混合动力系统仍将是城市空中交通飞行器的首选？

近日，由国际直升机协会（HAI）主办的2019年美国直升机展览（Heli-Expo 2019）在美国亚特兰大开幕。

近年的直升机展上，城市空中交通（UAM）领域的垂直起降飞行器（VTOL）得到越来越多的关注，而与前几年该领域的参与者大部分是初创公司不同，现在越来越多的传统航空制造商正进军这个领域。除空客、贝尔等航空整机制造商推出整体解决方案以外，一些传统的航空供应商也推出相应的配套产品，以支持此类飞行器的研发。

霍尼韦尔公司就在今年的美国直升机展上发布了一款基于涡轴发动机的混合动力装置。该装置由HTS900 发动机驱动两台高功率密度的发电机，每台发电机功率达200kW。

霍尼韦尔基于HTS900发动机的混合动力系统。

霍尼韦尔表示，采用了电池的混合动力装置将比传统的HTS900发动机减少30％~50％的碳排放，十分有利于VTOL飞行器在城市上空的飞行。除HTS900以外，相同的发电机也可以用于霍尼韦尔其他涡轴发动机产品。

据介绍，XTI公司的TriFan 600是首款选用这型混合动力装置并投入使用的飞行器。

XTI公司的TriFan 600飞行器。

行业有力竞争者

除霍尼韦尔公司以外，其他公司也在这个领域进行投入。

贝尔公司在今年发布了eVTOL飞行器Nexus，该机采用了赛峰开发的混合动力系统（HEPS），装有6个倾转式涵道风扇，功率可达600kW，其涡轮发动机和电池系统安装在后机身上部，为飞机提供混合动力。

贝尔公司Nexus飞行器及采用的赛峰的混合动力系统。

在2018年年中，赛峰开始测试100kW级的混合动力分布式推进系统，最近还公布了500kW级的电动机；并提供了一款基于改进型“阿蒂丹”3（Ardiden 3）涡轴发动机的混合动力系统，为Zunum公司的12座ZA10混合动力飞机提供动力。

赛峰的100kW级混合动力系统在进行地面测试。

在2018年英国范堡罗航展上，罗罗公司推出一种电动垂直起降（eVTOL）飞机，并为其配备基于M250发动机的混合动力系统。该飞行器将利用M250涡轴发动机带动发电机，为6个电动机供动力，并为电池充电。基于M250的混合动力系统功率从500kW到1MW不等，具备有串联混动、并联混动和混联混动三种形式。这三种形式的混合动力系统都已于今年3月份成功通过地面测试，将为2021年上天试飞奠定基础。

罗罗开发的VTOL飞行器，采用基于M250发动机的混合动力系统 。

在当初还没有被波音收购时，极光飞行科学公司应DARPA的需求开发了一款名为XV-24A飞行器。XV-24A虽然也属于VTOL飞行器，但比一般城市空中交通领域出现的型号要大许多，例如贝尔的Nexus最大起飞重量约2.7t，但XV-24A的最大起飞重量可达5.5t。XV-24也采用混合动力系统，用罗罗AE1107涡轴发机来驱动3台霍尼韦尔的1MW级发电机，输出总功率可达3MW，用来驱动24台电动涵道风扇。然而，在完成缩比模型飞行试验后，XV-24A项目最终被DARPA取消。虽然极光公司打算将该机推向民用市场，但前景并不明朗。

采用分布式电动推进系统XV-24。

混合动力在尺寸更大的飞行器上的应用也在推进。

空客、罗罗和西门子联合开发了E-Fan X电动飞机，该机由一架Bae146支线客机改装而来，项目目标是测试一种功率达2MW的串联式混合动力推进系统。在这架BAe146的机身上，其中一台发动机被换成了由2MW电动机驱动的风扇。在飞机巡航飞行时，电动机的电力主要由安装在机身内的罗罗AE2100涡轴发动机驱动的一台2.5MW的发电机提供；在起降等需要加大动力的场合，由电池提供额外2MW的电力。

空客E-Fan X验证机方案。

锂电池仍需进一步努力

相比于纯电动飞行器，发展混合动力飞行器显然更为现实一些，特别是在现在锂电池技术还需要进一步提高的背景下。目前，锂电池可以为eVTOL的原型机的试飞提供足够的动力，但是要使其达到商业应用还需要进一步发展。锂电池能量密度仍在限制其在飞行器上的应用。

锂电池能量密度发展趋势。

锂电池技术的发展目标是能量密度达400Wh/kg，这就可以满足很多飞机的需求，而目前很多应用已经接近这个数字。UBER投资的eVTOL飞行器计划采用能量密度为350Wh/kg的锂电池，空客的Vahana采用的锂电池能量密度达到300Wh/kg以上。然而，要实现更高的能量密度，预计需要新的化学介质，目前技术发展还在止步不前。此外，电池重量过大也阻碍了更大型纯电动飞行器的实用化进程。

对此，一些航空发动机公司的态度不一。罗罗公司态度较为乐观，认为如果从需求角度来看，全电驱动的小型eVTOL飞行器还是比较容易实现的。加普惠公司谨慎一些，认为电池技术发展不会有那么快，但也表示全电驱动的垂直起降飞行器必将成为城市生活的一部分。赛峰集团相对较为悲观，认为未来20年内，能支持电动垂直起降飞行超过30分钟、载荷超过100 kg的全电动飞行器还无法出现，并认为，在未来相当长一段时间内，这类飞行器可能还需要依赖于混合动力系统。

文章来源：国际航空