航空混合电推进系统构型分析与性能收益研究：串联与并联技术的路径对比与展望

全球航空运输业的蓬勃发展带来了严峻的能源与环境挑战，传统燃气涡轮发动机在燃油效率与排放性能方面的提升空间日益受限。国际民航组织提出的2050年航空碳排放减半目标，促使全球航空制造业将目光聚焦于创新推进系统。航空燃气涡轮-电混合动力系统作为连接传统燃油动力与全电推进的关键技术路径，正成为行业研究热点。

混合电推进系统通过结合燃气涡轮发动机的高功重比和电推进系统的高效环保特性，为未来航空器提供了全新的动力解决方案。根据美国NASA的研究，混合电推进技术可使2030年后投入使用的飞行器耗油率降低70%，氮氧化物排放降低80%，噪声降低81分贝。这一显著优势使其成为各国航空科研机构优先发展的方向。

混合电推进系统的核心思想是将产生动力的装置与产生推力的装置分离，通过电能分配与能量管理，使燃气涡轮发动机始终工作在最佳工况点，同时通过分布式推进改善飞机气动特性。这种系统构型的变革使得飞机与发动机设计从传统的独立设计转向高度一体化设计，为航空器创新布局提供了可能性。

本文旨在系统分析航空燃气涡轮-电混合动力系统的关键技术，从系统基本原理、性能优势、关键技术挑战以及国内外研究进展等方面展开全面讨论，为相关技术研究提供参考。

一、混合动力系统的基本原理与构型分析

航空燃气涡轮-电混合动力系统主要分为串联式和并联式两种基本构型，每种构型各有其独特的工作原理和性能特点，可满足不同航空器的动力需求。

1.1 串联式混合动力系统

串联式混合动力系统采用了完全解耦的动力设计理念，其工作流程为：燃气涡轮发动机驱动发电机将燃料的化学能转化为电能，产生的电能与储能系统（如电池）提供的电能共同供给电动机，最后由电动机驱动风扇或螺旋桨产生推力。在这种构型中，燃气涡轮发动机与推进器之间没有机械连接，仅存在电力联系。

串联式系统的核心优势在于其架构灵活性。由于动力生成与推力产生完全分离，燃气涡轮发动机可以安装在飞机任意位置，不受推进器布局限制。这使得发动机能够始终运行在最优工况点，显著提高燃油效率。测试数据表明，串联式混合电推进系统可实现油耗降低50%至70%，氮氧化合物排放降低80%。此外，该系统可通过分布式推进在机翼或机身布置多个电动风扇，大幅提高等效涵道比。研究显示，类似空客E-Thrust的串联式系统等效涵道比预计将超过20，远高于传统涡扇发动机（通常为5-12）。

然而，串联式构型也存在固有缺点。能量在转换过程中经历多次能量形式转换（化学能→机械能→电能→机械能），导致传递效率损失。同时，系统包含发电机、电动机和电能转换装置等多个部件，增加了系统重量和复杂性。因此，串联式混合系统特别适用于分布式推进飞行器，如NASA的N3-X概念机和空客的E-Airbus概念机。

1.2 并联式混合动力系统

并联式混合动力系统保留了机械连接特性，燃气涡轮发动机和电动机可同时驱动同一个风扇或螺旋桨。在这种构型中，发动机的动力轴与电动机的转子机械耦合，两者可以共同或单独提供推进动力。

并联式系统的突出优势在于较高的能量效率，因为部分动力（尤其是燃气涡轮发动机产生的动力）直接以机械能形式传递到推进器，减少了能量转换环节带来的损失。同时，系统可利用电动机的双向特性，在需要时作为发电机使用，吸收发动机多余功率或回收制动能量。美国CFM公司启动的RISE计划就采用了并联式混合技术，目标是使发动机耗油率和污染物排放降低20%以上。

并联式系统的应用形式多样，可根据飞行阶段的不同需求灵活调整动力分配。例如，在起飞和爬升等高功率需求阶段，电池可提供额外功率补充；在巡航阶段，燃气涡轮发动机除提供推进动力外，还可为储能系统充电；在下降阶段，电动机可反向运作作为发电机，回收部分能量。

不过，并联式系统在机械结构上更为复杂，需要精巧的传动机构实现动力耦合，且燃气涡轮发动机与电动机的工作特性差异较大，控制策略挑战较高。NASA提出的STARC-ABL方案就是一种串并耦合的混合动力系统，在翼下挂载两台传统涡扇发动机的同时，在机尾安装一个由2.6MW电机驱动的边界层吸入风扇。

二、混合动力系统的性能优势与收益分析

混合电推进系统之所以成为全球航空界关注的焦点，源于其在燃油效率、气动性能和环境友好性等方面带来的显著收益。这些性能优势不仅体现在单一部件的改进上，更是系统整体优化与飞发深度耦合的结果。

2.1 燃油效率提升机理

混合电推进系统提升燃油效率的主要机理是通过能量优化管理和工况点调节实现的。在传统飞机中，燃气涡轮发动机需要在多种飞行状态下工作，常常偏离最高效率点；而混合电推进系统通过电池和电机的功率调节，使燃气涡轮发动机始终工作在最优工况区，从而全面提高燃油效率。

具体而言，在起飞和爬升等高功率需求阶段，电池可提供峰值功率辅助，避免发动机为满足短期高功率需求而采用低效工作点；在巡航阶段，发动机可稳定运行于高效区，产生的多余功率可为电池充电；在下降和着陆阶段，发动机可处于最低功率运行甚至关闭状态，由电池单独提供动力。中国航发608所开发的80KW级串联式航空混合电推进系统的测试结果显示，相比传统动力，该系统可实现油耗降低50%至70%，氮氧化合物排放降低80%。

另一方面，混合电系统通过实现更高涵道比提升推进效率。推进系统的涵道比直接影响推进效率，但传统发动机受结构和安装限制，涵道比提升空间有限。而混合电系统可采用多个小型电动风扇取代单一大型风扇，等效涵道比大幅提升。NASA研究的N3-X飞机概念采用涡轮-电分布式推进系统，其等效涵道比远超传统设计，预计能使任务油耗比波音777-200LR飞机降低70%以上。

2.2 气动创新与飞机性能改进

混合电推进系统的另一显著优势在于其带来的气动创新可能性。分布式电推进系统允许将多个推进器沿机翼或机身布置，通过吹气效应增加升力、减小阻力，从而改善整体气动性能。

例如，NASA的STARC-ABL概念机在机身尾部安装边界层吸入风扇，可吸入并加速因空气粘性在机体表面形成的低速流动层（边界层），减小尾流分离和形阻，研究表明这种设计可使飞机阻力降低7%~12%。同样，ESAero公司的ECO-150概念机采用双层翼布局，将16个涵道风扇嵌入双层机翼之间，使推进系统与机体完美融合，有效改善整体气动效率。

混合电推进还通过重量分布优化和推进系统布局多元化为飞机设计带来更大自由度。由于燃气涡轮发动机、发电机、电动机和储能系统之间主要通过电缆而非机械结构连接，各部件的安装位置可依据飞机重心控制和气动需求灵活安排。这种设计自由度使得飞机设计师能够优化整体布局，进一步提升性能。

2.3 环境友好性与噪声降低

混合电推进系统在减排降噪方面的优势符合航空业可持续发展的长远目标。通过提高燃油效率和实现精确功率控制，系统直接减少碳排放；同时，电动风扇通常比传统推进器转速更低、直径更小，有效降低噪声产生。

欧盟"航迹2050"计划的目标是以2000年水平为基准，在2050年前实现将二氧化碳排放降低75%、氮氧化物排放降低90%、噪声降低65%。混合电推进技术被视为实现这一目标的关键路径。分布式推进系统通过将单一噪声源分散为多个较小声源，并利用机翼或机身对噪声的屏蔽作用，进一步降低飞机感知噪声。美国Sugar Volt混合动力飞机概念的研究表明，与常规构型相比，其噪声比国际民航组织第三阶段标准降低81分贝。

三、混合动力系统关键技术分析

混合电推进系统的实际应用面临多项关键技术挑战，这些技术直接影响系统的性能、重量、可靠性和经济性。深入分析这些关键技术，对推动混合电推进系统发展具有重要意义。

3.1 性能设计与系统匹配

混合电推进系统的性能设计与系统匹配是确保整体性能最优的基础。与传统航空动力设计不同，混合电推进系统设计需综合考虑燃气涡轮发动机、发电机、电动机、储能装置及推进器之间的匹配关系，同时需与飞机气动布局深度耦合。

在系统设计层面，需确定混合度（电功率在总推进功率中的比例）与架构选择（串联、并联或混联）。研究表明，燃气涡轮发动机的涡轮前温度和电力系统的相对额定功率均存在使任务油耗最低的最优值。不同飞行任务剖面也对系统设计产生显著影响，如短程支线客机与远程干线客机对混合度和储能系统容量的需求差异巨大。

飞发一体化设计是性能优化的核心环节。NASA在涡轮-电分布式推进（TeDP）系统研究中，建立了推进系统性能模型和飞发一体化评估模型，全面分析推进系统设计参数对飞机重量、油耗的影响。这种一体化设计方法能够综合考虑推进系统进口/出口、机体边界层、推进器分布等参数间的相互作用，寻求全局最优解。

此外，能量管理策略对系统性能至关重要。研究表明，不同的电池放电策略对系统燃油经济性影响显著。电池的能量应优先用于在燃气涡轮发动机无法满载工作时提供功率补充，这种策略在电池能量密度超过400W·h/kg时就能实现任务油耗的降低。智能能量管理策略需根据飞行阶段、剩余航程和储能状态动态调整功率分配，实现全任务航程的最优经济性。

3.2 先进电机与电力系统

高功率密度电机是混合电推进系统的核心部件，其性能直接影响系统整体效能。当前，电机功率密度成为制约混合电推进系统发展的主要瓶颈之一。国外研究表明，分布式混合电推进系统中的电动机功率密度必须至少达到16.2kW/kg，而当前的技术仅能够达到8.8～11kW/kg。

为提升电机功率密度，超导技术被视为重要突破方向。超导电机可大幅提高功率密度和效率，但需要解决超导状态的维持问题。NASA持续开展超导技术的探索，重点关注低温冷却和液氢冷却两种冷却方案。其中低温冷却方案由喷气燃料驱动制冷机获得超导所需的低温，液氢冷却方案由飞机携带液氢储罐提供低温冷却，但面临机上存储空间不足的矛盾。

除电机外，整个电力系统也面临技术挑战。混合电推进系统需要高效可靠的发电、电能分配、电力转换和储能装置。对于大型飞机混合电推进系统，电力传输效率至关重要，涉及高电压、大容量电能传输技术与系统轻量化的矛盾。高电压运行可减少传输损耗和线缆重量，但带来绝缘、安全和电磁兼容性问题。

在储能技术方面，当前电池的能量密度远未满足航空应用需求。市场上销售的能效最高的电力储存装置是锂电池，但其比能量仅为0.15kW·h/kg，正在研发中的下一代锂电池的最大比能量也仅为0.45kW·h/kg。而要满足未来大型商用飞机的要求，电池的比能量至少应达到0.6kW·h/kg。电池技术的突破需要材料科学和电化学领域的创新，如锂空气、锂硫等新型电池技术。

3.3 热管理与能量管理

热管理技术是混合电推进系统面临的重要挑战之一。系统工作时，燃气涡轮发动机、电机、电力电子装置和电池等部件都会产生大量热量，且各自具有不同的工作温度范围和热管理需求。高效紧凑的热管理系统对保证部件工作在高效率区间、延长寿命至关重要。

混合电推进系统的热管理需综合考虑多种冷却方式，如空气冷却、液体冷却和相变冷却等。对于高功率密度电机和电力电子设备，往往需要采用液冷或油冷等高效冷却方式；而对于超导系统，则需维持极低的工作温度。热管理系统设计需要在散热性能、重量代价和系统复杂性之间寻求平衡，一体化热管理架构成为重要研究方向。

能量管理系统（EMS）是混合电推进系统的"智能中枢"，负责实时监控系统状态，并根据飞行阶段、功率需求和能源状态优化功率分配。能量管理系统需基于先进算法，如模型预测控制（MPC）、优化理论和人工智能技术，实现燃料电池、燃气涡轮发动机和储能装置之间的协调工作。良好的能量管理策略不仅能提高能源利用效率，还能延长部件寿命，提高系统可靠性。

3.4 控制与系统集成

混合电推进系统的控制系统相比传统推进系统更为复杂，需同时协调燃气涡轮发动机、电动机/发电机、储能系统和多个推进器的工作状态。系统控制需实现不同部件之间的动态响应匹配，避免功率突变导致的系统不稳定。

对于串联式混合系统，控制相对简单，主要通过电力电子设备调节各部件功率；而并联式系统需解决机械动力与电力的耦合问题，控制策略更为复杂。多变量协调控制和容错控制是系统控制的关键技术，需确保在部件故障或飞行条件突变时，系统仍能安全可靠工作。

系统集成挑战不仅体现在硬件层面，还包括功能综合和信息集成。混合电推进系统不再是独立的动力装置，而是与飞机机体深度耦合的完整系统。系统集成需解决物理接口标准化、信息交互协议统一、安全隔离等技术问题。欧洲空客公司在E-Fan X验证机开发中，专门建立了"铁鸟"地面试验设施，具有从飞行控制器到推进器的动态负载动力系统操控能力，用于验证电气、机械和热动力学的集成性能。

四、国内外研究进展与未来展望

航空混合电推进技术已成为全球航空强国竞相发展的焦点领域，各国通过一系列研究计划推动技术成熟，取得了显著进展。

4.1 美国研究进展

美国在混合电推进技术研究方面处于全球领先地位，主要由NASA牵头，联合多家航空企业开展系统性的研发工作。NASA通过"N+3"代飞机研究计划，探索了多种混合电推进概念，旨在满足2030-2035年投入使用的未来航空器技术要求。

N3-X概念代表了NASA对未来宽体客机的远景展望，其采用全复合材料、层流、翼身融合体布局，最突出的特点是采用了燃气涡轮-电力分布式推进系统（TeDP）。该系统由两台安装在翼尖的涡轴发动机驱动超导发电机产生电能，以驱动15台嵌入机身的超导电动机带动风扇产生推力。研究表明，N3-X的耗油率能比波音777-200LR飞机降低70%以上。

STARC-ABL（带后置边界层推进器的单通道涡轮-电推进飞机） 是NASA针对近期应用提出的概念方案。该机构在A320和波音737同级别客机尾部嵌入风扇的设计，风扇由2.6MW的电动机驱动，电动机由机翼下方的2台涡扇发动机驱动的发电机供电。研究表明，与常规结构相比，STARC-ABL阻力可降低7%～12%。

此外，美国实验系统航宇公司（ESAero）在NASA支持下开发的ECO-150概念机，采用双层翼设计和16台分布式电动风扇，由两台1MW级燃气涡轮发电系统供电，目标是巡航耗油率降低11%，NOx排放降低14%。这些研究体现了美国在混合电推进领域的多方面探索。

4.2 欧洲研究进展

欧洲在混合电推进研究方面与美国并驾齐驱，欧盟通过"航迹2050"计划设定了 ambitious 的环境目标，并以研究项目形式支持技术发展。

空客集团通过系列验证项目逐步推进混合电推进技术成熟化。其创新工作室开发的Cri-Cri飞机采用四台电动机驱动四个对转螺旋桨，于2010年成功试飞；随后开发的E-Fan电动涵道风扇推进飞机于2013年年底成功试飞。在这些技术验证的基础上，空客与西门子、罗罗公司联合开发了E-Airbus100座级支线客机概念，采用E-Thrust混合电推进系统，在机身后部安装一台嵌入式涡扇发动机带动发电机，驱动安装在机翼上的6台风扇。

2017年，空客、罗罗和西门子联合启动了E-Fan X混合电推进验证机项目，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。该验证机计划在完成地面测试后于2020年首飞，一旦系统成熟性得到验证，将替换另一台涡扇发动机。E-Fan X项目是欧洲混合电推进技术发展的重要里程碑，旨在积累飞行经验并验证系统可靠性。

除了大型企业集团，欧洲研究机构也在积极探索混合电推进技术。荷兰航空航天研究中心（NLR）和代尔夫特理工大学联合开展的NOVAIR项目，设计了一款混合电推进飞机并采用缩比模型进行动态飞行试验，这是欧洲"清洁天空"2计划的一部分。研究表 明，采用涡轮发动机发电然后驱动电动机带动螺旋桨的方案可以将飞机油耗降低大约10%。

4.3 中国研究进展

中国在航空混合电推进领域虽起步较晚，但已迈出实质性步伐，在系统研发和验证方面取得了初步成果。国内研究机构与高校开展了基础理论与设计方法研究，同时在工程技术领域实现了重要突破。

在工程技术研发方面，中国航发湖南动力机械研究所联合山河科技、中国航发南方工业有限公司、湘潭大学等机构，基于山河科技SA60L轻型运动飞机平台，突破了串联架构混合电推进系统关键技术，成功研制国内首套航空混合电推进系统。2022年3月，搭载该系统的我国首款油电混合动力通用飞机在株洲芦淞通用机场成功试飞。试飞员反馈飞机"平稳、安静，响应快、加速快，动力富余"。该系统为80KW级串联式架构，通过燃气涡轮发动机驱动发电机发电，与储能系统共同为电动机提供电力，再由电动机驱动螺旋桨为飞机提供动力。

与此同时，中国航发四川燃气涡轮研究院面向未来混合电推进系统设计需求，完成了30kW级电驱动涵道风扇设计与试验研究。其与辽宁通用航空研究院合作，将这款电驱动涵道风扇配装于锐翔RX-1电动飞机改装的无人机，于2021年8月完成了飞行试验。飞行持续12分钟，巡航高度1500米，系统全程运行正常，性能指标符合设计预期，初步验证了电驱动涵道风扇技术在飞行器中的应用可行性。

在学术研究层面，国内多所高校也开展了积极探索。哈尔滨工业大学秦江等人针对航空用燃料电池及混合电推进系统的发展进行了分析，探讨了高温燃料电池与燃气涡轮组成混合动力系统的可行性。南京航空航天大学张卓然团队开展了飞机电气化背景下先进航空电机系统技术研究；西北工业大学王刚团队针对电动无人机动力系统进行了优化设计并提出了相应的航时评估方法。这些基础研究工作为中国混合电推进技术的发展奠定了理论基础。

4.4 技术发展路径与挑战展望

综合分析全球混合电推进技术发展态势，其技术路线图呈现出从小型到大型、从分布式到集中式、从验证到应用的渐进特征。初步技术应用将集中于通用航空、无人机等小型飞行器，随后逐步向支线客机、单通道干线客机扩展，最终可能应用于宽体客机。

混合电推进技术的发展仍面临一系列挑战。在技术层面，高功率密度电机、高能量密度储能、高效热管理和系统集成是主要瓶颈。特别是在储能方面，电池技术需实现从当前0.15-0.45kW·h/kg到0.6kW·h/kg的跨越，才能满足大型电动飞机的能量需求。在适航认证层面，混合电推进系统作为全新概念，需要建立相应的适航标准和认证方法，这需要工业界与适航当局的密切合作。在基础设施层面，混合动力飞机的发展需要相应的地面支持设施、充电设备和维护体系，这也将是一个系统性工程。

未来混合电推进技术可能与其他新兴技术领域深度融合，如人工智能技术在能量管理中的应用、新型材料在轻量化和热管理中的应用、氢能源作为替代燃料的混合动力系统等。姬志行等学者提出的"燃料电池-燃气涡轮"混合系统，通过预重整和高温燃料电池实现碳氢燃料的电化学利用，避免了传统氢燃料电池飞机储氢困难的问题，代表了混合动力系统的一个重要发展方向。

五、混合电推进技术发展趋势

航空燃气涡轮-电混合动力系统作为传统航空动力向全电推进过渡的关键技术路径，在提升燃油效率、降低排放噪声、创新气动布局等方面展现出巨大潜力。本文系统分析了串联式和并联式混合动力系统的基本原理与性能特点，深入探讨了性能设计、先进电机、热管理、能量管理和控制系统等关键技术挑战，并梳理了国内外发展现状。

研究表明，混合电推进技术通过燃气涡轮发动机与电推进系统的有机结合，可实现两者优势互补。串联式系统布局灵活，适用于分布式推进概念，可实现极高的等效涵道比；并联式系统传动效率高，适用于传统布局改进，技术过渡更为平滑。不同构型各有特点，可满足不同类型航空器的动力需求。

然而，混合电推进技术的成熟与广泛应用仍面临一系列技术挑战，特别是在功率密度、能量存储、热管理和系统集成等领域需进一步突破。从全球发展态势看，美国、欧洲等航空强国已从概念研究进入验证机测试阶段，而中国虽起步较晚，但已在工程验证方面取得实质性进展，为后续发展奠定了良好基础。

未来随着电池技术、超导电机、智能控制等领域的进步，混合电推进系统有望在2030-2035年期间实现商业应用，成为绿色航空的重要技术支柱。这一技术的发展不仅将推动航空动力系统的变革，还将促进飞机设计理念的革新，为航空业应对能源和环境挑战提供有效解决方案。

&注：文章内使用的及部分文字内容来源网络，部分图片来源于中国航发四川燃气涡轮研究院《推进技术45卷》，仅供参考使用，如侵权可联系我们删除，如需了解公司产品及商务合作，请与我们联系！！

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。泰德航空以客户需求为导向，积极拓展核心业务，与中国航发、中航工业、中国航天科工、中科院、国防科技大学、中国空气动力研究与发展中心等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。