航空混合电推进产业发展战略研究：基于核心部件自主可控的供应链生态构建

航空混合电推进系统将燃气涡轮发动机和电推进系统有机结合，是未来新能源航空发动机发展的关键方向之一，对推动航空业绿色转型、提升武器装备性能有着重要意义。探讨航空混合电推进系统未来发展路径并提出重点任务建议，将促进混合电推进系统在我国新能源航空发动机体系布局和航空强国建设征程中更好发挥作用。

1、航空混合电推进系统的核心构造及工作原理

航空混合电推进系统（Hybrid Electric Propulsion System, HEPS）作为传统航空动力系统向全电推进系统过渡的关键解决方案，其核心构造包含发电子系统、储能子系统、电推进子系统、综合能量管理子系统和综合热管理子系统五大组成部分。

1.1 发电子系统

通常由一台或多台小型航空燃气涡轮发动机、交流发电机和发电机控制器构成。燃气涡轮发动机作为主要动力源，保持在高效率区间运行，驱动发电机产生电能，再通过发电机控制器将输出的电能转换为稳定的高压直流电。这种设计使得燃气涡轮发动机可以脱离推力需求的直接约束，始终运行在最佳工况点，从而提高整体效率。

1.2 储能子系统

主要由高能量密度动力电池和电池管理系统（BMS）组成。电池组在飞行过程中起到“功率缓冲器”的作用，在起飞、爬升等高功率需求阶段提供额外的能量支持，在巡航阶段则吸收多余电能。电池管理系统实时监控电池的荷电状态（SOC）、健康状态（SOH）和温度等参数，确保电池在安全范围内工作。

1.3 电推进子系统

包含电动机及其控制器，以及推进器（如涵道风扇或螺旋桨）。电动机将电能转化为机械能，驱动推进器产生推力。基于电动机的“尺寸无关特性”，混合电推进系统可以采用分布式布局，将多个小功率电动机沿机翼或机身布置，取代传统的集中式推进系统，从而显著提高等效涵道比，提升气动效率。

1.4 综合能量管理子系统

是混合电推进系统的“智能大脑”，它根据飞行阶段、功率需求和系统状态，动态调整功率分配策略。例如，在eVTOL（电动垂直起降飞行器）的垂直起降阶段，系统优先使用电池能量驱动电动机；在巡航阶段，则主要依靠燃气涡轮发动机发电，同时为电池充电。这种智能功率分配使得系统能够实现“削峰填谷”，优化全任务剖面的能量使用效率。

1.5 综合热管理子系统

负责管理系统中各部件产生的热量。由于电力电子设备、电机和电池都对温度敏感，高效的热管理对于系统可靠性和寿命至关重要。先进的热管理系统采用分级热管理策略，甚至将电机余热用于电池保温，提升系统在低温环境下的工作性能。

混合电推进系统的工作原理根据构型不同可分为串联式和并联式两种。串联构型中，燃气涡轮发动机完全与推力产生脱钩，只负责驱动发电机发电，所有推力均由电动机驱动的风扇或螺旋桨产生。这种构型适用于低速、长航时的飞行平台，如无人机和支线客机。并联构型则保持燃气涡轮发动机的直接推进能力，并通过在发动机轴上集成电机实现功率调节，在高功率需求阶段电动机作为助力，在低功率需求阶段电机转换为发电机进行功率提取。这种构型更适合高速、大推力需求的平台，如干线客机和战斗机。

2、航空混合电推进系统的研究与技术创新

当前，航空混合电推进系统的研究主要集中在系统架构优化、能量管理策略、高功率密度电机设计和热管理技术等关键领域。

在系统架构方面，分布式推进（Distributed Electric Propulsion, DEP）成为研究热点。美国国家航空航天局（NASA）提出的N3-X概念机，采用两台翼尖安装的涡轴发动机驱动发电机，为15台嵌入机身的电动机供电，带动分布式风扇产生推力。研究表明，这种设计可使耗油率比传统飞机降低70%以上。另一个创新概念是边界层摄取（Boundary Layer Ingestion, BLI）技术，将推进器嵌入机身尾部，吸入并加速边界层低速气流，减少尾流能量损失，从而降低飞行阻力。NASA的STARC-ABL概念机研究表明，这种设计可使阻力降低7%-12%。

在能量管理策略方面，智能控制算法成为技术竞争的焦点。传统的规则基控制策略正逐渐被基于模型预测控制（MPC）和自适应等效燃油消耗最小化策略（ECMS）等先进算法取代。国内研究机构如江苏大学开发的基于随机森林算法的自适应ECMS策略，能够根据飞行状态和能源状况动态优化功率分配，使燃油经济性提升25%-68%。南京航空航天大学的研究团队则提出了基于增量式模糊逻辑的能量分配策略，有效调节低压轴提取功率，确保电池电流不超限，同时维持电池SOC处于健康范围。

高功率密度电机技术是混合电推进系统的核心瓶颈之一。目前，欧美企业重点攻关碳化硅（SiC）功率器件和超导电机技术。碳化硅器件使变流器效率突破98%，大幅降低系统热管理负荷。超导电机技术有望将功率密度提升至20kW/kg，为大型客机电气化奠定基础。GE公司已在兆瓦级混合电推进系统的高海拔测试中取得重要突破，模拟高度超过45，000英尺，为商用客机混合电动力飞行奠定了基础。

热管理技术方面，集成化热管理系统成为发展趋势。美国赛峰集团开发的分级热管理系统，将电机、电力电子设备和电池的热管理需求整合，利用先进导热材料和微通道冷却技术，实现系统废热的有效利用。

材料创新也在推动系统性能不断提升。碳纤维复合材料在发动机轻量化设计中的应用，高温超导材料在电机领域的突破，以及高能量密度固态电池技术的发展，共同推动混合电推进系统向更轻、更强、更高效的方向发展。

3、国内外主要企业研究现状与技术路线对比

全球范围内，航空混合电推进系统研发呈现出多元化发展格局，各国企业和研究机构根据自身技术积累和市场定位，选择了不同的技术路径和发展策略。

3.1 国际主要企业

美国GE航空航天公司是混合电推进技术的先驱之一。自2009年开始研发混合电推进技术，GE已经建立了专门的电力综合系统（EPIS）中心，致力于开发和测试飞机电力组件及系统。2017年，GE发布了混合电推进系统重大研究项目白皮书，介绍了其在发电机和电动机领域取得的技术突破。近年来，GE与NASA合作开展电动动力系统飞行演示（EPFD）项目，使用萨博340B飞机作为试验平台，安装传统CT7发动机与混合电力系统并行工作，验证商业航空混合电力飞行的可行性。GE计划到2025年左右完成兆瓦级混合电推进系统的地面和飞行测试。

空客集团与西门子、罗罗公司联合推进E-Fan X混合电推进验证机项目。该计划选用BAe146飞机作为飞行测试平台，将其4台涡扇发动机中的1台替换为2MW功率的电动机。一旦系统成熟性得到验证，另一台发动机也将被电动机取代。空客还提出了E-Airbus100座级支线客机概念，采用名为E-Thrust的混合电推进系统，由1台嵌入式涡扇发动机带动发电机产生电力，驱动安装在机翼上的6台风扇，等效涵道比预计将超过20。

罗罗公司于2020年提出混合电推进技术发展策略，短期内重点关注500kW-1MW混合电推进市场，并已建立相应的供应链体系。该公司基于M250发动机的混合电推进系统已完成地面测试，正在向更高功率等级发展。

3.2 国内主要企业及机构

中国在混合电推进系统领域的研究虽起步较晚，但正加速追赶，形成了产学研结合的发展模式。

湖南泰德航空技术有限公司作为高新技术企业，聚焦航空航天流体控制元件及系统研发，在混合电推进系统领域展现了独特的技术路线。该公司通过流体控制技术与电机算法的耦合创新，开发适用于变工况的航空燃/滑油泵阀元件，解决了混合动力系统在复杂飞行环境下的热管理和能量分配难题。湖南泰德航空与中国航发、中航工业、中国航天科工等国内顶尖科研单位建立战略合作，构建了集研发、生产、检测、测试于一体的全链条产业体系。该公司已通过GB/T 19001-2016/ISO 9001:2015质量管理体系认证，累计获得10多项知识产权。

中国航发沈阳发动机研究所与南京航空航天大学合作，在半涡电分布式推进（TeDP）系统动态实时建模与控制方面取得重要进展。他们建立了包含涡扇发动机、涵道风扇以及电机等部件的动态模型，提出了一种基于功率平衡的实时计算方法，平均单步仿真耗时仅0.126ms，为混合电推进系统的控制策略研究提供了高效平台。

南京航空航天大学在分布式混合电推进系统的布局设计与优化方面进行了深入研究。针对分布式推进翼身融合飞行器，开展了多学科设计优化（MDO），以最小起飞总质量、最低耗油率和最大升阻比为目标函数，结合飞行控制和航程等约束条件，得到了Pareto优化解集，为混合电推进飞行器的总体设计提供了理论依据。

3.3 技术路线对比

欧美企业与国内机构在技术研发上呈现差异化特征。欧美企业更注重高功率密度发电机与先进热管理技术的集成，采用碳化硅功率器件提升电推进效率，技术成熟度较高，已进入飞行验证阶段。而国内企业则更聚焦于流体控制与混合动力系统的融合创新，在系统集成和控制策略方面寻求突破。

在军事应用领域，欧美国家强调混合电推进系统在隐身性能和战场生存能力方面的优势，通过分布式布局降低红外特征和噪声。国内研究则更注重系统在复杂环境下的适应性和可靠性，如高海拔、低温等极端条件下的性能维护。

4、在新能源航空领域的核心优势

混合电推进系统作为连接传统航空动力与全电推进的桥梁技术，在新能源航空领域具有多重核心优势，使其成为未来绿色航空发展的关键路径。

4.1 节能减排优势显著

混合电推进系统通过优化发动机工作点和能量回收实现显著的节能减排效果。研究表明，相较于传统推进系统，混合电推进系统可降低油耗30%-50%，相应减少碳排放30%-50%，完全符合国际航空碳减排协议要求。系统通过智能能量管理实现“削峰填谷”，使燃气涡轮发动机始终保持在高效工作区，避免了传统发动机在变工况下的效率损失。此外，电动分布式推进系统还能通过增加等效涵道比和减少诱导阻力进一步提高效率。

4.2 技术过渡平滑可行

混合电推进系统提供了一条从传统燃油向全电推进过渡的可行路径。在当前电池能量密度无法满足长航程需求的情况下（目前最先进的锂电池能量密度约为500-600W·h/kg，仅为航空煤油的1/20），混合电推进系统既可以利用现有燃油基础设施，又能逐步提高电推进比例。这种渐进式技术路径显著降低了研发成本与供应链风险，使厂商可以在现有燃油平台基础上集成电驱动模块，逐步提升电气化水平。

4.3 飞行平台设计变革

混合电推进系统的分布式特性带来了飞行器设计的革命性变化。基于电动机的“尺寸无关特性”，系统可以采用多个小功率电动机驱动小尺寸风扇或螺旋桨的分布式布局，取代超大直径风扇推进的常规设计。这种布局不仅减少了飞机舵面面积和质量，提高了推进效率，还支持飞机具备短距/垂直起降能力。同时，多动力冗余备份大大改善了飞机安全性和可靠性，为飞行控制提供了更大自由度。

4.4 多领域应用适应性

混合电推进系统具有广泛的适用性，可满足不同飞行器的特殊需求。在民用航空领域，系统可提供低噪声和高燃油经济性，满足城市空运对噪音控制（低于65分贝）和运营成本的要求。在军事领域，系统通过燃油发电减少红外特征，利用电驱动实现静默巡航，并通过分布式布局增强战场生存能力。此外，系统还能满足大功率机载设备和高能武器的电力需求，下一代战斗机的电网容量可能是现有水平的10倍以上，混合电推进系统对于维持飞行平台稳定工作具有不可替代性。

5、全球航空低碳转型背景下的发展前景

随着全球航空业加速向低碳转型，混合电推进系统正迎来前所未有的发展机遇。根据贝哲斯咨询预测，至2030年全球混合动力飞机推进系统市场规模将显著增长，系统有望在2030年前后在支线客机、无人机领域实现商业化突破。

5.1 技术发展路径

混合电推进系统的发展将遵循功率等级由低到高、应用场景由简单到复杂的路径。短期内（2025年前），技术将主要集中在500kW-1MW功率范围的通用航空和无人机市场；中期（2025-2035年），将逐步扩展至1-5MW的支线客机和公务机市场；长期（2035年后），有望进入5MW以上的干线客机市场。

在技术融合方面，混合电推进系统将与可持续航空燃料（SAF）、氢能源等技术结合，形成多路径减排方案。例如，丰田Mirai采用的光伏-氢电混合系统，通过车载绿氢制备技术，将太阳能直接转化为氢燃料，为燃料电池提供补充能源。这种技术融合可进一步降低全生命周期碳足迹，实现综合油耗降低40%以上、氮氧化合物排放降低80%以上的巨大潜力。

5.2 产业化挑战与对策

尽管前景广阔，混合电推进系统的产业化仍面临功重比、热管理、环境适应性和认证标准等多重挑战。当前混合动力系统的功重比仍低于传统推进系统，限制了其在大型飞机上的应用。针对这些挑战，业界正在通过材料创新、系统架构优化和智能控制等手段寻求突破。

碳化硅功率器件、超导电机技术等新材料新技术的应用，正逐步提升系统功率密度。数字孪生技术为系统测试和验证提供了新途径，江苏大学研究表明，基于数字孪生的虚拟样机技术可使燃油经济性再提升15%-30%。中国航天科工构建的环境模拟平台，为系统可靠性验证提供了关键支撑。

5.3 政策驱动与发展趋势

全球各国政府的低碳政策和行业目标正加速混合电推进技术的发展。欧盟提出到2050年实现温室气体碳中和的目标，中国也制定了2030年前碳达峰、2060年前碳中和的路线图。这些政策导向为混合电推进技术提供了强劲动力。

未来混合电推进系统将向智能化、集成化和多元化方向发展。基于人工智能的能源管理策略将更加精准地预测和优化功率流分配；系统架构将进一步集成，呈现模块化、标准化趋势；技术路线将多元化发展，形成传统燃油、混合动力、氢能源等多技术路径并存格局。

综上所述，航空混合电推进系统作为连接传统航空动力与全电推进的桥梁技术，在减排效率、技术可行性和平台适应性方面具有显著优势。在全球航空低碳转型的大背景下，随着技术瓶颈的逐步突破和产业化条件的日益成熟，混合电推进系统有望在2030年前后实现商业化突破，为全球航空业可持续发展注入新动能。这一进程不仅需要技术创新，更需跨学科、跨领域的合作，最终实现航空动力系统的彻底革新。

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