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　　沈阳航空航天大学一直致力于新能源电动飞机的研制,某型双座轻型电动飞机于2012年6月立项研制,该型电动飞机采用一台40 kW稀土永磁同步直流电机作为动力装置,全复合材料机体和板簧起落架结构。巡航升阻比24.1,起飞总重500 kg,最大飞行速度160 km/h,巡航速度110 km/h。该型电动飞机具有零排放、低噪声、运行成本低、使用维护方便等特点。参照中国民航CCAR-21部和美国ASTM标准,完成了电动飞机型号设计批准书TDA和生产许可PC取证。

　　电动飞机是以电机带动螺旋桨、涵道风扇或其他装置产生前进动力的飞机,电机的电源来自电池、燃料电池、太阳能电池、超级电容或功率束。

　　电动飞机从绿色环保、高效节能的理念出发,极大地提高了飞机的环保性和舒适性,为绿色航空提供一条光明的技术途径,是绿色航空未来的发展方向。近年来,在全球范围内兴起了电动飞机技术研发热潮。据Roland Berger咨询公司统计,截至2019年10月,全球约有240个在研的电动飞机项目。该公司对2017年研发的70类电动飞机项目进行了统计,统计结果表明：欧洲的项目占45%,美国的项目占40%,其他国家占15%。2019年6月巴黎航空展上,以色列初创企业全电动飞机“Alice”备受关注。该飞机一次可承载9人,充电一次最多可飞行1 000 km左右,并获得美国马萨诸塞州一家航空公司订单。空客、波音、达索、GE航空和联合技术公司等航空制造商发布联合声明,将电推进技术列为航空业“第三时代”的重要标志,承诺将加大电动飞机技术研发力度、推动航空业绿色发展。

　　在国内,沈阳航空航天大学从2010年开始开展新能源电动飞机的研制工作。同时,国内一些学者也做了大量的研究工作。项松等设计了某型电动飞机的固定桨距螺旋桨,并进行了电动飞机螺旋桨的地面试验和风洞试验。试验结果表明：螺旋桨效率达86.76%,达到设计要求。刘福佳等针对电动飞机在飞行过程中质量保持不变的特点,提出了适用于电动轻型飞机的按任务剖面、按商载和航程估算起飞总质量的方法,并对任务剖面法解的存在性和收敛性进行了分析。王书礼和马少华据某型电动飞机的飞行剖面,建立了电机的系统损耗的热阻网络模型,对电机IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)模块的温度进行计算,根据计算结果对电机的散热结构进行了改进。地面台架样机试验结果表明：改进的风冷散热器能够满足电动飞机电机的散热需求,且重量降低5%。顾超等对某型电动飞机的载荷传递进行了理论分析,建立了飞机结构数学模型,并进行了强度计算,最终形成了一套适合轻型电动飞机的结构快速试验验证方法。康桂文和胡雨结合某型超轻型电动飞机的设计参数,提出了超轻型电动飞机的电动力系统参数匹配的方法。进行了地面试验和测试,结果表明：该参数匹配和性能验证方法具有实际应用价值。李玉峰和宁昭义针对载人电动飞机电推进系统的可靠性评估问题,以电推进系统模型为基础,提出了GO(Goal-Oriented method)法与状态概率矩阵算法结合的运算方法对系统进行可靠性建模与仿真计算。赵为平和项松根据某型电动飞机设计要求,对电动飞机系统可靠性分配问题进行了研究,在分析成本函数和广义成本函数特点的基础上,重新构建了能够较好描述电动飞机分系统成本特性的成本函数。以整机可靠性作为优化的约束条件,结合遗传算法优化得到了电动飞机可靠性分配结果和整机的成本指数。

　　Xiang等提出一种改进的电动飞机螺旋桨设计方法,根据某型电动飞机在巡航状态的飞行速度和推力等设计要求,设计出螺旋桨,进行缩比模型风洞试验验证了该设计方法的准确性。项松等采用片条理论对某型电动飞机螺旋桨的气动性能进行计算,并与风洞试验结果进行对比,证明了片条理论具有高精度性。Romeo等设计,制造和测量了氢燃料飞机的螺旋桨,考虑到飞机电动机和燃料电池的降温问题,通过数值分析和程序设计对螺旋桨进行了优化设计,而且将安装螺旋桨后的飞机进行了特定测试,验证了推进系统和冷却系统的效率。Romeo和Frulla设计了一种高空长航时的无人太阳能飞行器,白天吸收太阳能源来飞行和储存到电池内,开发了飞行程序,对飞行平台进行了参数化研究,使用计算流体力学软件分析了几个剖面和机翼平面图,进行风洞试验,分析了飞行器的飞行性能。Romeo和Borello开发和验证基于燃料电池的动力系统用于电动飞机的推进,通过提供20 kW的最大连续功率的电池组来对飞机在爬升和下降情况下的参数分析,以及评估其他关键技术对新能源飞机的影响。Chen PW和Chen KJ分析了某型轻型飞机的整体碰撞性能,利用有限元法对碳纤维机身进行了动态冲击数值模拟,得到复合材料座舱的安全碰撞区域比铝合金座舱大160%。Azadeh等提出了一种在视觉飞行规则下运行的轻型飞机的路线个空间维度上找到最小持续时间,无碰撞的路线,制定了混合整数线性模型,引入了两阶段路线优化模型和通过实验来计算效率。Frosina等开发出一种简易模型来评估混合动力推进系统的轻型飞机的性能,采用的方法结合了0D/1D仿真,在飞行任务中节省多达20%的燃料。Carlo等提出了通用航空类电动飞机初始重量分级技术,基于多种常规飞机典型程序,整合在一个共同的框架中,将设计方法应用到串联混合动力推进系统中。Lee等研究了基于GPS(Global Position System)的轻型飞机在着陆模式下的导航、制导和飞行控制的设计问题,设计了具有结构不确定性飞机参数的鲁棒控制自动驾驶仪。李亚东等对采用辛卜生积分和龙格-库塔求微分方程的计算方法和飞行试验,分析了某电动飞机起飞爬升性能,并满足了适航条特点。刘福佳等给出了电推进系统选型与参数匹配的设计过程,提出了一套电推进系统选型与参数匹配的方法。

　　沈阳航空航天大学一直致力于新能源电动飞机研制,某型双座轻型电动飞机于2012年6月立项研制,反复进行各系统试验和飞行试飞。飞行试验数据显示,该型号电动飞机满足适航条款要求、达到飞行安全指标。

　　研制任务为设计、制造一款满足飞机设计技术要求的双座电动轻型飞机,并通过对飞机地面和试飞试验,全面符合适航认证基础相关条款要求,最终取得飞机型号设计批准书(TDA)。电动飞机用于昼间、简单气象条件,目视飞行,主要用于教练和娱乐飞行,同时具有自升式滑翔飞行能力。根据ASTM F2245《轻型运动飞机设计与性能规范》要求,此型号电动飞机应满足的机动飞行能力包括：① 正常飞行的机动；② 缓8字,急上升转弯；③ 坡度不大于60°的急转弯；④ 失速和尾旋(如果对该型号批准尾旋)。

　　电动飞机的主要飞行性能包括最大平飞速度、最大飞行高度、最大使用过载等,具体性能指标如表1所示。

　　飞机为大展弦比上单翼、T形尾翼、前三点固定式起落架、前置螺旋桨、并且双座两侧开门的布局形式。动力装置为一台无刷永磁电机,用电机调速,动力源为锂聚合物电池；机体结构为用高性能碳纤维复合材料；仪表采用机械式飞行仪表与动力综合显示仪表；操纵系统采用推拉钢索形式。由于受动力装置现状限制,按照ASTM F2245《轻型运动飞机设计与性能规范》的要求,飞机最大起飞重量不得超过500 kg。电动飞机总体设计参数表如表2所示。

　　电动飞机采用全复合材料结构,结构材料以碳纤维和玻璃纤维为主。机体结构主要包括机身、机翼、尾翼、起落架等四大部分。电动飞机三视图和总体布置图如图1和图2所示。

　　飞机座舱内有并列双套联动中央驾驶杆和脚蹬；前方为仪表板见图3；两座椅之间的中央操纵台上有油门杆、刹车手柄；风挡框架左侧有灭火瓶；座椅靠背角为26°,座舱布置图见图4。

　　电动飞机采用以碳纤维和玻璃纤维为主的全复合材料结构,包括机身、机翼、尾翼、起落架,飞机结构图见图5。其中机身主要包括电推进装置舱、防火墙、座舱、电池舱、隔框、垂直安定面等,机身结构构架见图6；机翼采用大展弦比双段翼形状,结构由主翼、副翼、扰流板三部分组成,主翼结构包括机翼蒙皮、翼梁、后墙、根肋、普通肋等,机翼结构布置见图7；尾翼结构尾包括水平安定面、升降舵和方向舵；起落架由前起落架和主起落架两个部分组成,前起落架采用弹簧减振形式,具有地面滑行转向功能,与方向舵联动,主起落架采用板簧减振形式,地面滑行时具有刹车功能。

　　电动飞机动力系统包括：电动机、、动力系统综合显示仪表；螺旋桨；电池组、电源管理系统(BMS)。研制了基于新型稀土永磁电机和高效电池的实用飞机电推进系统,形成了电机驱动系统、动力电池、螺旋桨的高效集成技术。动力系统组成见图8所示。

　　采用轻量化风冷永磁同步电动机见图9,具有极高的连续转矩密度及较高的效率,可用于直接驱动螺旋桨。在转速为2 000 r/min左右其持续功率可达30 kW,效率为93%,而其重量16.6 kg。

　　发动机安装架为焊接结构,发动机安装架与机身一框、发动机、电调间均采用螺栓连接,主要起到固定发动机和电调的作用。其结构如图10所示。

　　飞机锂电池经动力组与总体组协调,确定电池组总能量需求为8.8 kW·h,电池组额定工作电压为355 V。采用25 A·h的电。