Design og dimensjonering av elektrisk fremdriftssystem for helikoptre og droner

Abstract

Den siste tiden har det blitt gjort store fremskritt innen energilagringssystemer for elektriske fremdriftssystemer på fly. Derfor er det også naturlig å tenke på en elektrisk løsning for helikopter. I denne oppgaven er det sett på energiberegning av det elektriske fremdriftssystemet for helikopter og droner. Videre er det i samarbeid med ALVA Industries utviklet et program for beregning av flytid for VTOL fartøy. Det har også blitt utført en spørreundersøkelse blant teknisk personell i helikopterindustrien i Norge i dag, og blitt gjort beregninger på konvertering av et eksisterende mekaniske helikopter til et helikopter med elektrisk fremdriftssystem. Samt sett på designprosessen gjennom designkriteriene for et ideelt system.

Beregningene viser at elektriske helikoptre er mulig med tanke på energi. Flytid vil derimot være kraftig redusert i forhold til ved en mekanisk løsning. Med kraftig redusert flytid vil ikke elektrisk helikoptre kunne utføre alle oppdrag som et mekanisk helikopter ville kunne utføre.

Hensikten med beregningsprogrammet er at det skal kunne brukes som en stegvis prosess for at andre skal kunne gjøre lignende beregninger i framtiden. Programmet kan også brukes til å sammenligne forskjellige designvarianter slik at brukeren kan finne en optimal løsning til sitt behov.

Spørreundersøkelsen viser at det er positivitet i bransjen for elektriske helikoptre og at elektriske helikoptre vil bli godt mottatt i helikopterbransjen i Norge. De fleste tenker at innenfor en 40 års periode vil elektriske helikoptre kunne være i konvensjonell drift.

Utfordringen for elektriske helikoptre er lav energitetthet i batteriet i forhold til dagens helikopterdrivstoff. Den spesifikke energien til batterier ligger på 0.265 kWh/kg, mens for dagens helikopterdrivstoff ligger det på over 12 kWh/kg, som i flytid vil si over 5.5 timer kontra 15 min for det elektriske. Med bedre løsninger på vektreduksjon av andre kritiske komponenter som for eksempel motor, kraftelektronikk, chassis og lignende vil man kunne forbedre flytiden ytterligere.

Recent advances have been made in energy storage systems for electric propulsion systems in aircraft. Therefore, it is also natural to think of an electric helicopter solution. In this report, we looked at the energy calculation of the electric propulsion system for helicopters and drones. Furthermore, a program for calculating flight time for VTOL vessels has been developed in collaboration with ALVA Industries. A survey has also been carried out among technical personnel in the helicopter industry in Norway today, and calculations have been made for the conversion of an existing mechanical helicopter into an electric propulsion helicopter. As well as looking at the design process through the design criteria for an ideal system.

The calculations show that electric helicopters are possible in terms of energy. Flight time, on the other hand, will be greatly reduced compared to a mechanical solution. With greatly reduced flight time, electric helicopters will not be able to perform all the tasks that a mechanical helicopter could perform.

The purpose of the calculation program is that it can be used as a step-by-step process so that others can make similar calculations in the future. The program can also be used to compare different design variants so that the user can find an optimal solution for their needs.

The survey shows that there is positivity in the industry for electric helicopters and that electric helicopters will be well received in the helicopter industry in Norway. Most people think that within 40 years, electric helicopters could be in conventional operation.

The challenge for electric helicopters is the low energy density of the battery compared to today's helicopter fuel. The specific energy of batteries is 0.265 kWh / kg, while for today's helicopter fuel it is above 12 kWh / kg, which in flight time means more than 5.5 hours versus 15 minutes for the electric. With better solutions for weight reduction of other critical components such as the engine, power electronics, chassis and the like, it will be possible to further improve the flight time.