全球首架氢动力直升机首飞背后的工程技术

  联合治疗公司（United Therapeutics）旗下子公司 Unither Bioélectronique 在 2024 年 5 月举行的第 80 届垂直飞行学会（VFS）论坛上展示其氢动力直升机原型机时，项目副总裁米卡埃尔·卡迪纳尔（Mikaël Cardinal）曾表示，首次悬停“有望很快实现”。10个月后，3 月 27 日， Unither 基于罗宾逊 R44 改装的技术验证机终于克服重重技术挑战，在加拿大魁北克省布罗蒙市的罗兰-德苏尔迪机场成功实现首飞。

  3 月 27 日，Unither Bioélectronique 试飞员里克·韦伯在魁北克省布罗蒙市罗兰-德苏尔迪机场驾驶该公司的氢动力 R44 试验直升机进行悬停飞行。照片由彼得·克里格通过Press Record Media 提供

  联合治疗公司首席执行官玛蒂娜·罗斯布拉特（Martine Rothblatt）上周在加利福尼亚州长滩举行的 VFS 氢能航空研讨会上宣布了这一里程碑。飞行员里克·韦伯（Ric Webb）驾驶这架直升机进行了 3 分 16 秒的持续飞行，据 Unither 公司称，这是世界首次有人驾驶氢动力直升机飞行演示。

  罗宾逊直升机公司首席执行官戴维·史密斯（David Smith）在随公告发布的新闻稿中表示：“这一里程碑在航空史上的重要性无论怎样强调都不为过。”他将其描述为“在实现远距离、零排放垂直飞行道路上迈出的令人难以置信的第一步”。罗宾逊去年 8 月首次宣布与 Unither 公司就 Proticity 项目展开合作，支持氢动力直升机的开发。（查看此前报道：）

  这架技术验证机将传统 R44 搭载的莱康明 IO-540 活塞发动机替换为两套低温质子交换膜（PEM）燃料电池组、一套锂离子增压电池组以及 MagniX 电动机。改装后的原型机在尾梁下方安装了圆柱形储氢罐，并在机身两侧设置了两套吊舱式冷却系统。

  罗宾逊正在为其与 Unither Bioélectronique 公司合作的 Proticity 项目提供广泛的工程、技术和监管专业相关知识。Unither 是氢技术的集成商，并将进行认证测试。照片由彼得·克里格通过 Press Record Media 提供

  卡迪纳尔在接受我们采访时透露，冷却系统的开发是实现首飞的主要挑战之一。PEM 燃料电池产生的总能量中约半数以热能形式存在，而在悬停状态时，由于没有冲压气流的冷却，提取热量尤其具有挑战性。

  “我们耗费大量时间来寻找一种能够在悬停状态下从燃料电池堆中提取热量的系统，因为从热管理的角度来看，这确实是对冷却技术最严格的要求。”卡迪纳尔解释道。

  冷却解决方案不仅要有效，还要适合 R44 的有限空间。“在考虑燃料电池的散热要求时，常常要[大型]散热器。”他进一步指出，“因此，就小型直升机的可用空间而言，我认为这是最大的挑战。”

  卡迪纳尔表示，Unither 在首飞前还花了大量时间对其专用控制系统软件（被称为状态机算法）进行迭代。它可以精确控制燃料电池组和增压电池组之间的功率共享，它们并行向电动机提供动力。由于燃料电池组功率响应较慢，因此锂电池有助于满足瞬时功率需求，确保在大功率飞行状态下实现令人满意的性能。

  右起第七位是 Unither 公司的米卡埃尔·卡迪纳尔，他赞扬了团队的辛勤工作和奉献精神，以及罗宾逊直升机公司对首飞的支持。照片由彼得·克里格通过 Press Record Media 提供

  在 3 月 27 日的首飞中，这套系统的优势得到充分验证。卡迪纳尔透露，试飞消耗的 90% 能量来自氢燃料电池，锂电池成功应对了功率需求的瞬时波动，飞行结束后仍保持 80% 以上的电量状态。

  “氢混合动力系统表现很出色。两套燃料电池组功率输出很稳定，缓冲电池的性能也令人非常满意，例如，当试飞员进行一些重要的反扭矩脚蹬操作时。”卡迪纳尔说，“状态机算法精确平衡了功率需求，在非常特定的瞬态机制下能够及时调用增压电池组补充功率需求。”

  卡迪纳尔指出，状态机算法的另一个目的是在电动机或燃料电池组部分失效的情况下继续安全飞行和着陆，与传统的单发直升机相比，提供了更强的冗余性。

  “我认为这种架构有很多有趣之处，有可能实现类似双发直升机的[单发失效]功能。”卡迪纳尔说，虽然将该系统认证为更高的“Cat A”安全等级不是该项目的当前目标，但我们在工程设计阶段已为未来升级预留了空间。

  与此同时，Unither 团队还投入大量精力开发了专用显示系统，用于向飞行员实时反馈燃料电池、电池组及电动机的运作时的状态。在 R44 原型机上，该显示屏安装在 Garmin 主飞行显示器 (PFD) 下方，不过未来量产型号可能将其集成至现有航电系统中。

  Unither 开发的专用显示屏向飞行员显示有关氢动力系统状态的关键信息。Unither Bioélectronique 图片

  “我们自主开发了非常好的定制解决方案，在过去的12个月里，根据地面测试阶段的情况，对试验显示屏进行了几次迭代。”卡迪纳尔解释道，设计重点在于平衡向飞行员所显示信息的内容与时机，并且要有清晰的机组告警系统(CAS)，“以指引飞行员在遇到诸如丧失部分动力时采取正确处置措施”。

  Unither 公司使用气态氢为技术验证机的首次飞行提供动力，并计划使用气态氢进行更多试飞，来扩大飞行测试范围。今年晚些时候将切换至液态氢燃料系统，届时需更换储氢罐并加装小型预加热装置。

  改用液氢燃料后，在同等容积下可携带更多燃料，有望实现约 100 海里(185 公里)航程验证飞行。与此同时，该公司拟于明年第一季度开始在罗宾逊 R66 上集成升级后的氢动力系统，并计划为该机型向加拿大交通部申请补充型号证书 (STC)。

  卡迪纳尔表示，R66 设计将包含重大改进，外观与 R44 技术验证机“大不相同”。“当我们改进 R66 上的系统时，我们始终相信飞行距离能够达到 200 海里...... 这基于我们将采用的下一代燃料电池组，其所需冷却量更少，因此配套设备的重量也会减轻。”他解释道。

  他指出，Unither 在该项目中的角色是系统集成商，包括燃料电池、锂电池和电动机在内的部件都依赖外部供应商，但尚未确定量产型号的最终供应商名单。“现在有很多技术改进的机会，我们当然不会把鸡蛋放在同一个篮子里。因此，从商业供应链的角度来看，目前还没做出任何最终选择”。

  虽然卡迪纳尔承认首代氢动力 R66 的有效载荷可能低于传统 R66，但未来几年的技术进步有望缩小这一差距。“我们始终相信，未来会有更高效的氢存储技术，比如固态氢存储。还有高温质子交换膜燃料电池，目前也是业界正在开发的技术，这些技术有可能让我们达到与当前原始设备制造商（OEM）R66 相同的有效载荷水平”。

  “在此过程中，技术性能将经历多次阶跃式提升，我们正在开发的 STC 改装套件也会随之一直在升级。计划在这些技术获得航空认证资质时同步改进。”

  至于 Unither 预计何时能获得 STC，卡迪纳尔表示，在确定认证框架方面，与监督管理的机构还有很多工作要做。“与 OEM 的设计相比，我们今年正在努力确定能轻松实现同等甚至更高安全水平的技术。”他表示，“就时间表而言，现在还为时尚早，但我们大家都希望能在 2028 年左右接近这个目标。”