航空混合电推进系统发展趋势研究

林晓畅

厦门航空有限公司，福建福州，350200

0 引言

混合电推进系统具有低噪声、低排放、低能耗等优点，应用在航空领域，是实现“双碳”目标的主要举措与抓手。因此，在航空领域应重点研发混合电推进系统，充分发挥航空混合电推进系统的应用价值。

1 航空混合电推进系统

1.1 混合电推进技术特点

在航空推进技术中，混合电推进是 一种新兴技术，与传统燃料动力推进系统、全电动推进系统相比，混合电推进系统具有不可比拟的应用优势。主要原因为：在传统燃料动力推进系统中，由于石油燃料属于不可再生资源，受到资源紧缺与污染大等因素的限制，导致该动力推进系统的应用存在一定局限性。在全电动推进系统中，由于电池能量密度低、续航时间受限，影响航时与航程。而混合电推进系统将上述两者的优势有机结合起来，在内部利用内燃机与电动机两种技术协同工作，确保二者在最佳状态下运行，可以达到节约燃料资源与减少污染的目的。并且系统噪声小，可以有效延长续航时间，将燃料动力推进系统与全电动推进系统的优势合二为一，发挥出“1+1＞2”的应用优势[1]。

1.2 混合电推进系统架构类型

一是串联式架构。在这种架构类型中，具有以下优势：ICE与发电机安装部位比较灵活多样，传动机构得到有效简化，短途适应性强。但是在EM最大功率设计中存在较大难度，且电池消耗快。串联式混合动力系统如图1所示。例如，德国西门子公司在研发混合电推进系统时，研发出一款采用该动力系统的飞机DA36E-Star2。

图1 串联式混合动力系统图

二是并联式架构。并联式结构只需要ICE与EM/GE这两个部件，在电池能源存在的情况下，两个推进部件能够提供相同的电能。电池能源充足且短程飞行时，这两种动力可以呈现半功率模式运行。而在长途航空任务中，ICE需要最大功率状态运行，EM/GE可以呈现半功率或低功率模式运行。这种架构类型也存在许多不足，如两种功率源发出的电流需要进行混合与调节处理，设备之间容易存在复杂的机械耦合现象，会提高控制难度与复杂度[2]。并联式混合动力系统如图2所示。例如，在飞机中采用双油门分别对电机与内燃机控制，采取并联式混合电推进系统。

图2 并联式混合动力系统图

三是串联+并联式架构。串联+并联式架构可以集合串联与并联式的各自优势，但是在控制方面更加复杂、难度更高，且机器设备质量更大。串联+并联式混合动力系统如图3所示。

图3 串联+并联式混合动力系统图

综上，通过上述三种混合电推进系统架构分析，总结归纳出三种架构类型各自的优缺点，见表1所示。在本质上，混合电推进技术是将电力与至少一个燃料动力电源组合使用，如果燃料与储能电池是动力电源组合，在串联架构中，功率用电传递，而在并联架构中，功率用机械传递。在航空混合电推进系统实际应用中，还需要根据实际情况合理使用混合电推进系统架构，以期发挥出混合电推进系统最大化作用[3]。

表1 三种混合电推进系统架构的优缺点对比分析表

2 航空混合电推进系统发展现状

2.1 美国

当前美国对航空混合电推进系统的研究处于世界领先水平，美国航空航天局NASA在2011年5月与GE公司联合研发航空推进系统与技术，制作出针对N3-X层流飞机设计与使用的混合电推进系统，研究电池、发动机、速度控制器等各系统部件在混合电推进系统的运行中所产生的效率。之后NASA与其他公司合作对混合电推进系统进行试验验证，得出混合电推进系统在飞机中的应用，具有高效、低噪声、低排放与高总转换率等优势。2017年6月，NASA开展48座“飞马”混合电推进支线客机概念研究。同年7月展示A320与波音737同级别客机电动机驱动概念。同年8月GE公司致力于研究混合电推进项目的发电机与电动机关键技术，并且取得新突破，表明混合电推进系统可以应用在军用飞机、民用飞机与通用飞机等方面。

2.2 欧洲

欧盟在2011年提出“航迹2050航空领导计划”，目标是在2050年实现二氧化碳排放降低75%、噪声降低65%等。对此，欧盟各国致力于混合电推进系统研发，以期实现这一计划目标。2013年11月，英国、德国与法国大型航空公司空客、罗罗、西门子三者联合研发出分布式混合电推进系统。2017年，这三家公司联合研发混合电推进飞机E-FanX，但由于新冠疫情影响，研发项目被迫停止。荷兰在研发新型飞机项目中，设计了一款混合电推进系统的飞机进行缩比模型动态试飞，这是欧洲“清洁天空2计划”的一部分，项目研究周期为6年。

2.3 俄罗斯

俄罗斯在2017年7月开始制定与研发混合电推进系统相关项目，并对其研发项目成果进行展示，如500kW级混合电推进系统概念模型。在这一项目研究中，其主要特点是可以通过燃气涡轮带动发电机发电。同时，在燃气涡轮出现故障的时候，可以利用电池支撑动力系统。俄罗斯之后研发19座飞机的2000kW级动力系统，并对其进行试飞验证[4]。

3 航空混合电推进系统发展趋势

3.1 民用航空

相较于传统动力推进系统，航空混合电推进系统在应用中具有可靠性高、布局灵活、安全性高等优点，后续可以应用在民用航空中，如垂直起降城市通勤飞行器、通用飞机、支线飞机等飞机平台。由于不同型号、不同用途的民用飞机在使用混合电推进系统中具有不同的性能要求，如表2所示。在研究航空混合电推进系统中，可以不断朝着这一方向发展，以便满足不同民用飞机对混合电推进系统部件的性能要求，实现航空混合电推进系统的绿色可持续发展。

表2 各类用途飞机对混合电推进系统部件的性能要求

首先，应用于城市空中交通。垂直起降城市通勤飞行器作为未来城市空中交通的主要载体，混合电推进系统在未来会广泛应用于垂直起降城市通勤飞行器中。垂直起降飞行器在起飞时功率相对较高，而混合电推进系统可以有效解决功率匹配问题。并且混合电推进系统具有噪声小、油耗低与污染小等优势，在垂直起降飞行器中可以得到较好的应用。其次，支线/干线客机。目前大多数制造商与科研机构关注这一领域的混合电推进系统研究，并取得一定研究成果。但总体还处于研发设计与验证阶段，如美国航空航天局研制的N3-X飞机。各国均致力于支线/干线客机的混合电推进系统研究，表明其在支线/干线客机中的应用前景广阔，是未来主要发展方向之一。最后，通航飞机。通航飞机在各个领域中均得到广泛应用，如农业、观光旅游业、救援等领域。例如，2022年3月13日，中国航发动研所研制的混合电推进系统SA60L轻型运动飞机在株洲芦淞通用机场首飞成功。混合电推进系统首飞成功是我国强化前沿技术探索与储备、推进航空业绿色可持续发展的重要体现。

3.2 军用航空

混合电推进系统在军用航空中具有较为广阔的应用前景。一是在高空长航时无人机的应用。在军事领域无人机的应用范围比较广阔，其中高空长航时无人机是军用无人机中的主要载体，将混合电推进系统应用其中，可以实现20km以上的高空飞行，且具有较长的续航时间。在此技术上还可以兼具一定的机动性，可以显著提升无人机的生存性。对此，高空长航时无人机具有较大的发展潜力。在未来发展中，混合电推进系统将会进一步应用在高空长航时无人机中，且应用前景广阔。二是运输机与远程轰炸机的应用。混合电推进系统容易实现短程与垂直起降，在陆军作战中针对作战物资、受伤人员运输具有重要的保障作用。并且混合电推进系统具有噪声低、污染小、油耗低等优势，在民用航空领域中的应用逐渐兴起，也必然会在军用运输机、轰炸机等领域中得到较好应用[5]。

4 结语

总之，在当前航空动力发展中，混合电推进系统是一种新兴技术与概念，与传统动力推进系统项目相比，具有噪声低、能耗低、污染小等优点，尤其是在全球生态环境问题突出、各国致力于降低碳排放的发展目标下，混合电推进系统在航空领域中的应用具有广阔的前景。然而当前全球各国对混合电推进系统的研究还处于初级阶段，还需要不断深入研究，充分发挥出航空混合电推进系统的应用优势，推动航空业的绿色可持续发展。