翼飛機的特點，飛行速度和續航能力均得到了極大提升。美國加州Kitty Hawk公司的Cora和波音公司的PAV 采用升力分布式多旋翼+推力螺旋槳構型。美國Joby 公司的S4 和貝爾公司的Nexus 空中出租車采用了分布式傾轉多旋翼構型。歐洲空客的Vahana 和美國國家航空航天局（NASA）的GL10 等采用了傾轉機翼分布式多旋翼構型。此外，美國極光公司的XV-24“雷擊”將分布式涵道風扇安裝在可傾轉機翼上，德國Lilium 公司的Lilium全電動噴氣式飛機將分布式涵道風扇安裝在機翼后緣的可傾轉襟翼上，兩者均用于產生推力和飛行控制。

2 直升機綠色航空動力對比分析

2.1 SAF、氫氣和電池特性對比

SAF、氫氣和電池都是能源的載體，其優缺點對比見表1。SAF能量密度高，但在品質和易使用方面遠不如電能，這是因為燃料高度不可逆的“非約束”燃燒過程會產生有效能損失，且完成做功后會將大量的剩余熱量和污染物排放到大氣中。氫燃料電池非燃燒過程從原理上控制了燃燒過程產生的有效能損失。近年來，鋰電池等高性能電池取得非常大的進步，但由于鈷、鋰和鎳等電池原材料的循環回收工藝還有待進一步成熟和商業化，在強大且完整的回收供應鏈建成之前，過度依賴電池系統可能會導致新的環境污染問題。相對于電池，氫燃料電池的主要優勢在于其具有更高的能量密度。目前進入市場的鋰離子單體電池的能量密度約為200～350W·h/kg，組合成電池堆的能量密度只有150～200W·h/kg。近年來，由于在材料和制造領域不斷取得進展，氫燃料電池的能量密度相比于21 世紀初已獲得了大幅提升（達到1700W·h/kg），考慮到儲氫罐的重量及燃料電池堆的重量和效率，燃料電池的能量密度仍可達到500W·h/kg 以上，明顯高于電池的能量密度[24-25]。

表1 三種綠色能源動力的優缺點比較Table 1 Comparison between SAF， hydrogen and battery

中短期內以SAF 為代表的全生命周期低碳/凈零碳方案對航空業的可持續發展具有重要的現實意義，但制約SAF大規模應用的主要挑戰是其產能和成本問題。SAF的主要生產原料“生物質或廢品”有限，無法通過大規模投資改觀，這與建設可再生發電廠和制氫廠迅速提升產能不同。目前，SAF 成本約為航空煤油的2.5～8 倍，產量僅占全球商用航空煤油的0.1%[26]。預計到2040 年只能提供全球航空所需SAF 的20%，剩余缺口只能從大氣或工業煙氣中收集碳與氫氣合成，不僅效率低，而且與直接制氫相比，要多花費約45%的電能和20%的氫氣。而隨著“綠氫”的規?；a和儲運，預計到2050年使用成本將基本上與傳統化石燃料持平[27]。氫被標榜為21世紀最理想的能源，被多個國家提升至國家戰略高度，發布或正在制定相關國家氫能戰略，并在不同的戰略指導下形成了差異化的氫能發展路線[28]。我國進入“十三五”之后對氫能的應用研究也進入了“快車道”，加速了氫能源布局?；谖覈馁Y源稟賦、技術優勢、現有能源結構和社會輿論的特點，預計到2050年，氫能在我國能源體系中的占比約為10%，氫能產業鏈中制氫、儲運、加氫站、氫燃料電池應用等各個環節將會獲得大幅發展，并能夠滿足商業化需求。

2.2 氫燃料電池和電池動力飛行器性能對比

飛行器續航性能取決于飛行器上可用能量、飛行器總重量以及空氣動力學性能。經典燃油發動機動力飛行器重量在飛行過程中逐漸降低，而對于氫燃料電池動力飛行器，由于氫氣能量密度高，且在現有儲氫技術條件下，與同等級別純電池動力飛行器相比，飛行所需氫氣的質量相對于飛行器總質量可忽略不計，能源系統的質量主要由儲氫罐及相應的閥和管路構成[29]。因此，類似于電池動力飛行器，可以認為氫燃料電池動力飛行器重量在飛行過程中近似保持不變，其續航時間取決于所儲存的氫氣的量，即

巡航速度為vc，則續航里程為

式中，ηFC為燃料電池能量轉化效率；mH2為飛行器儲存氫氣的質量；LHVH2為氫氣低熱值；PFC為燃料電池動力系統輸出功率。

氫氣的質量與儲氫系統質量mtank和氫質量系數wH2有關。為方便比較，將能源系統的能量密度統一用E*表示，動力傳遞效率統一用η表示，其中

基于飛行器懸停和巡航所需功率計算公式[30]，氫能飛行器懸停時間和巡航里程分別為

式中，m為飛行器總質量；σ為槳盤載荷；L/D為升阻比。對應電池動力懸停時間和巡航里程分別為[22]

從式（4）～式（7）中可以看出，在能源系統重量占比相同條件下，氫燃料電池動力系統對續航能力的提升主要來自能源系統能量密度的提高。不同氫氣質量分數下儲氫系統能量密度如圖7 所示，儲氫系統wH2達到2%就可以獲得優于電池的能量密度。在當前儲氫罐的技術條件下，能源系統的能量密度約為電池的4倍。此時若考慮燃料電池堆在內，氫燃料電池堆的質量取決于其自身的功率密度，但能源系統的能量密度遠遠高于電池，包括燃料電池堆在內的能源動力系統的能量密度仍具有優于電池動力系統的潛力。

圖7 不同氫氣質量分數下儲氫系統能量密度Fig.7 Energy density of hydrogen storage system with different hydrogen mass fraction

基于現有儲氫系統和電池技術水平，取電池能量密度為261W·h/kg，儲氫系統的wH2為6%，并假設槳盤載荷σ=40N/m2，巡航升阻比L/D=4，在不同氫氣質量分數和能源系統重量占比條件下電池和氫燃料電池動力系統飛行器懸停時間和巡航里程分別如圖8（a）和圖8（b）所示?？梢钥闯?，在當前電池能量密度水平下，儲氫系統氫質量分數wH2達到2%就可以獲得優于電池動力的懸停時間和巡航里程，且wH2越大，隨能源系統重量占比增大，續航性能提升效果越好。在當前III型和IV型高壓儲氫罐均已獲得近6%的氫質量占比，可獲得電池動力飛行器近4倍的續航能力。因此，未來氫能飛行器更適合于對航時要求高、對載重要求低的飛行任務，而在高載重任務中，氫能航時優勢并不明顯。另外，在未來的氫能飛行器總體設計中，為執行更長航時的飛行任務，應當盡可能增加氫能系統在起飛重量中的占比。

圖8 電池和氫燃料電池飛行器懸停時間和巡航里程對比Fig.8 Hovering endurance and cruise range of rotorcraft powered by battery and hydrogen fuel cell

當前多個公開報道的氫燃料電池無人機飛行試驗也充分說明了氫燃料電池相比電池具有更好的續航能力。2015年，美國EnergyOr公司開發了第一架氫燃料電池多旋翼垂直起降（VTOL）飛行器，起飛總重為9.5kg，有效載荷為1kg，飛行持續了2h，比使用電池作為動力的飛行時間延長了2～3 倍。2022 年3 月，航空工業直升機所將所研制的20kg 級變距多旋翼無人機AR-20鋰電池換裝為氫燃料電池后，續航能力由原來的1h提升至3h。

2.3 氫能垂直起降飛行器面臨的技術挑戰

氫是未來最重要的可再生能源載體，氫燃料電池是氫能最直接、最高效的使用方式，在可預見的未來，其相對于SAF 和電池均具有明顯的優勢。然而，氫燃料電池應用于垂直起降飛行器相對較晚，當前技術的發展程度尚不能支撐氫能直升機投入現役，未來要開辟出有規模的市場還需克服以下難題。

（1）氫燃料電池功率密度問題。從圖9可以看出，氫燃料電池更適合重量功率比高的飛行器，重量功率比越高的氫燃料電池動力飛行器，飛行所需功率越低，氫反應堆的重量占起飛重量的比例就越低，可攜帶的氫氣容量就越大。當前，氫燃料電池功率密度依然較低，過高的峰值功率必然會導致反應堆重量大幅提高，從而會嚴重限制氫氣存儲重量。相比鋰電池，氫燃料電池內阻高，單個反應單元在無電流靜態電壓為1V時，隨著電流增大，電壓會逐步降低，在設計最大功率時電壓會降到0.6V，如果電流繼續提高，電壓將迅速下降[31]。因此，對于功率需求較高的飛行器，提高氫燃料電池功率密度是實現氫燃料電池應用的關鍵。

（2）氫燃料電池環境適應性問題?？諝庵辛蚧锖枯^高的環境、鹽霧環境和沙塵暴嚴重的沙塵環境可能會導致反應堆內化學成分或微觀結構損壞。相比之下，鋰電池由于與外界不存在氣體交換，在相應環境下均可以正常工作。同時，由于反應堆必須在40～60°C環境下工作，當前設計應用海拔高于3500m 時發電能力會降至85%，高度繼續上升，發電能力會迅速下降。因此，未來氫燃料電池航空應用需要在保持其較高能量轉化效率的前提下開發相應環境下的保護措施。

（3）機載儲氫問題。氫燃料電池可以解決續航的老問題，卻帶來了能源存儲的新問題。儲氫系統通常采用大尺寸的高壓氣瓶。據統計可知，相對于氫氣瓶重量增加，氣瓶容積增加更快。若使用現成的飛行器直接改裝氫能動力，則可能不僅要消耗較大的結構重量來固定氫氣瓶，過于緊湊的空間也無法安裝較大的氫氣瓶。因此，在設計階段就應該重點考慮儲氫系統設計，在未來的飛行器設計中應考慮液態和固態儲氫技術，甚至可以將氫氣瓶作為機體承力結構的一部分[32]。

3 結論與展望

為實現航空業可持續發展和碳中和目標，直升機綠色航空動力正朝著能源可再生化和動力系統電動化的方向發展。中短期內可持續航空燃料適用于傳統構型或混合動力直升機。由于受能量密度限制，電池適用于城市內短距離空中交通。依據氫燃料高能量密度和電池高功率密度的特點，氫燃料電池—電池混合動力適用于城市間空中交通或具有高速、長航時需求的直升機。氫是未來最重要的可再生能源載體，但未來氫能應用于直升機，還需解決燃料電池功率密度、環境適應以及機載儲氫問題，須依托跨專業、跨領域的企業和科研機構協同來完成。

結合目前直升機綠色航空動力的發展現狀和不同動力的對比結果，總結直升機綠色航空動力的未來發展趨勢及相關關鍵技術如下：

（1）SAF可直接替換傳統航空燃料，中短期內適用于傳統構型或混合動力直升機。當前仍需要解決SAF 燃料組成及其理化特性與發動機的匹配問題，同時提升煉制工藝水平，降低生產成本。

（2）未來城市內的短途空中交通，電池是最適合的航空動力，而城市間空中交通或具有高速、長航時需求的直升機，氫燃料電池—電池混合動力是最適合的動力。提高電池能量密度、電機及控制器功率密度以及能量管理水平是直升機電動化的關鍵。

（3）氫能在未來能源體系中的占比有望超過10%，成本也越來越具競爭力，實現其應用的關鍵是提高氫燃料電池功率密度和環境適應性及解決氫機載存儲的問題。

（4）分布式電驅動是未來直升機綠色動力裝置的主要應用形式，但增加了氣動設計和飛行控制的復雜性，需要結合氣動、推進、結構及控制等多學科進行一體化設計。