从仿真到试飞：复合翼无人机油电增程式混合动力系统的三级验证体系与性能评估

 

摘要：复合翼无人机融合了多旋翼垂直起降与固定翼高效巡航的双重优势，在电力巡检、广域遥感、物流配送等领域展现出广阔的应用前景。然而，垂直起降与悬停阶段的高功率需求与巡航阶段的稳态能量供给之间的矛盾，导致当前纯电及传统混合动力方案难以同时满足多点悬停作业与长航时飞行的双重任务需求。本文提出一种油电增程式混合动力系统设计方案，采用内燃机–发电机直连架构与电池组并联供电的增程模式，实现悬停阶段的高功率补偿与巡航阶段的能量回馈。基于电池电压反馈设计自动油门控制策略，通过实时监测电池端电压并动态调节内燃机油门开度，将电池荷电状态稳定在95%的预设值。依据基尔霍夫定律和机械平衡原理构建系统数学模型，分析能量转换、存储与分配的耦合机制。仿真结果表明，巡航阶段系统可有效利用增程器的冗余功率为电池充电，电池荷电状态逐步回升并稳定在预设阈值，验证了控制策略对动态功率需求的适配能力。地面台架试验与200km样机试飞进一步证实，该方案可有效协调悬停高能耗与巡航充电补偿的需求，累计悬停20min后电池荷电状态在巡航阶段稳定回升至95%，系统能量管理具有良好的可靠性和工程实用性，为复合翼无人机的长航时多点作业提供了可行的技术方案。

关键词：复合翼无人机；油电增程式混合动力；自动油门控制；能量管理；悬停与巡航

 

引言

1.1 复合翼无人机的应用价值与技术瓶颈

在全球航空业加速向低碳、智能化转型的背景下，低空经济已被确立为战略性新兴产业。复合翼无人机因其融合多旋翼垂直起降与固定翼高效巡航的双重技术优势，在电力巡检、广域遥感、物流配送、灾害勘察等专业领域展现出不可替代的价值。这类飞行器既无需专用跑道即可实现垂直起降和悬停作业，又能在巡航阶段凭借固定翼气动构型实现长航时飞行，兼顾了作业灵活性与续航效率。

然而，垂直起降与水平巡航两种飞行模式对动力系统的能量特性提出了截然不同的要求。垂直起降与悬停阶段需输出大功率以克服重力，驱动四组乃至更多旋翼电机高速运转，典型功率负载约为3.9kW；巡航阶段则切换为前拉螺旋桨驱动模式，依托机翼升力飞行，功率需求降至约1.5kW。这种瞬态高功率需求与稳态巡航需求之间的矛盾，导致单一动力源难以同时兼顾两种工况——若按悬停峰值功率配置动力系统，巡航阶段将产生大量冗余功率，造成能量浪费与系统质量增加；若按巡航功率配置，则无法满足垂直起降的瞬时功率需求。这种动力匹配的矛盾已成为制约复合翼无人机广泛应用的核心技术瓶颈。

 

1.2 现有动力方案的局限与混合动力的必要性

当前，复合翼无人机主要采用纯电驱动或油电分体式方案。纯电复合翼无人机依赖锂电池储能系统，其能量密度天花板约为250‒300 Wh/kg，而航空燃油的能量密度超过12 000 Wh/kg，两者之间存在数量级的差距。这一根本性限制使得纯电方案难以满足大范围、长周期作业需求。油电分体式复合翼无人机虽能通过燃油动力延长巡航时间，但仅能支撑单次短时间垂直起降作业，在需要执行多点悬停任务时，能量管理与动力切换面临严峻挑战。

在此背景下，混合动力系统通过多能量源协同工作，成为平衡续航能力与动力响应效率的核心技术方向。在混合电推进系统的基本架构中，按照发动机是否直接提供推进功率以及是否配备储能装置，通常分为串联式、并联式和混联式三种构型。串联式架构中，发动机不直接驱动推进器，其唯一功能是驱动发电机发电，电能与储能电池输出的电能共同汇入直流母线，再经由电动机转化为推进力。发动机可完全独立于飞行需求持续运行在最佳工况区间，燃油经济性提升潜力巨大。串联构型经能量转换链较长（化学能→机械能→电能→机械能），每次转换均有效率损失。并联式架构中，发动机和电动机通过离合器、齿轮等机械装置耦合，可单独或共同驱动推进轴，能量转换环节少、效率高，但发动机与电动机的机械耦合使飞行器布局受限，控制策略也更为复杂。

传统混合动力系统多针对固定翼或多旋翼单一构型设计，难以适配复合翼悬停与巡航的双特性需求。固定翼混合动力系统侧重巡航阶段的高效推进，其能量分配逻辑未充分考虑悬停时的瞬时高功率需求；多旋翼混合动力系统虽能应对悬停负载，却难以满足长航时要求，在巡航阶段存在显著的功率浪费。因此，亟需面向复合翼无人机的双模飞行特性，开展专用混合动力架构与能量管理策略的系统性研究。

1.3 本文工作与主要创新点

针对现有复合翼无人机无法同时满足多点悬停与长航时双重任务需求的工程瓶颈，本文提出一种油电增程式混合动力系统的设计方法。主要创新点与工作内容如下：

第一，架构创新方面，采用内燃机–发电机直连架构，消除传统变速机构带来的能量损耗，整流器输出端与电池组并联构成双电源供电模式。针对悬停与巡航阶段不同的功率需求特征，通过动态调整电池充放电策略实现能量的高效分配，悬停阶段增程器与电池协同供电满足瞬时高功率需求，巡航阶段利用增程器冗余功率为电池补能，形成“高能耗放电—冗余功率充电”的能量闭环。

第二，控制策略方面，设计基于电池电压反馈的内燃机自动油门控制机制，通过比例‑积分控制器实现发电功率与负载需求的动态匹配，将电池荷电状态稳定在预设安全范围内，有效避免电池过充或过放。

第三，系统建模与分析方面，依据基尔霍夫电压定律、电流定律及机械平衡原理，构建油电增程式混合动力系统的数学模型，分析能量转换、存储与分配的耦合机制，并建立续航能力评估模型，为复合翼无人机混合动力系统的优化设计提供理论支撑。

第四，试验验证方面，通过MATLAB/Simulink仿真、地面台架试验与200 km样机试飞三级验证体系，完成累计悬停20 min的全任务剖面测试，系统性能指标与仿真预测高度吻合，证实了所提方案的实际工程可行性。

此外，本文还结合湖南泰德航空技术有限公司在增程式发电配套系统领域的技术积累，探讨了面向复合翼无人机应用的油液冷却热管理技术与系统集成方案，为混合动力系统的工程化实现提供关键技术支撑。

二、油电增程式混合动力系统架构设计

2.1 系统总体架构

油电增程式混合动力系统在构型选择上属于串联式混合动力的拓展形式，其核心设计理念在于将燃油的高能量密度与电驱动的灵活高效性有机结合，通过多能源协同实现复合翼无人机双模工况下的最优能量匹配。系统总体架构由增程器、动力控制器、电池组、前拉电机和旋翼电机等核心部件组成。

增程器由内燃机、高效永磁同步发电机和整流器三部分组成。内燃机作为一次能源转换装置，将燃油化学能转化为机械能驱动发电机运转。高效永磁同步发电机将机械能转换为交流电，经整流器通过快速恢复二极管整流为直流电输出。整流器输出端与电池组直接并联构成双电源供电拓扑结构，通过电压钳位机制在整流器输出电压略高于电池端电压时实现增程器向负载侧供电，在整流器输出电压低于电池端电压时由电池组独立供电。这种并联供电模式不仅使电池组能够在系统功率需求下降时及时储存多余电能，还能在功率需求骤增时快速释放电能以满足瞬时高功率工况。

动力控制器作为系统的能量中枢和决策核心，集成能量管理算法与控制逻辑。前拉电机和旋翼电机构成复合翼无人机的动力输出单元，可从整流器和电池组的输出端口灵活获取电力，双电源并行供电模式显著提高了电力供应的连续性与可靠性，为无人机垂直起降、悬停和巡航等多工况下的能量需求提供了坚实保障。在应急场景下，当增程器发生故障无法发电时，动力控制器可自动切换至纯电池供电模式，确保无人机维持足够动力与控制能力实现安全返航。

2.2 增程器关键技术——湖南泰德航空的工程实践

在油电增程式混合动力系统的工程化过程中，增程器及其配套系统的可靠性与效率至关重要。湖南泰德航空技术有限公司凭借十余年技术积累，在eVTOL增程式发电配套系统领域形成了完整的技术解决方案，其经验对复合翼无人机增程系统的设计具有重要参考价值。

增程式发电配套系统采用“燃油发电+电池储能”混合架构，通过高效微型涡轮发电机或转子发动机将燃油化学能实时转化为电能为电池组持续充电。在燃油系统方面，湖南泰德航空自主研发的电动燃油泵采用创新设计，适用于多种电控发动机的燃油供给需求，通过供油组件提高燃油供给压力，再经压力调节组件精细调控，以满足电控发动机的高油压供给要求。燃油系统由轻量化复合材料油箱、微型高压齿轮泵和航空级电液伺服调节阀等模块组成，能够实现燃油流量的毫秒级闭环控制，为增程器在不同功率需求下的精确响应提供了基础保障。

在热管理方面，湖南泰德航空提出了基于燃油‑润滑油耦合散热的新型架构，针对高功率密度电机运行时的散热挑战，系统采用油冷与风冷相结合的双重散热机制。复合冷却系统包含与电机轴直连的风扇，利用电机运转提供持续气流冷却；同时散热液体层与发动机缸头直接连接，通过液冷方式对高温部件进行高效散热。共形散热结构将散热水箱集成到电机臂前整流罩中，无需额外布置外部散热器，既维持了飞行器的空气动力学完整性，又有效降低了飞行阻力。这些技术为增程系统在复合翼无人机上的集成应用奠定了工程基础。

2.3 不同飞行阶段的能量流动逻辑

基于上述硬件架构和复合翼无人机的飞行力学特性，需根据不同飞行阶段的功率需求特征设计对应的能量流动策略。

复合翼无人机在飞行任务中采用模态切换机制——垂直起降和悬停阶段采用多旋翼垂直起降模式，巡航阶段切换为固定翼巡航模式，通过两种飞行模式的协同切换实现作业灵活性与巡航效率的统一。垂直起降及悬停阶段，四个旋翼电机的总功率需求约为3 900 W，而增程器的标定发电功率约为2 000 W，总功率需求大于发电功率。在此工况下，系统采用电池与整流器输出端口协同供电的方式。具体而言，当负载总功率需求超出增程器额定输出能力时，电池组作为辅助动力源放电补充功率缺口。这种协同供电模式既可在功率需求超越增程器标定值时避免电池过度放电，又能通过电池的瞬时响应特性补偿负载的动态波动，有效延长悬停作业时间并提升抗风扰性能。

巡航阶段，无人机切换为固定翼构型，前拉螺旋桨驱动，四个旋翼停转。在此工况下，前拉电机的功率需求约为1 500 W，低于增程器的2 000 W标定发电功率。在低功率需求条件下，增程器输出电能在优先满足巡航动力需求后，剩余部分经直流母线为电池组充电，以补充悬停阶段消耗的电能。若巡航过程中电池已达到满电状态或接近SOC上限，动力控制器将调整增程器输出功率，使其与巡航消耗功率精确匹配，必要时使内燃机进入慢车运行状态。这种做法不仅有效避免了电池过充风险，还通过维持增程器在低功耗模式下的平稳运行，确保后续悬停及降落阶段具有充足的能量储备。

2.4 系统冗余与安全设计

油电增程式混合动力系统的安全设计贯穿于能量管理与控制逻辑的各个环节。在主能量路径方面，当增程器正常运行时，动力控制器根据实时负载、电池SOC和预设阈值动态调节功率分配，在确保满足飞行功率需求的前提下维持电池在安全电量区间。当内燃机或发电机发生故障无法发电时，电池组作为应急动力电源独立供电，动力控制器自动识别故障状态并调整供电路径，确保无人机维持足够的动力与控制能力完成安全返航降落。双电源冗余设计不仅提升了系统容错能力，也满足了航空器对单点故障容错的基本要求，为复合翼无人机在复杂任务环境中的飞行安全提供了关键保障。

 

三、系统数学建模与续航能力分析

3.1 基于基尔霍夫定律的电气模型

为准确描述油电增程式混合动力系统的电气特性，依据基尔霍夫电压定律和电流定律构建系统电气模型。定义增程器输出端口电压为Ug，电池组端电压为Ub，直流母线电压为Ubus。在整流器输出端与电池组直接并联的拓扑结构中，由于整流器单向导通特性限制，系统存在两种工作状态：

当Ug>Ub时，整流器导通，增程器向直流母线供电，同时向电池组充电。此时，直流母线电压满足Ubus=Ug=Ub+IbRb，其中Ib为电池充电电流，Rb为电池等效内阻。根据基尔霍夫电流定律，汇入直流母线的总电流为Ibus=Ig+Ib，其中Ig为增程器输出电流，Ib为电池充放电电流（充电时Ib取正值，放电时Ib取负值）。当Ug

3.2 内燃机–发电机轴系动力学模型

内燃机与发电机通过直连轴系耦合，其轴角速度与发电机电磁频率之间存在线性耦合关系。为精确模拟内燃机在不同工况下的工作特性，采用基于轴角速度ω与油门开度θ的数学模型对内燃机转矩特性进行近似描述。内燃机输出转矩Te可表示为油门开度和轴角速度的函数，即Te=f(θ,ω)，其映射关系由内燃机稳态特性曲线标定。

在发电机侧，电磁转矩Tg与电磁功率Pg及轴角速度ω之间满足关系：Tg=Pg/ω=kgΦIg/ω，其中kg为发电机常数，Φ为磁通量。基于牛顿第二定律建立轴系动力学方程：

式中，J为轴系总转动惯量，Tf为摩擦及损耗转矩。在内燃机输出功率恒定的工况下，若轴角速度升高，发电机输出电流随之增大，导致电磁转矩Tg增大。由于负载转矩变化方向与轴角速度变化方向相反，该电磁转矩对转速变化产生阻尼效应，抑制转速升高并使其回复至原始稳态；反之，转速下降时，电磁转矩随之减小，驱动转速回升。

值得注意的是，受整流器单向能量流动特性影响，当轴角速度因扰动不受控下降至使Ug

3.3 续航能力评估模型

不同动力类型无人机的续航影响因素存在显著差异。纯内燃机驱动无人机的续航能力取决于油箱容积与燃油消耗率；纯电动无人机则由电池容量与电耗功率决定。搭载油电增程式混合动力系统的复合翼无人机，其动力架构是在纯电动基础上增设增程器作为能量补给单元，有效续航时间由燃油与电池两种能源中率先耗尽的一方决定。

设燃油总能量为Ef=ρfVfηf，其中ρf为燃油质量能量密度，Vf为燃油容积，ηf为内燃机燃油效率；电池总储能为Eb=CbUbηb，其中Cb为电池容量，ηb为电池放电效率。系统总可用能量EtotalEtotal可表示为：

其中ηe=Eb/(Ef+Eb)表征系统对电能初始储备的相对依赖程度。无人机在飞行过程中会同时消耗燃油与电能，且二者的消耗速率随飞行状态和功率需求动态变化。设飞行任务剖面中悬停阶段累计时长Th，巡航阶段累计时长Tc，总续航时间Tmax满足：

其中Ph(t)为悬停阶段瞬时功率，Pc(t)为巡航阶段瞬时功率。若悬停阶段因多能源协同供电消耗的部分电池能量能够在巡航阶段通过增程器冗余功率补回，则实际有效续航时间可突破单纯初始能量储存的约束。这种能源消耗的动态耦合特性，使得混合动力无人机的续航分析较纯电或纯燃油方案更具复杂性，也赋予了系统在能量管理层面的优化空间。

3.4 整流器截止态的异常工况分析

整流器的单向导通特性是系统稳定运行的双刃剑——它确保了增程器能量始终向负载单向流动，避免了反向电流对内燃机轴系的冲击；但同时也引入了特殊的不稳定区域。当扰动使轴角速度下降至Ug

 

四、自动油门控制策略与仿真分析

 

4.1 基于电池电压反馈的控制策略设计

为保持电池电压稳定并将电池SOC控制在合理的安全范围，本文设计一种基于电池电压反馈的内燃机自动油门控制机制。该控制策略由动力控制器独立执行，可与飞行控制器协同工作但无需耦合其任务规划逻辑。

无人机起飞前，根据电池特性和飞行任务需求预设需求电压值Uref。通过对比预设电压与实时采集的电池端电压Ubat之间的差值e(t)=Uref−Ubat(t)，采用比例‑积分控制器构成闭环控制系统，动态调节内燃机油门开度θ(t)，从而实现发电功率的实时调节。控制律表达式如下：

 

式中，Kp为比例系数，Ki为积分系数。比例系数决定系统对瞬时电压偏差的响应灵敏度，积分系数消除稳态误差以保证电压长期稳定性。相关参数已根据系统实际运行工况优化，比例系数设定为350，积分系数设定为0.7，控制周期为10 ms。

该控制机制的具体判定逻辑为：当实时电压低于需求电压时产生负差值触发电池欠压判定，系统增大内燃机油门开度以提升增程器发电功率；当实时电压高于需求电压时产生正差值触发电量充足判定，系统减小油门开度以降低发电功率，必要时使内燃机慢车运行，避免因过充造成电池过压损坏。这种基于电池电压反馈的自动油门控制逻辑，能够动态匹配飞行过程中的负载需求变化，将电池SOC维持在预设安全范围内，实现电能与燃油能量的协调管理。

4.2 MATLAB/Simulink仿真模型构建

为验证自动油门控制策略对复合翼无人机的适配有效性，基于MATLAB/Simulink平台搭建油电增程式混合动力系统仿真模型。模型涵盖增程器子系统（含内燃机、永磁同步发电机及整流器数学模型）、电池组子系统（基于等效电路模型）、电机与螺旋桨负载子系统以及动力控制器（集成了自动油门控制算法）。模型通过多组传感器信号接口实时监测电压、电流、轴角速度和SOC等关键状态变量，形成完整的闭环仿真环境。

仿真总体时长为7 000 s，贴合复合翼无人机垂直起降与巡航的双模飞行特性。悬停阶段累计1 600 s，重点模拟从起飞到任务悬停直至降落的完整过程，包含多次功率突增工况；巡航阶段累计5 400 s，对应无人机完成悬停作业后转入长航时飞行的稳态工况。该时间配比兼顾了悬停作业的高能耗特性和巡航阶段持续能量补给的实际需求。

复合翼无人机样机仿真参数见表1。表中明确列出了增程器额定功率、电池组容量、悬停及巡航功率需求等关键设计指标，为后续仿真结果的解释提供了量化依据。

4.3 控制策略仿真结果分析

复合翼无人机在整个飞行任务剖面的功率消耗呈现显著的阶段性特征。仿真设定的悬停阶段需输出约3 900 W功率驱动四个旋翼电机运转，以保障起降过程的姿态控制和悬停作业的稳定输出；巡航阶段四个旋翼停转，切换为前拉螺旋桨驱动模式，无人机依托机翼升力飞行，能耗降至约1 500 W。随着飞行过程中燃油持续消耗，机身质量逐渐减轻，飞行阻力相应下降，动力负载逐步减小——仿真显示悬停功率较初始值降低500 W，巡航功率较初始值减少100 W。

仿真启动后，垂直起飞阶段四个旋翼电机需约3 900 W功率，远超增程器2 000 W标定发电功率，电池组作为辅助动力源启动放电。电池SOC从初始100%快速下降。当SOC降至约96%时系统触发自动油门控制机制，内燃机油门开度提升，发电机输出功率同步增至约2 000 W标定值。在起飞阶段持续时间内，电池SOC仍呈现缓慢下降趋势，因增程器功率无法完全覆盖起飞阶段约1 900 W的功率缺口，电池需持续补充剩余功率。

进入巡航模式后无人机切换为固定翼构型，前拉螺旋桨约需1 500 W功率。由于增程器标定发电功率（2 000 W）高于负载需求，系统进入充电模式，电池SOC在巡航阶段逐步回升并最终稳定在95%预设值附近。同时，油门开度随电池SOC上升呈反向调节趋势以限制充电功率、避免过度充电。仿真曲线还显示，尽管存在功率小幅波动导致发电电流变化，内燃机转速在全过程中基本维持稳定，有力印证了发电功率与内燃机转速的解耦特性——增程器输出功率的调节主要通过油门开度改变混合气浓度实现，而非依赖转速大范围变动。仿真结果表明，通过调节油门开度即可有效控制发电功率，使动态工况下电池SOC达到预设目标值，验证了自动油门控制策略对电池SOC的精准调控能力。

4.4 续航能力仿真分析

复合翼无人机在巡航阶段由前拉螺旋桨提供前拉力，仿真过程中实时调整前拉螺旋桨输出拉力，将空速精确控制在25 m/s，通过精确空速控制保障巡航过程的稳定，使能量消耗处于稳定可控状态。

在每一个巡航阶段，增程器持续为电池补充电能，使电池SOC逐步回升至95%。这种巡航阶段的能量补给机制有效确保了电池始终储备充足电力，为无人机后续执行悬停等高功率需求任务及持续巡航提供了可靠的能源支撑。仿真中累计悬停时长1 600 s和巡航时长5 400 s的飞行任务剖面下，系统始终未出现电池过度放电或增程器过载运行的异常状态，整体能量调度表现稳健。续航仿真分析进一步表明：在同等悬停作业频次下，油电增程式混合动力系统的等效续航能力显著优于纯电方案，主要体现在增程器以燃油高能量密度弥补了电池能量密度的固有短板，实现了“瞬时大功率靠电池、长时能量靠燃油”的最优互补。

五、地面台架试验验证

5.1 试验平台搭建

为验证自动油门控制策略在真实硬件环境下的可行性，搭建油电增程式混合动力系统地面台架试验平台。地面台架由增程器、动力控制器、电池组、传感器组、电机和螺旋桨（含负载模拟装置）等核心部件组成。试验采用负载箱模拟不同飞行阶段的功率需求——悬停工况下设定负载模拟功率消耗为3 900 W，巡航工况下为1 500 W。试验的主要目的是验证内燃机、发电机、电池等硬件与控制策略的协同响应性能，评估功率输出匹配度及控制逻辑在真实物理约束下的有效性。

地面台架重点测试两个关键指标：一是内燃机的油门开度响应速度，考察从控制指令发出到执行机构完成动作的时间延迟及跟随精度；二是增程器发电功率输出稳定性，评估闭环控制算法对负载波动和参数摄动的鲁棒性能。同时，考察自动油门控制策略能否在动态负载变化条件下维持电池电压稳定，并将电池SOC维持在安全范围。

5.2 试验结果与分析

在悬停模拟阶段，负载功率需求大于增程器输出能力，电池SOC呈缓慢下降趋势——这与增程器和电池的功率分配逻辑完全一致，验证了电池在功率缺口处的及时补偿作用。进入巡航模拟阶段后，负载功率需求降至增程器输出能力以下，系统自动转入充电模式，电池SOC逐步恢复并稳定在约95%的预设值附近。地面台架试验结果表明，自动油门控制策略能够在不同负载条件下精准调节增程器输出功率，从而使电池SOC始终处于预设安全区间。试验过程中增程器运行平稳，内燃机转速波动幅度控制在可接受范围内，发电功率输出稳定性满足设计要求，为后续样机试飞测试奠定了硬件和控制逻辑的坚实基础。

六、样机试飞试验

6.1 试飞样机与试验方案

为验证油电增程式混合动力系统在真实飞行工况下的综合性能，开展搭载该动力系统的复合翼无人机样机试飞试验。试飞试验在国家级民用无人驾驶航空试验基地进行，场地条件满足复合翼无人机起降、悬停和长航时巡航的安全需求。搭载油电增程式混合动力系统的复合翼无人机样机，其动力系统参数与前期仿真模型及地面台架测试参数保持一致，确保三级验证体系的可比性与数据的连贯性。

样机飞行任务设计覆盖垂直起降、悬停及长航时巡航等典型应用工况，其中巡航总航程达200 km，总计悬停时长20 min，全面模拟实际应用场景下复合翼无人机的能量消耗与动力需求。在试飞过程中，样机按预设任务先后执行垂直起飞、悬停作业（含多点悬停）、模态切换、巡航飞行及垂直降落等完整阶段，以充分测试油电增程式混合动力系统在真实环境中的能量管理能力。

6.2 传感器配置与数据采集方案

为全面采集动力系统在飞行过程中的运行数据，样机搭载了高精度电流传感器和电压传感器，构建完整的动力参数监测网络。增程器输出端安装电流传感器用于采集发电电流Ig；电池组输出端同时安装电流传感器和电压传感器，同步采集充放电电流Ib及端电压Ubat。传感器采集的原始数据经动力控制器汇总与预处理后，由无人机专用数传模块实时发送至上位机，并经由数据可视化软件生成实时监控画面和记录日志。基于采集的电压与电流数据，通过递推算法和库仑计数法实时计算各飞行阶段的瞬时功率消耗、累计能量消耗和电池SOC动态变化，形成试飞工况下完整的能量流数据库。

6.3 试飞结果与分析

样机试飞试验中各阶段的实际总消耗功率与仿真结果对比如表2所示。垂直起降阶段实测功率峰值达4 900 W，高于仿真设定的3 900 W。这一偏差主要源于实际起飞过程中需克服重力和惯性以实现垂直加速，导致瞬时功率需求增加。真实飞行环境下，旋翼气动效率受海拔密度变化影响，电机需提供更大的实际输出力矩才能获得与仿真设定相同的净升力。巡航阶段平均功率实测值约为1 400 W，同样高于仿真设定值，这是由真实飞行环境中存在的侧风扰动、湍流气动干扰、海拔高度引起的空气密度修正等复杂因素综合作用所致，这些因素使飞机飞行阻力显著增加，进而拉升了巡航阶段的稳态功率。

在悬停阶段，随着悬停时长增加，增程器与电池协同供电，电池SOC呈缓慢下降趋势，但仍能满足后续巡航的能量储备要求。进入水平巡航阶段后，增程器输出的多余功率经直流母线持续为电池充电，SOC稳步回升，最终稳定达到95%的设定充电阈值。该试验结果与前期仿真及地面台架试验数据在关键趋势上高度吻合——三者均呈现“悬停阶段SOC缓慢下降、巡航阶段SOC稳态回升至95%预设值”的特征，验证了自动油门控制策略在实际飞行工况下的适用性和有效性。

试飞试验还表明，油电增程式混合动力系统在整个飞行任务中能量调度稳健：悬停阶段电池放电深度控制在安全区间内，未触发欠压告警；巡航阶段电池充电速率平缓，未出现热失控或电压超调现象；模态切换过程中动力控制器实现了供电路径的平滑过渡，未对无人机姿态和飞行稳定性造成可察觉的扰动。该策略能够有效协调油电增程式混合动力系统的能量分配，显著提升复合翼无人机在多点悬停任务中的续航能力。

 

七、综合讨论与分析

7.1 系统性能评估

通过仿真、地面台架和样机试飞三级验证体系的系统评估，油电增程式混合动力系统在复合翼无人机上的关键性能指标可归纳如下：

能量管理有效性：所提出的基于电池电压反馈的自动油门控制策略，在不同工况动态变化条件下均能维持电池SOC在预设值附近——仿真中巡航阶段SOC稳定回升至95%，地面台架试验中同样趋势得以复现，200 km样机试飞进一步确认了该策略在实际飞行环境下的适用性。自动油门控制通过比例‑积分控制器实时调节增程器输出功率，成功将悬停高能耗放电与巡航冗余充电两个过程耦合为可控的能量闭环，实现了动态功率需求下的稳态能量平衡。

多工况协同能力：悬停阶段系统采用增程器与电池协同供电模式——增程器标定2 000 W功率持续输出，电池补充剩余约1 900 W的功率缺口，两者并行供电有效满足了约3 900 W的瞬时高功率需求，保障了垂直起降过程的稳定性和多点悬停作业的持续性。巡航阶段增程器输出电能在优先满足约1 500 W的巡航动力需求后，将约500 W冗余功率用于电池充电，实现了悬停高能耗的动态补偿并为后续悬停作业储备了充足电能。

系统鲁棒性与安全性：通过双电源并联设计和电压钳位机制，系统在整流器截止态实现了稳定约束，内燃机轴系始终受电磁阻尼约束，有效规避了空转失控风险。同时，故障工况下的应急供电模式（电池独立供电维持飞行控制和基本推进）为无人机安全返航提供了关键冗余，满足航空器对单点故障容错的适航要求。

7.2 技术优势与局限

相较于纯电复合翼无人机，油电增程式混合动力方案通过引入燃油为二次能源解决了电池能量密度固有限制带来的续航瓶颈。对比传统油电分体式复合翼无人机，本文方案利用增程器在巡航阶段的冗余充电能力，将原本仅单次使用的燃油能量多次分配至多个悬停任务周期，实现了多点悬停作业的工程可行性。对比并联式混合动力方案，所提出的增程式架构避免了复杂动力耦合机构的机械冗余和布局受限问题，通过电力母线的柔性互联实现了双能源的灵活调度，控制结构更为简洁，更适合复合翼无人机多电机分布的构型特征。

尽管如此，当前方案仍存在若干局限：其一，增程器与电池并联的双电源系统增加了直流母线的控制复杂度，在电池SOC极端条件下若电压钳位精度不足易引起增程器输出不稳；其二，系统质量功率比仍有优化空间，增程器与电池组的共同存在导致整机质量较纯电方案有所增加，一定程度上削弱了航程收益；其三，自动油门控制的PI参数在宽幅飞行包线内（涵盖海拔、温度和风速等环境参数变化）是否需要自适应调整尚需进一步验证，当前固定参数设计可能在极端气候条件下出现控制裕度不足的风险。

7.3 湖南泰德航空技术在工程实践中的支撑作用

在油电增程式混合动力系统从方案设计到工程实践的过程中，湖南泰德航空技术有限公司在增程式发电配套系统和热管理领域的关键技术为系统集成提供了重要工程基础。其自主研发的电动燃油泵可实现燃油流量的毫秒级闭环控制，确保了增程器在复合翼无人机频繁起降切换工况下的燃油供给稳定性和瞬态响应能力。基于燃油‑润滑油耦合散热的油冷热管理技术，有效应对了高功率密度发电机及内燃机在悬停阶段大功率输出时面临的散热挑战，为动力系统在高温、高海拔等严苛环境下的安全运行提供了温度保障。湖南泰德航空在航空动力系统集成和热管理技术领域的积累，为油电增程式混合动力系统在复合翼无人机平台的工程适配和适航认证提供了关键支撑。

 

八、结论与展望

8.1 主要结论

本文围绕复合翼无人机难以同时满足多点悬停与长航时双重任务需求的工程瓶颈，提出了油电增程式混合动力系统设计方案，通过系统架构设计、数学建模、自动油门控制策略开发以及三级验证，取得如下主要结论：

（1）采用内燃机‑发电机直连与电池组并联供电的油电增程式混合动力系统架构，可有效消除传统变速机构带来的能量损耗，并通过并联供电模式实现悬停与巡航双工况的动力适配。悬停阶段，增程器与电池协同供电满足约3 900 W的瞬时高功率需求，保障多点悬停作业的稳定动力输出；巡航阶段，利用增程器约500 W冗余功率为电池充电，实现悬停高能耗的动态补偿，为后续悬停作业储备电能。

（2）基于电池电压反馈的自动油门控制策略，通过实时监测电池端电压并与预设值比较，采用比例‑积分控制器动态调节内燃机油门开度，实现发电功率与负载需求的精准匹配。仿真与试验结果表明，该策略能在巡航阶段将电池SOC稳定在95%的预设值，同时有效避免电池过充或过放风险，具备良好的工程适应性。

（3）通过仿真、地面台架和样机试飞三级验证体系，系统在不同层级验证中的电池SOC变化趋势具有高度一致性——均表现为“悬停阶段SOC缓慢下降、巡航阶段SOC稳态回升至95%”。累计200 km巡航与20 min悬停试飞结果表明，该系统可有效提升复合翼无人机多点悬停与长航时综合能力，支持其在长距离巡航中完成多次起降或悬停任务，在电力巡检、灾害勘察、物流配送等应用场景中具有显著的技术优势和实用价值。

8.2 未来研究展望

在现有研究基础上，面向复合翼无人机油电增程式混合动力系统的进一步优化和拓展，可从以下方向深入探索：

能量管理策略的智能化演进。当前的基于电池电压反馈的比例‑积分控制策略在动态响应和鲁棒性方面具有优势，但在大范围变工况和复杂环境扰动下的控制裕度可能存在局限。未来可引入基于等效燃油消耗最小化策略的能量管理框架，在保证实时性和计算效率的前提下实现多能源间的全局最优功率分配。模型预测控制方法在多目标优化和约束处理方面同样具有优势，可结合预测飞行轨迹与SOC预估进行前瞻性功率调度，使内燃机始终运行在最优效率区间。深度强化学习算法则可进一步挖掘飞行历史数据和环境参数的高维特征，实现能量管理策略的自适应学习与进化。

系统轻量化与集成化技术突破。减重是提升复合翼无人机航程和载荷能力的关键途径。未来可在增程器结构一体化设计、高功率密度永磁同步发电机优化、轻质高强度复合材料壳体应用等方面重点突破。湖南泰德航空在共形散热结构和燃油系统轻量化方面的技术成果为这一方向提供了工程参考，需进一步推动系统级集成优化。

适用于严苛环境的增程器热管理技术深化。悬停阶段长时间大功率输出使增程器面临严峻的热管理挑战，而空中气流条件变化且散热空气量有限，传统地面散热设计思路难以直接套用。在湖南泰德航空现有油冷与风冷复合散热技术的基础上，可进一步探索基于相变储热和智能热流分配的动态热管理策略，确保增程器在宽温域飞行包线内的热稳定性。

多能源系统耦合的飞发一体化设计。增程器作为飞行器动力源之一，其布置位置和冷却空气吸入方式对飞行器气动特性有不可忽视的影响。未来应将内燃机进气系统、发电机冷却气流与飞行器气动布局进行一体化设计，通过对机臂共形散热结构、进气涵道气动外形等参数的联合优化，在保证热管理性能的同时将气动阻力增量降至最低。

湖南泰德航空技术有限公司于2012年成立，多年来持续学习与创新，成长为行业内有影响力的高新技术企业。公司聚焦高品质航空航天流体控制元件及系统研发，深度布局航空航天、船舶兵器、低空经济等高科技领域，在航空航天燃/滑油泵、阀元件、流体控制系统及航空测试设备的研发上投入大量精力持续研发，为提升公司整体竞争力提供坚实支撑。

公司总部位于长沙市雨花区同升街道汇金路877号，株洲市天元区动力谷作为现代化生产基地，构建起集研发、生产、检测、测试于一体的全链条产业体系。经过十余年稳步发展，成功实现从贸易和航空非标测试设备研制迈向航空航天发动机、无人机、靶机、eVTOL等飞行器燃油、润滑、冷却系统的创新研发转型，不断提升技术实力。

公司已通过 GB/T 19001-2016/ISO 9001:2015质量管理体系认证，以严苛标准保障产品质量。公司注重知识产权的保护和利用，积极申请发明专利、实用新型专利和软著，目前累计获得的知识产权已经有10多项。湖南泰德航空以客户需求为导向，积极拓展核心业务，与国内顶尖科研单位达成深度战略合作，整合优势资源，攻克多项技术难题，为进一步的发展奠定坚实基础。

湖南泰德航空始终坚持创新，建立健全供应链和销售服务体系、坚持质量管理的目标，不断提高自身核心竞争优势，为客户提供更经济、更高效的飞行器动力、润滑、冷却系统、测试系统等解决方案。