低空经济的动力底座：小型全电/混动飞机在城市空中交通体系中的战略定位与技术成熟度研判

摘要:随着城市交通拥堵加剧、超高层建筑灭火救援难题凸显以及危重病人紧急运送等应用场景的日益迫切，全电/混动飞机正在成为航空领域最具活力的创新方向之一。电动垂直起降飞行器（electric vertical take-off and landing，eVTOL）以其分布式电推进、低噪声、零排放等独特优势，为城市空中交通和短途运输提供了全新的技术范式。本文系统梳理了全球全电/混动飞机的产业政策与发展趋势，将小型全电/混动飞机的技术路线归纳为六大类型，从起降形式、动力拓扑、载客能力、巡航速度、航程和功率等级等维度进行了全面对比；按照功率等级深入剖析了三相永磁同步电机、多相永磁同步电机、兆瓦级涡电系统电机/发电机及高温超导电机等航空推进电机的关键技术参数与发展现状；进而系统阐述了纯电直驱、发动机/涡轮直驱、串联混电、并联混电和串/并联混电五种动力系统架构的拓扑结构、工作模式及应用特点。在此基础上，本文总结了当前全电/混动飞机在兆瓦级涡轮轴发动机、高功率密度航空推进电机、高能量密度储能系统和分布式推进架构等方面面临的共性技术挑战，并对未来发展趋势进行了展望。

关键词：全电飞机；混合动力飞机；eVTOL；分布式电推进；航空推进电机；动力系统架构

一、电动飞机前言发展概述

交通运输领域是全球碳排放的重要来源之一，航空业作为其中增长速度最快的板块，其绿色低碳转型已上升为世界主要经济体的战略共识。NASA研究指出，电动飞机可实现节能超过60%、减排超过90%、降噪超过65%。在这一宏观背景下，发展全电/混动城市空中交通不仅是解决地面交通拥堵、实现点对点短时高效运输的重要路径，更是降低航空碳排放的关键技术方向。

从技术演进的角度看，飞机电气化经历了从“多电飞机”——即使用电气设备部分替代二级飞机系统的渐进式变革，到“全电推进飞机”——即以电力作为核心推进动力源的颠覆式创新。分布式电推进系统、高功率密度电机、高能量密度储能技术、自主飞行技术以及先进环控系统等关键领域的突破，正在重塑小型通用航空飞机的设计范式。与传统的鱼鹰V-22等复杂垂直起降飞机相比，eVTOL飞机在降低操作复杂度和运营成本，以及显著降低噪声方面展现出明显优势。

本文旨在系统梳理小型全电/混动飞机在全球范围内的发展现状与技术脉络。首先概述产业政策与宏观发展趋势，继而从飞机架构层面归纳六条主要技术路线并比较其关键技术参数，随后深入分析航空推进电机在不同功率等级下的技术特征与应用现状，进而探讨动力系统架构的分类、拓扑与工作模式，最后展望关键技术挑战与未来发展方向。

二、全电/混动飞机产业政策与发展趋势

2.1 全球政策环境与战略布局

全球主要发达国家和经济体正以前所未有的力度布局绿色航空产业。2020年2月，美国空军启动了“敏捷至上”演示验证项目，旨在探索eVTOL技术在特种作战、救援搜索、短距运输等军事任务中的应用可行性，并推动商用航空技术向军事领域转化。美国空军与联邦航空管理局、NASA以及能源部建立合作机制，共同推进eVTOL飞机的适航认证进程。目前，Kitty Hawk、Beta Technologies、Joby和Lift Aircraft等公司的eVTOL飞机已获得美国空军适航批准。

在适航法规层面，2025年7月，美国联邦航空管理局发布了咨询通告AC 21.17-4，为eVTOL等动力升力航空器的型号合格审定提供了综合性指导框架。同期，欧洲航空安全局发布了创新空中交通监管框架，涵盖有人驾驶VTOL航空器的运行规则、飞行机组许可和空中交通整合等核心内容，使欧洲在eVTOL适航监管方面走在了全球前列。此外，美英澳等五国联合发布了eVTOL统一适航认证路线图，标志着国际适航标准的协同互认迈出了实质性步伐。

中国方面，2022年1月，交通运输部、科学技术部联合印发了《交通领域科技创新中长期发展规划纲要（2021—2035年）》，明确部署飞行汽车研发任务，提出突破飞行器与汽车融合、飞行与地面行驶自由切换等核心技术。2023年10月，工业和信息化部、科学技术部、财政部、中国民用航空局等四部门联合印发《绿色航空制造业发展纲要（2023—2035年）》，确立了“两步走”战略目标：到2025年，电动通航飞机投入商业应用，eVTOL实现试点运行，氢能源飞机关键技术完成可行性验证；到2035年，新能源航空器成为发展主流，以无人化、电动化、智能化为技术特征的新型通用航空装备实现商业化、规模化应用。该纲要进一步明确，小型航空器以电动为主攻方向，干支线等中大型飞机坚持新型气动布局、可持续航空燃料和混合动力等多种路线并存的发展策略。

2024年，“低空经济”首次写入中国政府工作报告，2026年新修订的《民用航空法》为低空飞行提供了法治保障，适航审定正从“一事一议”迈向统一标准，空域管理、通信基础设施与地方补贴同步推进。据预测，2025年中国低空经济市场规模将达到1.5万亿元，2035年有望达到3.5万亿元。

2.2 产业发展动态与商业化进程

在全球产业竞争层面，美国企业在适航取证和飞行测试方面保持领先。Joby Aviation于2026年3月完成了首架符合FAA适航要求的生产型飞机飞行测试，计划于2026年底前在多个州开展大规模测试，目标是在迪拜率先启动商业运营，并在获得FAA认证后在美国推出服务。Archer Aviation成为首个获得FAA100%“符合性方法”接受的eVTOL企业，手握约20亿美元现金和超过60亿美元的订单储备。Beta Technologies与Joby、Archer共同被纳入美国交通运输部“先进空中交通与eVTOL整合试点计划”，获得在26个州开展实景测试的许可，最早将于2026年夏季启动测试。

中国eVTOL产业正从技术验证加速迈向商业化落地。峰飞航空2吨级eVTOL凯瑞鸥已完成150公里远海石油平台物资运输飞行，成功集齐型号合格证、生产许可证和单机适航证，成为全球首个吨级以上载物eVTOL。小鹏汇天完成2.5亿美元B轮融资，飞行汽车量产工厂进入设备调试阶段，计划2026年实现量产交付。海外市场方面，时的科技与阿联酋企业签署10亿美元订单，供应350架E20 eVTOL；沃兰特航空与泰国企业达成17.5亿美元合作，提供500架eVTOL用于岛际运输及应急救援。预计2026至2027年间，小鹏汇天、峰飞航空、沃飞长空、沃兰特、时的科技等多家中国企业有望陆续获颁适航证，为大规模商业化铺平道路。

值得关注的是，全电/混动飞机的技术研发与产业链建设正在全球范围内形成协同效应。2021年，GE Aviation与NASA启动合作开发兆瓦级混合电力推进系统；Rolls-Royce的“加速飞行电气化”项目将电机、电力电子和电池产品系统性地引入通勤飞机和城市空运领域。中国依托电动汽车、轨道交通等新能源装备领域积累的技术优势和先进工业基础，正在加快构建覆盖电池、电机、飞控、材料等核心环节的现代化产业链，为航空制造业绿色化转型提供了重要的技术和产业支撑。

三、全电/混动飞机架构发展路线

按照起降方式、动力布局和飞行模式的不同，小型全电/混动飞机可归纳为六大技术路线：传统固定翼飞机电气化改造机型、多旋翼eVTOL飞机、复合型固定旋翼–主机翼eVTOL飞机、复合型可倾转旋翼–主机翼eVTOL飞机、滑跑起降型飞行汽车以及垂直起降型飞行汽车。以下分别予以阐述。

3.1 传统固定翼飞机电气化改造

传统固定翼飞机电气化改造的基本思路是保持现有飞机的气动布局和结构架构不变，将内部动力总成替换为电机、电控、电池及对应的飞控系统。这类飞机通常具有大展弦比机翼，诱导阻力较低，巡航效率优异。典型的代表机型包括Rolls-Royce公司的“创新精神”号、NASA X-57 Maxwell全电验证机、西门子Extra 330LE、MagniX与AeroTec航空合作改造的塞斯纳208B全电飞机、以色列Eviation Alice全电飞机以及瑞典Heart宇航公司的ES-19全电飞机。

Rolls-Royce“创新精神”号搭载三台YASA轴向磁通电机，采用500马力（约400 kW）电动推进系统，配备能量密度最高的飞机用电池组，于2021年11月创下555.9 km/h的电动飞机速度世界纪录。该项目的成功验证了高功率密度轴向磁通电机在航空推进系统中的工程可行性，为后续全电飞机动力总成设计提供了重要的技术参照。

NASA X-57 Maxwell是分布式电推进技术的标志性验证平台。该机由意大利Tecnam P2006T双发活塞飞机改装而来，采用分布式推进系统架构——单条460 V直流母线通过碳化硅控制器供电，驱动沿主机翼前缘分布的12台9 kW高升力电机和翼尖2台60 kW巡航电机。在起飞和降落阶段，12台小电机全部启动，获得类似喷气襟翼的增升效果；巡航阶段，仅翼尖2台大电机工作，小螺旋桨沿轴线收拢以降低阻力。该机设计航程约160 km，最大飞行时间约1小时。尽管X-57项目因推进系统问题于2023年被NASA终止，但其所验证的分布式电推进架构、隔离式双向功率转换和多电压层级全电系统等关键技术，深刻影响了后续eVTOL飞机的电气系统设计理念。

Eviation Alice是一架双机组九座全电通勤飞机，验证机采用3台Magni250电动机，量产机升级为2台Magni650电机驱动，配备容量约900 kWh、质量约3吨的电池组，霍尼韦尔提供电传飞控系统。该机代表了传统固定翼飞机电气化改造路线中载客量和航程的综合平衡方案。

3.2 多旋翼eVTOL飞机

多旋翼eVTOL飞机是最早进入实际飞行测试的电动垂直起降构型，其最大特点是可像直升机一样垂直起降和悬停，同时具备固定翼飞机的快速巡航能力。该构型的代表机型包括凯迪拉克eVTOL、空客City-Airbus、Kitty Hawk Flyer飞行摩托、Volocopter VoloCity、Skai氢燃料电池eVTOL以及小鹏汇天旅航者X2。

空客CityAirbus eVTOL由8台100 kW电机驱动，采用800 V直流母线经DC/AC逆变器供电的电气架构，最多可搭载4名乘客，设计航程约50 km，主要面向城市内短途空中出行场景。多旋翼构型的优势在于机械结构简单、无需复杂的倾转机构、适航审定难度相对较低；其局限则在于巡航飞行阶段升阻比较低，能耗大，航程受限，因此更适合50 km以内的超短途运输场景。

小鹏汇天旅航者X2是中国多旋翼eVTOL的代表产品，已完成多次载人飞行演示。该公司同步推进的“陆地航母”分体式飞行汽车方案已下线首台飞行器，计划2026年实现量产交付。

3.3 复合型固定旋翼–主机翼eVTOL飞机

复合型固定旋翼–主机翼eVTOL飞机在垂直起降阶段依靠多个固定旋翼提供升力克服重力，进入巡航阶段后切换到主机翼提供升力，以更高的升阻比和更低的能耗实现更快的飞行速度和更远的航程。该构型省略了复杂的倾转机构，便于适航审定，同时能达到较为理想的经济效应。

代表机型包括Volocopter VoloConnect、太力飞车TF-2A、空客CityAirbus NextGen、峰飞航空V1500M盛世龙、Paragon Soar以及Beta Technologies ALIA-250。以Beta Technologies ALIA-250为例，该机最大起飞重量约3.2吨，可搭载5名乘客或635 kg货物，航程约460 km，巡航速度约270 km/h。其推进系统由1台尾部推进电机和4台固定升力旋翼电机构成，垂直起降阶段全部电机工作，巡航阶段仅尾部推进电机驱动。峰飞航空V1500M盛世龙是另一代表性机型，最大起飞重量2.5吨，可搭载4人，设计航程250 km，巡航速度200 km/h。

3.4 复合型可倾转旋翼–主机翼eVTOL飞机

复合型可倾转旋翼–主机翼eVTOL飞机通过在旋翼驱动电机的支撑部分设计倾转机构，实现多个旋翼在垂直起降阶段提供升力、在巡航阶段倾转为推进动力的工作模式转换。相比固定旋翼构型，可倾转构型消除了巡航阶段的旋翼死重和阻力，显著提高了巡航速度和航程，同时高巡航速度又增强了主机翼的升力贡献，成为当前全球研发最密集、融资最活跃的机型。

代表机型包括Kitty Hawk Heaviside、Lilium Jet、贝尔Nexus、Vertical Aerospace VA-X4、Archer Maker以及Joby S4。以Joby S4为例，该机配备6个可变桨距倾转旋翼，每个旋翼由1台冗余电机驱动，由2个独立逆变器供电，每个逆变器分别连接至独立的电池组。全机共有4个独立冗余电池组，即使1个旋翼、逆变器或电池组出现故障，飞机仍可安全飞行。Joby S4最大起飞重量约2.2吨，可搭载1名飞行员和4名乘客，巡航速度约320 km/h，最大航程约240 km。该机已进入FAA适航审定第五阶段（最终阶段），是目前全球取证进度最快的载人eVTOL项目之一。

Archer Maker是另一进展显著的可倾转构型，采用12台升力旋翼和6台倾转推进旋翼的混合布局，巡航速度约240 km/h，航程约100 km，专为20分钟以内的城市空中出行场景优化设计。Vertical Aerospace VA-X4则采用4台倾转旋翼和4台固定升力旋翼的组合布局，最大起飞重量超过3吨，巡航速度达325 km/h，航程超过160 km。

3.5 滑跑起降型飞行汽车

滑跑起降型飞行汽车兼具地面行驶和空中飞行功能，车轮或车轴配置减速器和驱动电机，需要一定长度的跑道实现起降。该构型的核心挑战在于如何平衡车辆与飞机两种形态在设计要求上的诸多矛盾——车辆需要紧凑尺寸、低速操控性和碰撞安全性，飞机则需要大翼展、轻量化和高速稳定性。

代表机型包括荷兰PAL-V折叠旋翼飞行汽车、美国Terrafugia Transition折叠机翼飞行汽车、斯洛伐克Aeromobil 4.0机翼向后收拢飞行汽车以及斯洛伐克AirCar机翼向后收拢飞行汽车。其中AirCar被认为是最接近飞行汽车形态的设计：该机采用宝马1.6 L汽油发动机驱动尾部螺旋桨和地面车轮，机翼可向后收拢至机身两侧，已完成从斯洛伐克尼特拉到布拉迪斯拉发约80 km的城际飞行测试，地面行驶最高速度约160 km/h，空中巡航速度约190 km/h。滑跑起降型飞行汽车适合中程运输（50~800 km），且需依托现有通航机场跑道运行，在陆空两用交通工具中技术成熟度相对较高。

3.6 垂直起降型飞行汽车

垂直起降型飞行汽车是技术难度最高的构型，需要同时满足电动垂直起降、高效巡航、地面行驶和模式切换四大功能需求。该构型面临高功率推重比电机开发、旋翼可收展设计、机翼可折叠设计以及飞行与行驶模式可靠切换等多重技术挑战。

代表机型包括空客、奥迪和Italdesign合作开发的Pop.Up Next模块化飞行汽车概念、小鹏汇天XPeng X3飞行汽车、Terrafugia TF-X VTOL飞行汽车以及Aeromobil 5.0 VTOL飞行汽车。Pop.Up Next采用模块化设计理念，由载人舱、地面行驶底盘和空中飞行模块三部分组成，已完成1:4缩比模型的首飞测试。小鹏汇天XPeng X3飞行汽车整备质量1937 kg，采用分体式设计——飞行模块与地面行驶模块可分离组合，已完成全尺寸样机的首飞测试。垂直起降型飞行汽车无需跑道，适合中程运输，但其技术成熟度目前仍处于原型机验证阶段，距离商业化还有较长距离。

3.7 六条技术路线综合比较

综合以上分析，六条技术路线在起降方式、载客能力、航程、巡航速度和应用场景等方面存在显著差异，适用于不同的市场需求和运营条件。传统固定翼电气化改造机型适合有固定机场和跑道的场合（160~400 km）；多旋翼eVTOL飞机适合50 km以内的超短途运输且无需机场；复合型固定旋翼和可倾转旋翼eVTOL飞机适合80~460 km的中短途运输，同样无需机场；滑跑起降型飞行汽车适合50~800 km的中程运输但需跑道支持；垂直起降型飞行汽车适合中程运输且无需跑道，但技术难度最大。

从全球研发格局来看，复合型可倾转旋翼–主机翼eVTOL飞机目前吸引了最多的资本投入和工程资源，代表企业在适航取证进度上也最为领先。传统固定翼电气化改造机型则在通勤航空和货运领域率先实现商业化突破。飞行汽车（包括滑跑起降型和垂直起降型）由于陆空两用功能的复杂性，商业化周期预计较长，但其“门到门”出行的终极愿景仍具有重要的战略牵引价值。

四、全电/混动飞机推进电机/发电机

航空推进系统对电机提出了极为严苛的要求——高功率密度、高扭矩密度、高可靠性、高效率以及严格的重量控制。本章按照功率等级和电机类型的维度，依次阐述三相永磁同步电机、多相永磁同步电机、兆瓦级涡轮机驱动的电机/发电机以及高温超导电机在航空推进领域的研究进展和应用现状。

4.1 三相永磁同步电机与轴向磁通电机

永磁同步电机因具有高功率密度、高效率、易于控制等优点，成为航空推进系统动力部分的优先选项。在永磁同步电机的诸多拓扑结构中，轴向磁通电机凭借多盘结构带来的更高功率密度和扭矩密度，以及中低速直驱、高扭矩的独特优势，被认为是未来理想的小型多电飞机动力系统单元。以下从冷却方案维度梳理轴向磁通电机的发展脉络。

自然散热方案：比利时根特大学Hendrik Vansompel团队历时6年研发了一款4 kW、单定子/双转子、自然散热的轴向磁通电机，系统研究了径向叠压硅钢片铁心、径向磁钢分段、定子灌封环氧树脂等工艺技术对电机性能的影响。英国克兰菲尔德大学的FEI Weizhong等设计了一款12槽10极、双转子/单定子、硅钢片径向叠压且无轭部定子铁心的自然散热轴向磁通电机，对比分析了各向异性和各向同性径向叠压工艺对空载反电势及齿槽转矩的影响。

风冷方案：英国YASA公司研发了一款160 kW单定子/双转子、离心风机风冷、定子无轭部、采用软磁复合材料定子铁心的轴向磁通电机，为后续油冷方案积累了核心技术经验。

水冷方案：芬兰拉普兰塔大学LINDH P团队开发了100 kW、双定子/单转子、水冷端盖配合铜管导热定子铁心的混合冷却轴向磁通电机。德国卡尔斯鲁厄理工学院DOPPELBAUER M团队研发了31 kW、双转子/单定子、SMC定子铁心、定子水冷铜管散热的36槽24极轴向磁通电机。美国H3X公司的集成电机驱动系统HPDM-250代表了水冷方案的最高水平——该系统集成了电机、逆变器和行星减速器，采用3D打印机壳、高频SiC电力电子器件、扁线绕组和转子Halbach磁钢阵列等核心技术，持续运行功率密度达到15.4 kW/kg，额定功率200 kW，最高效率点转速20000 r/min，需匹配6.7:1行星减速器以适配螺旋桨转速范围（1300~3250 r/min）。

油冷方案：油冷是目前轴向磁通电机在航空推进领域最先进的冷却技术。YASA公司研发的P400和750R系列采用单定子/双转子拓扑、定子浸油循环冷却、软磁复合材料无轭定子铁心等核心技术。其中750R输出峰值扭矩790 N·m、峰值功率200 kW、质量37 kg、功率密度达到5.4 kW/kg，适合直驱螺旋桨。Rolls-Royce“创新精神”号飞机使用3台YASA 750R轴向磁通电机同轴连接，峰值功率达到600 kW，由约6000个Murata 18650圆柱形电池供电，螺旋桨转速2200 r/min，系统能效达90%。比利时Magnax公司开发的AXF225系列轴向磁通电机采用无轭定子铁心、单定子/双转子拓扑、取向硅钢片和直接油冷等先进技术，峰值功率400 kW，峰值功率密度达15 kW/kg，持续功率密度7.5 kW/kg。斯洛文尼亚EMRAX 348系列外转子轴向磁通电机额定功率210 kW、功率密度10 kW/kg，已在电动滑翔机Apis EA2、Joby验证机等多个机型中得到应用。

4.2 多相永磁同步电机与分布式推进方案

为提高输出功率和系统安全性，航空推进电机常设计成具有容错冗余能力的多相电机（6相、9相、12相、24相）并采用并联供电方式，或采用多个单元电机同轴连接、并联供电的方案。

西门子SP260D是表贴永磁多相电机的典型代表，采用转子磁钢Halbach阵列、直接油冷定子方案和直接驱动螺旋桨的设计。其技术参数为直流母线电压580 V、持续输出功率260 kW、额定转速2500 r/min、连续转矩1000 N·m，电机重量50 kg，功率密度超过5 kW/kg，成功应用于西门子Extra 330LE全电飞机。针对CityAirbus eVTOL项目，西门子进一步开发了配套碳化硅控制器SD104和SP200D电机，成对使用的电机单台连续功率100 kW、额定转矩1500 N·m、扭矩密度30 N·m/kg，采用耐高温导热硅油液冷方案。

MagniX公司在全电推进系统领域推动了航空电气化的重要进展。其推出的Magni350（350 kW）和Magni650（650 kW）电力推进装置均采用定子液冷、多相绕组和转子Halbach磁钢阵列架构。Magni650由两组Magni350同轴连接构成，最高转速2300 r/min，可在万米高空运行。Magni650驱动系统应用于以色列Eviation Alice全电通勤飞机，Magni500（560 kW）电推装置应用于全电塞斯纳208B和全电DHC-2“海狸”飞机。

4.3 兆瓦级涡轮机驱动的电机/发电机

对于重型货运无人机、空中出租车、通勤飞机和支线飞机，航空推进电机需要兆瓦级的输出功率。高功率密度的兆瓦级涡轴发动机与兆瓦级发电机的组合，构成串联或并联涡电动力系统架构，用于驱动大功率电动机和螺旋桨或给电池组充电。目前该功率等级的涡电动力系统主要处于地面实验验证阶段。

霍尼韦尔公司为混合动力飞机研发了1 MW航空发电机兼电动机，拥有2套三相绕组的电励磁同步发电机结构，技术参数为功率密度8 kW/kg、效率97%、质量127 kg、额定转速19000 r/min、喷淋油冷方案，与HGT1700辅助动力装置同轴组合，可使用航空生物燃料、航空煤油和柴油运行。

GE Aviation与NASA合作开发的兆瓦级电机/发电机，电压等级达千伏级，与GE公司CT7-9B涡轴发动机组成涡电混动推进系统，作为CFM RISE开放式风扇发动机项目的一部分，拟应用于34座萨博340B支线飞机进行飞行测试。

Rolls-Royce正在研制功率范围为500~1200 kW的航空涡电混动电推系统，已在台架测试中实现1 MW发电功率，最终目标达到2.5 MW。该系统由AE2100涡轴发动机与1 MW发电机构成，与电池组共同供电给直流母线驱动分布式推进电机，构成串联涡电动力系统架构——飞行阶段由涡轴发动机驱动发电机发电，起飞和降落阶段使用电池组供电。

柯林斯宇航公司为混合动力涡桨支线飞机Dash 8-100配套1 MW电机和电机控制器，该系统每侧安装一套1 MW电机与1 MW普惠涡轴发动机构成的并联涡电混动推进系统，电机在起飞和爬升阶段提供额外动力，涡轴发动机在巡航阶段提供主要动力，支持100%可持续航空燃料。

H3X公司研制的集成模块化永磁电机驱动系统HPDM-3000拟匹配50~100座全电飞机，最大功率2.8 MW、质量220 kg、直流母线电压4.8 kV，实现12.5 kW/kg的持续功率密度。该系列可扩展为5.6 MW（2单元）、11.2 MW（4单元）和16.8 MW（6单元）多种功率等级，集成多套冗余绕组/逆变器以提高动力系统容错性。

4.4 兆瓦级高温超导电机

中大型全电或多电客机要求的推进功率达数十兆瓦，要求1~3 MW功率等级推进电机实现10 kW/kg甚至更高的功率密度。高温超导电机因其极高的效率和功率密度，成为该领域的理想选项。

NASA研发的高效率兆瓦级电机额定功率1.4 MW、功率密度16 kW/kg、效率接近99%。对于大载客量的商用飞机，NASA规划的电机功率密度目标不低于16 kW/kg。日本学者SUGOUCHI R团队研发了2 MW完全超导、磁场屏蔽的超导同步电机，在温度20 K时功率密度达40 kW/kg，在温度64 K时功率密度达20 kW/kg。MagniX公司提出了Magni Alpha超导电动机概念，设计功率密度高达25 kW/kg。日本东芝能源系统公司开发的2 MW高功率密度超导电机，外径500 mm、长度700 mm，有望在航空和eVTOL领域得到应用。

俄罗斯在Yak-40实验飞机上测试了首个基于高温超导技术、完全由电池供电的500 kW集成电力推进系统，计划用作航空全电和混合动力推进装置。综合来看，200~650 kW功率等级的航空推进电机通常采用400~900 V直流母线，而兆瓦级推进电机/发电机的母线电压范围跨度为1~10 kV，例如HPDM-3000设计母线电压4.8 kV，NASA全电概念飞机N3-X采用±5 kV中压直流方案。

4.5 航空推进电机发展趋势小结

综合以上分析，高功率密度和高效率的永磁电机在小型全电与混动飞机中已实现批量化应用，轴向磁通永磁电机凭借无轭定子、扁线绕组和油冷技术达到了12~15 kW/kg的最高功率密度水平。多相永磁电机和单元电机并联方案通过冗余设计显著提升了航空推进系统的容错能力和安全等级。兆瓦级涡电系统的电动机/发电机目前主要处于地面测试阶段，功率密度普遍在5~12.5 kW/kg范围内，距离商业化航空应用仍存在差距。高温超导电机因其40~60 kW/kg的极高功率密度，被视为中大型全电客机动力系统的理想选项，但目前仍处于样机实验阶段，冷却系统复杂度和成本是其商业化的主要障碍。

五、全电/混动飞机动力系统架构

全电/混动飞机的动力系统架构可借鉴电动/混动汽车的动力系统设计方法论，从系统设计的角度影响飞机性能的指标包括动力总成类型、部件配置和能量管理策略。美国推进和能源系统委员会将大型多电飞机动力系统架构分为全电、混电、涡电三大类，具体细分为全电、并联混电、串联混电、串/并联混电、涡电、部分涡电。本章基于单一直流母线，从纯电直驱、发动机/涡轮直驱、串联混电、并联混电和串/并联混电五种分布式动力系统架构展开阐述。

5.1 纯电直驱动力系统架构

纯电直驱动力系统适用于系统的全域工况，电池电量经双向DC/DC变换器和逆变器供电给驱动电机，驱动螺旋桨或车轮。在该架构中，主控制器ECU通过CAN或485总线控制多个电机控制器，进而控制电机和螺旋桨转速。纯电直驱架构的机载能源为蓄电池或燃料电池，优点是零排放、低噪声、维护简单；缺点是受电池能量密度限制，航程和有效载荷受到明显制约，适合中短途小型飞机使用。

NASA X-57 Maxwell是纯电直驱架构的典型代表：高压锂离子电池组经隔离式双主动桥DC-DC变换器输出稳定的±270 V直流母线电压，分别供电给翼尖2台60 kW巡航电机和12台9 kW高升力电机，每台电机均由独立逆变器精确控制。空客CityAirbus eVTOL采用800 V直流母线经逆变器供电给8台100 kW电机，同样属于纯电直驱架构。

5.2 发动机/涡轮直驱动力系统架构

发动机直驱动力系统架构包含涡轮机与发电机构成的涡电系统、汽/柴油发动机与发电机构成的混电系统。在该架构中，汽/柴/航空煤油发动机作为动力源，直接带动集成起动发电机发电，经AC/DC整流供电给直流母线，再经逆变器驱动电机和螺旋桨。主控制器ECU控制发动机运行在高效率区间，以实现低油耗和长续航。

该架构的特点是系统内没有电池或氢能等能量存储单元，能量转换过程多，效率比传统涡轮发动机低约10%。NASA的STARC-ABL是部分涡电拓扑的代表——机翼下安装2台涡扇发动机提供大部分推力，尾部电动风扇提供剩余推力并抽吸机身低速附面层以降低全机阻力，通过分布式推进和边界层吸入技术提升了整体效率。

5.3 串联混电动力系统架构

串联混电动力系统架构中，机载能源由燃料（汽/柴油、航空煤油）和电化学能源（电池、燃料电池或超级电容）共同提供。发动机带动集成起动/发电机高效发电，不直接驱动螺旋桨，经整流桥AC/DC供电给直流母线；电池组经双向DC/DC供电给直流母线；直流母线的供电由发动机和电池组共同实现，经逆变器驱动电动机和螺旋桨。

主控制器ECU控制发动机运转在最佳能效区间，富余电能储存在电池组中。该架构适合中低速工况，发动机始终工作于最优工况点，燃油经济性好。氢能与电池组组合供电的串联混电架构代表是ZeroAvia公司基于Dornier 228飞机开发的氢电动力系统，由液氢燃料–燃料电池堆和锂离子电池组构成的能源系统供电给2~5 MW电机驱动螺旋桨。

5.4 并联混电动力系统架构

并联混电动力系统架构拥有发动机和电机两个独立的动力子系统。根据运行工况和功率需求，主控制器ECU可控制发动机和电机单独或共同驱动螺旋桨，电机可作为电动机驱动螺旋桨，亦可作为发电机给电池组充电。

发动机与电机主轴可通过共轴、扭矩耦合器（两输入一输出的三平行齿轮轴系）或行星减速器实现扭矩的耦合叠加以驱动螺旋桨。该架构传动效率高，适合中低速急加速或高速巡航工况。VoltAero公司的Cassio 330采用并联混电动力推进系统，由赛峰ENGINeUS 100电机（连续功率100 kW、最大功率150 kW）与150 kW日产内燃发动机并联构成。

5.5 串/并联混电动力系统架构

串/并联混电动力系统架构中，发动机同轴驱动集成起动/发电机，经双向逆变器和双向DC/DC变换器，与电池组并联供电给直流母线，直流母线的电力再经DC/DC和逆变器驱动电机和螺旋桨。主控制器ECU判断电池组荷电状态决定ISG是否给电池组充电。

串/并联混电架构拥有最为丰富的运行模式：发动机直驱模式（高速巡航阶段ISG起动发动机，发动机直接驱动螺旋桨以提升续航里程）、纯电增程模式、发动机与电池组共同驱动模式（ISG空转不发电）、发动机与电池组共同驱动模式（ISG同时给电池组充电）。按照各动力源输出功率比重，该架构可划分为多螺旋桨–多发动机方案和多螺旋桨–单发动机方案。

5.6 五种动力系统架构对比与发展展望

综合以上分析，五种动力系统架构各有其适用场景和性能特点。纯电直驱架构零排放、低噪声，但受电池能量密度限制，适合航程不超过160 km的短途小型飞机。发动机/涡轮直驱架构长续航、大功率，适合中长途支线或大型客机，但效率比传统涡扇发动机低约10%。串联混电架构发动机始终工作于最优工况，燃油经济性好，适合中低速工况。并联混电架构传动效率高，适合中低速急加速和高速巡航工况。串/并联混电架构运行模式最丰富，兼具串联和并联的优点，但系统复杂度也最高。基于“涡轴发动机–发电机–电池组–分布式电动机”的串联、并联和串/并联涡电动力系统推进方案，正成为eVTOL飞机解决续航焦虑的可行方案，Rolls-Royce、霍尼韦尔、GE、柯林斯、赛峰等企业均在此领域布局了研发项目。

六、关键技术挑战与展望

小型全电/混动飞机的分布式推进系统尚有诸多关键技术亟待突破，归纳为以下四个方面：

第一，高功率密度、高燃油效率的兆瓦级涡轮轴发动机子系统。当前航空涡轴发动机的功率密度和燃油效率尚不能满足混合电推进系统的严苛要求。在串联和串/并联混电架构中，涡轮轴发动机需持续运行在最佳工况点以驱动发电机高效发电，这对发动机的可靠性和耐久性提出了更高要求。此外，支持100%可持续航空燃料的涡轮轴发动机技术仍需进一步验证。

第二，高功率密度的兆瓦级多相永磁航空推进电机/发电机子系统。现有量产的航空推进电机功率主要集中在200~650 kW范围，功率密度5.4~15.4 kW/kg，而支线飞机和通勤飞机所需的兆瓦级推进电机仍处于地面实验阶段，功率密度普遍低于12.5 kW/kg，距离NASA提出的不低于16 kW/kg的目标仍有差距。此外，配套的高压（1~10 kV）功率变换器和控制器在效率、功率密度和热管理方面同样面临技术挑战。

第三，高能量密度、高母线电压电池组及混合能源子系统。当前锂离子电池组的能量密度约为250~300 Wh/kg，而航空应用对能量密度的需求通常在400 Wh/kg以上。更高能量密度的固态电池、锂硫电池等新型电化学储能技术尚处于实验室阶段。氢燃料电池作为长航程补充能源，其液氢储存、低温热管理和系统集成技术仍有待突破。此外，兆瓦级推进系统要求电池组母线电压从当前的400~900 V提升至1~10 kV等级，高压绝缘和保护技术需要同步发展。

第四，串/并混联单总线、多总线架构混动系统及分布式推进系统架构。随着飞机载客量和推进功率的增加，单一直流母线架构的可靠性和扩展性面临挑战，多总线冗余架构、智能能量管理策略和容错控制算法的开发成为关键研究方向。分布式电推进系统的气动–推进耦合优化、多电机协同控制和飞控一体化设计同样是制约工程化应用的核心技术瓶颈。

展望未来，随着电池能量密度的持续提升、高温超导电机技术的逐步成熟以及氢能航空动力系统的工程化突破，全电/混动飞机的应用场景将从当前的超短途城市空中出行和通勤航空，逐步拓展至支线航空乃至区域航空领域。飞行汽车作为陆空一体化交通的终极形态，虽然面临最为复杂的技术挑战，但其所代表的“门到门”立体出行愿景将持续牵引相关技术的创新发展。

七、小型全电/混动飞机发展结论

本文系统综述了小型全电/混动飞机在产业政策、技术路线、航空推进电机和动力系统架构等方面的研究进展与发展趋势，主要结论如下：

1）全球绿色航空产业正处于政策驱动与技术突破交织的关键发展期。中国通过《绿色航空制造业发展纲要（2023—2035年）》确立了电动航空和低空经济的战略地位，美国“敏捷至上”项目和FAA/eVTOL适航体系加速了军用和商用技术的双向转化，欧洲在适航监管框架建设方面走在前列。多国联合适航标准的推进标志着eVTOL全球互认机制的初步形成。

2）小型全电/混动飞机的六条技术路线在起降方式、载客能力、航程和适用场景方面各有侧重。传统固定翼电气化改造和多旋翼eVTOL技术成熟度较高，已进入商业化应用阶段；复合型固定旋翼和可倾转旋翼eVTOL是当前研发投入最密集的构型，在航程和巡航速度方面取得良好平衡；飞行汽车（滑跑起降型和垂直起降型）面临陆空功能融合的复杂工程挑战，商业化周期较长但战略牵引价值显著。

3）航空推进电机正经历从亚兆瓦级永磁电机向兆瓦级涡电系统和高温超导电机的跨越式发展。轴向磁通永磁电机凭借无轭定子和油冷技术达到12~15 kW/kg的领先功率密度，多相电机和单元电机并联方案有效提升了系统冗余安全性。兆瓦级涡电系统的电动机/发电机功率密度普遍处于5~12.5 kW/kg区间，高温超导电机以40~60 kW/kg的潜力成为中大型电动客机的远期理想选项。

4）纯电直驱、发动机/涡轮直驱、串联混电、并联混电和串/并联混电五种动力系统架构各有其适用场景和性能边界。纯电直驱适合短途零排放飞行，串/并联混电架构为缓解航程焦虑提供了可行的技术路径。基于“涡轴发动机–发电机–电池组–分布式电动机”的涡电混动方案正在成为eVTOL和通勤飞机动力系统的主流架构方向。

5）小型全电/混动飞机的分布式推进系统仍需在兆瓦级涡轴发动机、高功率密度航空推进电机、高能量密度储能系统和多总线分布式推进架构四个方面实现核心技术突破。随着上述关键技术的逐步成熟，全电/混动飞机有望在未来十年内实现从城市空中出行到支线航空的规模化应用，深刻重塑短途航空运输的基本范式。

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