面向碳中和目标的航空混电推进系统飞发一体化设计与气动收益机理研究

在全球航空运输规模持续扩张与环保压力日益严峻的双重背景下，绿色航空已成为行业转型的必然方向。混电航空动力作为融合传统燃气涡轮与电力推进优势的新型动力形式，以其在减排、降噪与能效提升方面的显著潜力，成为实现航空业碳达峰、碳中和目标的关键技术路径。本文系统梳理了绿色航空动力技术的发展脉络与工程应用现状，深入剖析了混电航空动力的系统架构、关键技术与国际研发进展。在此基础上，重点围绕飞机−发动机匹配设计、混电系统性能与结构设计、涡轮机优化、电推进系统、航空电池与储能技术、控制与能量管理等核心技术领域的发展现状与未来方向进行了详细论述。文中还结合湖南泰德航空在混合动力系统领域的实践，分析了其在燃油泵/阀、电机及eVTOL增程式发电配套系统等方面的技术贡献。最后，对混电航空动力的整体发展趋势进行总结，为我国先进混电航空动力技术的自主研发与工程化提供参考。

一、绿色航空动力技术发展概述

1.1 绿色航空的发展背景与政策驱动

随着全球气候变暖问题日益突出，国际社会对碳排放的控制日趋严格。航空业作为高能耗、高排放行业，其绿色转型已成为全球共识。2016年，国际民航组织（ICAO）正式通过“国际航空碳抵消及减排机制（CORSIA）”，确立了航空业在2035年实现碳达峰、2050年实现碳中和的战略目标。2021年，航空运输行动小组（ATAG）进一步承诺全球民航运输将于2050年实现净零碳排放。这一系列国际协定与行业承诺，为全球航空技术的绿色化发展奠定了政策基础。

主要航空发达国家与地区相继颁布了详细的技术路线图。欧盟在“2050年目标—欧洲航空零排放路线图”中明确将混电推进、氢燃料与可持续航空燃料（SAF）列为三大支柱技术。美国NASA发布的“地平线2050：可持续航空未来的飞行规划”将电气化飞机推进（EAP）视为颠覆性技术，旨在通过系统级创新实现燃油消耗与排放的跨越式降低。英国通过“ATI技术战略2022——零碳目标”推动先进动力系统与轻量化材料的融合研发。这些顶层规划不仅明确了技术方向，更通过国家级的科研项目与资金支持加速技术成熟。

我国民航业积极响应国际趋势。2021年，中国民用航空局发布《“十四五”民航绿色发展专项规划》，系统部署了绿色航空器研发、清洁能源应用、运行效率提升等任务，旨在推动民航业实现高质量、低碳化发展。规划特别强调了对新型推进技术，尤其是混电、全电推进的预先研究与验证支持，为我国相关技术从跟跑到并跑提供了战略指引。

1.2 主流绿色航空动力技术方向与工程进展

在绿色航空动力的工程化道路上，目前已形成多条并行发展的技术路径，其中风扇齿轮传动技术、开式转子技术与混电技术是当前最具代表性的三大方向。

风扇齿轮传动技术的核心是在发动机风扇与低压压气机之间引入减速齿轮箱，使二者能在各自最优转速下运行。该技术能显著提升涵道比、降低燃油消耗与噪声。普惠公司的PW1000G系列发动机是此技术的成功典范，其通过齿轮传动风扇（GTF）实现了涵道比的大幅提升（约12:1），燃油效率改善达两位数百分比，且噪声认证裕度显著增加。罗∙罗公司的“超扇”（UltraFan）验证机进一步将行星齿轮传动与复合材料风扇叶片结合，目标涵道比超过15:1，旨在为未来大推力发动机提供技术储备。该技术已从验证阶段步入广泛应用，为空客A320neo、A220等机型提供了动力选项。

开式转子技术通过取消外涵道，使转子叶片直接暴露于气流中，本质上是涡桨与涡扇技术的融合。其优势在于推进效率的极大提升，旁通比可达30:1以上，从而大幅降低油耗。然而，暴露的转子也带来了噪声控制与结构安全的挑战。CFM国际公司主导的“可持续发动机革命性创新”（RISE）项目正全力推进开式转子架构的研发，计划将效率较现役LEAP发动机提升20%，并已于2022年完成核心机测试，目标在2025年后开展飞行测试。该技术被视为2030年代中短程干线飞机的潜在动力解决方案。

混电技术作为本文论述焦点，它并非单一部件创新，而是燃气涡轮与电力系统在架构层面的深度耦合。该技术通过引入电机、发电机、储能电池及先进电力电子设备，实现能量流的多路径管理与优化。其核心价值在于：第一，通过“削峰填谷”使燃气涡轮始终工作于高效区间；第二，电机可提供瞬态高扭矩，改善起飞与爬升性能；第三，电功率传输的灵活性为飞机气动布局（如分布式推进）带来革命性可能。混电技术根据功率等级与耦合方式的不同，覆盖了从通用航空、城市空运到单通道干线飞机的广阔应用场景，已成为全球航空动力研发的最前沿。

二、混电航空动力关键技术发展现状与趋势

2.1 飞机−发动机一体化匹配设计

传统的飞机与发动机设计相对独立，而在混电航空动力，尤其是分布式推进系统中，飞发一体化设计成为释放系统潜力的关键。该设计理念的核心是利用电能传输便捷、电机布置灵活的特点，将推进系统深度融入飞机气动外形中，实现气动、推进与结构的高度协同。

其主要技术优势体现在两方面：一是通过分布式布局突破物理限制。传统大涵道比涡扇发动机的尺寸受起落架高度限制，而分布式电推进系统可将多个小型风扇/螺旋桨沿机翼或机身布置，实现极高的等效涵道比，从而大幅提升推进效率。二是实现流动主动控制以降低阻力。典型应用是附面层吸入（BLI）技术。通过将推进器置于机身或机翼后方低能流区域，吸入并加速附面层气流，能有效降低摩擦阻力与型阻。NASA的STARC-ABL构型将涡轮发电系统置于机身后端，电机驱动尾部的边界层吸入风扇，研究表明该设计可减少约12%的任务燃油消耗。更为激进的N3-X概念机采用翼身融合体与尾部嵌入式分布式风扇阵列，其BLI效果预计能使燃油消耗较基准飞机减少高达70%。

此外，分布式电推进还能通过翼尖安装推进器来抑制翼尖涡流，降低诱导阻力。NASA的X-57 Maxwell验证机即在翼尖布置电机，其PEGASUS概念更进一步，结合了翼尖螺旋桨与尾部BLI推进器，预计整体推进效率可提升18%。这些设计均表明，飞发一体化已从气动补偿走向功能融合，是未来混电飞机总体设计必须攻克的核心技术。

2.2 混电动力系统构型与性能设计

混电动力系统的构型直接决定了其性能特点与应用场景。目前主流构型分为串联、并联与串并联复合式三类。

串联混电系统实现了原动机（燃气涡轮）与推进器的完全解耦。燃气涡轮驱动发电机发电，电能供给电机驱动风扇/螺旋桨，并为电池充电。其最大优点是燃气涡轮可恒定工作在最高效率点，不受飞行状态干扰，且推进器布置极为灵活，非常适合分布式推进与BLI应用。NASA的STARC-ABL和空客早期的E-Thrust概念均采用此构型。然而，能量经过“机械能-电能-机械能”两次转换，在高速巡航时总体效率损失较大，且对发电系统与电推进系统的功率密度与效率要求极高。

并联混电系统中，燃气涡轮与电机通过机械方式（通常共轴或通过齿轮箱）共同驱动同一风扇/螺旋桨。电机既可作为辅助动力（助力模式），也可作为发电机（发电模式）。该构型的优势在于保留了燃气涡轮直接推进的高效率路径，特别适合需要高推力密度的起飞爬升阶段，电机可提供补充功率；在巡航时，燃气涡轮多余的功率可为电池充电。波音的SUGAR Volt和CFM RISE计划中的混电方案均包含并联构型。其挑战在于复杂的扭矩耦合与传动系统设计，以及瞬态工况下的功率协调控制。

串并联复合式系统则更为灵活，通常包含由燃气涡轮直接驱动的风扇和完全由电机驱动的风扇。例如，一部分分布式风扇由涡轮轴驱动的发电机供电，另一部分则由电池驱动。这种构型可根据任务阶段优化能源分配，但系统复杂度和控制难度最高。

在性能设计上，需在多目标之间进行权衡：包括任务燃油消耗、电池重量与循环寿命、系统功率密度、热管理负荷以及成本。当前的研究重点在于开发高保真的多学科设计与分析工具，以在飞机级、系统级和部件级进行协同优化。

2.3 涡轮机结构设计的适应性与优化

在混电系统中，涡轮机的角色从单一的推力提供者转变为兼顾发电的“动力核心”。其设计思路正从“基于成熟型号微改”向“面向混电需求新研”演进。

当前，为缩短研发周期和降低风险，许多项目选择对现有成熟核心机进行适应性改造。例如，GE在RISE计划中，计划在开式转子发动机的核心机基础上集成高速电机；普惠则以其GTF齿轮传动架构为基础，探索电机辅助的可能性。这种策略能快速验证混电概念，并利用现有供应链与维护体系。然而，其局限性在于传统涡扇发动机的核心机循环参数（如压比、涡轮前温度）并非为频繁变工况或恒速发电而优化，可能限制系统整体效率的进一步提升。

未来面向混电的涡轮机将进行更深层次的定制化设计。在串联构型中，涡轮机将更趋近于一台“航空用燃气轮机发电机”，追求在固定设计点（对应飞机巡航状态）的最高发电效率、更小的尺寸重量以及更快的功率响应速度。在并联构型中，涡轮机则需要与电机实现更好的扭矩-转速特性匹配，可能涉及对低压涡轮、轴系乃至齿轮箱的重新设计，以优化二者共同工作时的效率包线。此外，无论是何种构型，涡轮机的二次功率提取能力（用于驱动大功率发电机）和热管理集成（电机与电力电子设备的冷却需求）都将成为设计的关键输入。

2.4 电推进系统的高功率密度优化设计

电推进系统是混电架构中电能转化为推力的执行末端，其性能，尤其是功率密度（kW/kg）和效率，直接关乎系统的实用性。

提升功率密度的主要途径在于电机拓扑创新与先进材料应用。在拓扑方面，永磁同步电机因其高效率和功率密度成为主流选择，其优化方向包括减少齿槽转矩、优化磁路以降低铁损、采用油冷或相变冷却以提升散热能力。NASA的EAP项目已成功验证了多种高功率密度电机设计。

高温超导技术被视为颠覆性方向。超导材料在临界温度下电阻为零，可承载极大电流，从而制造出功率密度远超传统铜绕组的电机。NASA与多家企业合作，正在开发兆瓦级航空用高温超导电推进系统，目标功率密度达到传统电机的2-3倍以上。尽管面临低温冷却系统的复杂性和成本挑战，但其对于大型混电/全电飞机的潜力巨大。

在电耦合传动方面，除直接驱动外，引入减速齿轮箱也是一种重要优化手段。NASA提出的VEATE构型将电机与行星齿轮箱深度集成，使电机工作在高转速、低扭矩的高效区，从而减小电机尺寸重量，同时齿轮箱还能实现涡轮机与推进器之间的转速解耦，提升系统控制自由度。这种机电融合的设计思路是未来电推进系统深度优化的重点。

2.5 航空电池与能量存储系统的挑战与突破

对于串联或具备纯电飞行模式的混电系统，储能系统的能量密度（Wh/kg）是决定航程与商用的关键瓶颈。

当前，高比能锂离子电池仍是工程应用的主流。通过采用硅碳复合负极、高镍正极等新材料，量产电芯的能量密度已突破300 Wh/kg，系统级（含热管理、结构件）可达200 Wh/kg左右，可满足城市空运（UAM）等短途任务需求。

面向未来，固态电池、锂硫电池和锂空气电池是三大前沿方向。固态电池采用不可燃的固态电解质，安全性高，理论能量密度可达500 Wh/kg以上，是近期最有望取得突破的技术。NASA的SABERS项目正专注于开发适用于航空的固态锂硫电池，已取得单体性能的显著进展。锂硫电池理论能量密度高达2600 Wh/kg，但面临硫导电性差、多硫化物穿梭效应导致循环寿命短等难题。PolyPlus等公司的保护性锂金属负极技术为解决此问题提供了可能。锂空气电池理论值最高，但技术成熟度最低，尚处于基础研究阶段。

无论采用何种化学体系，航空电池系统都面临严峻的安全性与热管理挑战。航空器工况严苛，对电池的振动、冲击、高低温适应性要求极高。先进的电池管理系统必须具备高精度的状态估计（如采用基于模型的算法融合多传感器数据）、智能热管理（如液冷与相变材料结合）以及多层级故障隔离与防护能力，确保在任何异常情况下都不会引发热失控。

2.6 控制与综合能量管理技术

混电航空动力是一个多能量源（燃油化学能、电池电能）、多能量形式（机械能、电能）、多负载（推进、航电、环控）的复杂动态系统。其控制与能量管理策略的优劣，直接决定了系统性能、安全与可靠性。

综合能量管理 的核心任务是根据飞行任务剖面（起飞、爬升、巡航、下降）、当前系统状态（电池SOC、发动机健康）以及优化目标（最低燃油消耗、最低总能耗、延长电池寿命等），实时、动态地分配燃气涡轮、电池与电机之间的功率流。例如，在起飞爬升等高功率需求阶段，控制策略可能指令电池与涡轮共同输出最大功率（“峰值助力”）；在巡航阶段，则可能让涡轮工作于最佳效率点，多余功率为电池充电，或由电池提供部分功率以进一步降低涡轮油耗。

这需要开发高度智能化的能量管理控制器，其算法从基于规则的基础策略，向基于优化模型（如动态规划、模型预测控制）的先进策略发展。这些算法需嵌入对部件退化、环境不确定性的鲁棒性考量。同时，控制系统还需实现多电气总线（高压直流、交流）的稳定与电能质量治理，并深度集成热管理系统的控制，因为电系统的废热已成为飞机主要热载荷之一。

三、混合动力系统领域的技术实践

湖南泰德航空技术有限公司作为国内专注于先进航空动力系统研发的高新技术企业，在混电航空动力这一新兴领域进行了前瞻性布局与扎实的技术积累。其研发方向紧密围绕混电系统的核心部件与子系统，致力于突破工程化应用的瓶颈。

在关键元件级，公司深入研发适用于航空混电环境的高性能燃油泵与精密控制阀。与传统发动机的纯机械液压控制不同，混电系统的燃油供给需响应电控单元的精确指令，实现与电机功率输出的快速协同。湖南泰德航空开发的电动燃油泵与电液伺服阀，注重高功率密度、快速响应特性和在宽温域、高振动环境下的可靠性，为混电系统中涡轮机的高效、稳定供油提供了基础保障。

在电驱动领域，公司专注于开发高转速永磁电机及其控制器。针对eVTOL（电动垂直起降飞行器）和轻型混电飞机对推进电机高功率密度、高转矩密度的迫切需求，湖南泰德航空的电机产品在电磁设计、冷却方案和轻量化结构方面进行了优化。其控制器集成了先进的控制算法，能够实现精准的转矩、转速控制，并具备良好的容错运行能力，以满足航空安全标准。

尤为值得一提的是，公司目前重点布局eVTOL增程式发电配套系统的研究。纯电eVTOL面临航程与续航时间的根本制约，增程式混动（EREV）成为提升任务能力的重要技术路径。湖南泰德航空运用专用小型航空重油涡轮发电机组。该机组针对eVTOL的尺寸、重量和功率需求可进行量身定制，具有启动快、功率响应迅速、油耗低的特点。这套增程系统不仅能为eVTOL提供可观的航程延伸，还能在紧急情况下作为备用电源，提升飞行安全裕度。该系统的研发，体现了湖南泰德航空从单一部件向集成子系统解决方案迈进的技术能力。

通过这些在核心元件、电推进单元和集成发电系统等方面的持续投入与技术突破，湖南泰德航空正在为国内混电航空动力产业链的完善与自主化做出实质性贡献，为未来更大功率、更复杂构型的混电动力系统研发奠定了工程基础。

四、结论与展望

混电航空动力是航空业应对环保挑战、实现可持续发展的关键技术革命。它并非对传统动力的简单修补，而是通过能源形式的融合与系统架构的创新，开辟了一条兼顾性能与环保的新路径。

从发展趋势看，混电技术正沿着“功率等级由小到大、构型由串联向并联/复合式深化、应用场景从通用航空向干线飞机拓展”的路径演进。短期内，基于现有涡轮核心机的轻度混动（MHEV）和用于城市空运的串联混动/增程系统将率先实现商业化。中长期，面向单通道客机的强混动（SHEV）或部分混动系统将成为研发焦点，其成功关键在于高功率密度电推进、高比能储能与智能能量管理技术的协同突破。

关键技术的发展方向明确且具挑战性：

飞机−发动机一体化设计将从概念研究走向工程优化，催生新的飞机构型。

涡轮机将逐步从“改型”走向“新研”，诞生专为混电优化的高效发电或动力核心。

电推进系统的功率密度提升依赖高温超导等新材料工艺的成熟。

航空电池需在能量密度、功率密度、安全性及循环寿命上取得平衡突破，固态电池是最有希望的下一代技术。

控制与能量管理将向基于数字孪生与人工智能的自适应、多目标优化方向发展。

对我国而言，发展混电航空动力既是机遇也是挑战。机遇在于我们与国际先进水平的差距相对传统发动机领域较小，且拥有全球最大的电动汽车产业基础作为技术外溢来源。挑战则在于航空级的高安全、高可靠、轻量化标准极为严苛，需要跨行业（航空、电力电子、材料、化工）的深度融合与长期投入。建议整合国内优势资源，形成国家级研发体系，聚焦核心瓶颈技术，同时鼓励如湖南泰德航空等企业开展前沿部件与子系统研发，通过“国家队引领、企业参与、应用牵引”的模式，稳步推进我国混电航空动力技术的自主创新与产业化进程，最终在未来绿色航空产业格局中占据有利位置。

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