全球航空運(yùn)輸業(yè)的蓬勃發(fā)展帶來(lái)了嚴(yán)峻的能源與環(huán)境挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)在燃油效率與排放性能方面的提升空間日益受限。國(guó)際民航組織提出的2050年航空碳排放減半目標(biāo)，促使全球航空制造業(yè)將目光聚焦于創(chuàng)新推進(jìn)系統(tǒng)。航空燃?xì)鉁u輪-電混合動(dòng)力系統(tǒng)作為連接傳統(tǒng)燃油動(dòng)力與全電推進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)路徑，正成為行業(yè)研究熱點(diǎn)。

混合電推進(jìn)系統(tǒng)通過(guò)結(jié)合燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的高功重比和電推進(jìn)系統(tǒng)的高效環(huán)保特性，為未來(lái)航空器提供了全新的動(dòng)力解決方案。根據(jù)美國(guó)NASA的研究，混合電推進(jìn)技術(shù)可使2030年后投入使用的飛行器耗油率降低70%，氮氧化物排放降低80%，噪聲降低81分貝。這一顯著優(yōu)勢(shì)使其成為各國(guó)航空科研機(jī)構(gòu)優(yōu)先發(fā)展的方向。

混合電推進(jìn)系統(tǒng)的核心思想是將產(chǎn)生動(dòng)力的裝置與產(chǎn)生推力的裝置分離，通過(guò)電能分配與能量管理，使燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)始終工作在最佳工況點(diǎn)，同時(shí)通過(guò)分布式推進(jìn)改善飛機(jī)氣動(dòng)特性。這種系統(tǒng)構(gòu)型的變革使得飛機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)從傳統(tǒng)的獨(dú)立設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向高度一體化設(shè)計(jì)，為航空器創(chuàng)新布局提供了可能性。

本文旨在系統(tǒng)分析航空燃?xì)鉁u輪-電混合動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，從系統(tǒng)基本原理、性能優(yōu)勢(shì)、關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)以及國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展等方面展開(kāi)全面討論，為相關(guān)技術(shù)研究提供參考。

一、混合動(dòng)力系統(tǒng)的基本原理與構(gòu)型分析

航空燃?xì)鉁u輪-電混合動(dòng)力系統(tǒng)主要分為串聯(lián)式和并聯(lián)式兩種基本構(gòu)型，每種構(gòu)型各有其獨(dú)特的工作原理和性能特點(diǎn)，可滿(mǎn)足不同航空器的動(dòng)力需求。

1.1 串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)

串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)采用了完全解耦的動(dòng)力設(shè)計(jì)理念，其工作流程為：燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，產(chǎn)生的電能與儲(chǔ)能系統(tǒng)（如電池）提供的電能共同供給電動(dòng)機(jī)，最后由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇或螺旋槳產(chǎn)生推力。在這種構(gòu)型中，燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)與推進(jìn)器之間沒(méi)有機(jī)械連接，僅存在電力聯(lián)系。

串聯(lián)式系統(tǒng)的核心優(yōu)勢(shì)在于其架構(gòu)靈活性。由于動(dòng)力生成與推力產(chǎn)生完全分離，燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)可以安裝在飛機(jī)任意位置，不受推進(jìn)器布局限制。這使得發(fā)動(dòng)機(jī)能夠始終運(yùn)行在最優(yōu)工況點(diǎn)，顯著提高燃油效率。測(cè)試數(shù)據(jù)表明，串聯(lián)式混合電推進(jìn)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)油耗降低50%至70%，氮氧化合物排放降低80%。此外，該系統(tǒng)可通過(guò)分布式推進(jìn)在機(jī)翼或機(jī)身布置多個(gè)電動(dòng)風(fēng)扇，大幅提高等效涵道比。研究顯示，類(lèi)似空客E-Thrust的串聯(lián)式系統(tǒng)等效涵道比預(yù)計(jì)將超過(guò)20，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)（通常為5-12）。

然而，串聯(lián)式構(gòu)型也存在固有缺點(diǎn)。能量在轉(zhuǎn)換過(guò)程中經(jīng)歷多次能量形式轉(zhuǎn)換（化學(xué)能→機(jī)械能→電能→機(jī)械能），導(dǎo)致傳遞效率損失。同時(shí)，系統(tǒng)包含發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)和電能轉(zhuǎn)換裝置等多個(gè)部件，增加了系統(tǒng)重量和復(fù)雜性。因此，串聯(lián)式混合系統(tǒng)特別適用于分布式推進(jìn)飛行器，如NASA的N3-X概念機(jī)和空客的E-Airbus概念機(jī)。

1.2 并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)

并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)保留了機(jī)械連接特性，燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)可同時(shí)驅(qū)動(dòng)同一個(gè)風(fēng)扇或螺旋槳。在這種構(gòu)型中，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力軸與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子機(jī)械耦合，兩者可以共同或單獨(dú)提供推進(jìn)動(dòng)力。

并聯(lián)式系統(tǒng)的突出優(yōu)勢(shì)在于較高的能量效率，因?yàn)椴糠謩?dòng)力（尤其是燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力）直接以機(jī)械能形式傳遞到推進(jìn)器，減少了能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)帶來(lái)的損失。同時(shí)，系統(tǒng)可利用電動(dòng)機(jī)的雙向特性，在需要時(shí)作為發(fā)電機(jī)使用，吸收發(fā)動(dòng)機(jī)多余功率或回收制動(dòng)能量。美國(guó)CFM公司啟動(dòng)的RISE計(jì)劃就采用了并聯(lián)式混合技術(shù)，目標(biāo)是使發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率和污染物排放降低20%以上。

并聯(lián)式系統(tǒng)的應(yīng)用形式多樣，可根據(jù)飛行階段的不同需求靈活調(diào)整動(dòng)力分配。例如，在起飛和爬升等高功率需求階段，電池可提供額外功率補(bǔ)充；在巡航階段，燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)除提供推進(jìn)動(dòng)力外，還可為儲(chǔ)能系統(tǒng)充電；在下降階段，電動(dòng)機(jī)可反向運(yùn)作作為發(fā)電機(jī)，回收部分能量。

不過(guò)，并聯(lián)式系統(tǒng)在機(jī)械結(jié)構(gòu)上更為復(fù)雜，需要精巧的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力耦合，且燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)的工作特性差異較大，控制策略挑戰(zhàn)較高。NASA提出的STARC-ABL方案就是一種串并耦合的混合動(dòng)力系統(tǒng)，在翼下掛載兩臺(tái)傳統(tǒng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的同時(shí)，在機(jī)尾安裝一個(gè)由2.6MW電機(jī)驅(qū)動(dòng)的邊界層吸入風(fēng)扇。

二、混合動(dòng)力系統(tǒng)的性能優(yōu)勢(shì)與收益分析

混合電推進(jìn)系統(tǒng)之所以成為全球航空界關(guān)注的焦點(diǎn)，源于其在燃油效率、氣動(dòng)性能和環(huán)境友好性等方面帶來(lái)的顯著收益。這些性能優(yōu)勢(shì)不僅體現(xiàn)在單一部件的改進(jìn)上，更是系統(tǒng)整體優(yōu)化與飛發(fā)深度耦合的結(jié)果。

2.1 燃油效率提升機(jī)理

混合電推進(jìn)系統(tǒng)提升燃油效率的主要機(jī)理是通過(guò)能量?jī)?yōu)化管理和工況點(diǎn)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)的。在傳統(tǒng)飛機(jī)中，燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)需要在多種飛行狀態(tài)下工作，常常偏離最高效率點(diǎn)；而混合電推進(jìn)系統(tǒng)通過(guò)電池和電機(jī)的功率調(diào)節(jié)，使燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)始終工作在最優(yōu)工況區(qū)，從而全面提高燃油效率。

具體而言，在起飛和爬升等高功率需求階段，電池可提供峰值功率輔助，避免發(fā)動(dòng)機(jī)為滿(mǎn)足短期高功率需求而采用低效工作點(diǎn)；在巡航階段，發(fā)動(dòng)機(jī)可穩(wěn)定運(yùn)行于高效區(qū)，產(chǎn)生的多余功率可為電池充電；在下降和著陸階段，發(fā)動(dòng)機(jī)可處于最低功率運(yùn)行甚至關(guān)閉狀態(tài)，由電池單獨(dú)提供動(dòng)力。中國(guó)航發(fā)608所開(kāi)發(fā)的80KW級(jí)串聯(lián)式航空混合電推進(jìn)系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果顯示，相比傳統(tǒng)動(dòng)力，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)油耗降低50%至70%，氮氧化合物排放降低80%。

另一方面，混合電系統(tǒng)通過(guò)實(shí)現(xiàn)更高涵道比提升推進(jìn)效率。推進(jìn)系統(tǒng)的涵道比直接影響推進(jìn)效率，但傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)受結(jié)構(gòu)和安裝限制，涵道比提升空間有限。而混合電系統(tǒng)可采用多個(gè)小型電動(dòng)風(fēng)扇取代單一大型風(fēng)扇，等效涵道比大幅提升。NASA研究的N3-X飛機(jī)概念采用渦輪-電分布式推進(jìn)系統(tǒng)，其等效涵道比遠(yuǎn)超傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，預(yù)計(jì)能使任務(wù)油耗比波音777-200LR飛機(jī)降低70%以上。

2.2 氣動(dòng)創(chuàng)新與飛機(jī)性能改進(jìn)

混合電推進(jìn)系統(tǒng)的另一顯著優(yōu)勢(shì)在于其帶來(lái)的氣動(dòng)創(chuàng)新可能性。分布式電推進(jìn)系統(tǒng)允許將多個(gè)推進(jìn)器沿機(jī)翼或機(jī)身布置，通過(guò)吹氣效應(yīng)增加升力、減小阻力，從而改善整體氣動(dòng)性能。

例如，NASA的STARC-ABL概念機(jī)在機(jī)身尾部安裝邊界層吸入風(fēng)扇，可吸入并加速因空氣粘性在機(jī)體表面形成的低速流動(dòng)層（邊界層），減小尾流分離和形阻，研究表明這種設(shè)計(jì)可使飛機(jī)阻力降低7%~12%。同樣，ESAero公司的ECO-150概念機(jī)采用雙層翼布局，將16個(gè)涵道風(fēng)扇嵌入雙層機(jī)翼之間，使推進(jìn)系統(tǒng)與機(jī)體完美融合，有效改善整體氣動(dòng)效率。

混合電推進(jìn)還通過(guò)重量分布優(yōu)化和推進(jìn)系統(tǒng)布局多元化為飛機(jī)設(shè)計(jì)帶來(lái)更大自由度。由于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)和儲(chǔ)能系統(tǒng)之間主要通過(guò)電纜而非機(jī)械結(jié)構(gòu)連接，各部件的安裝位置可依據(jù)飛機(jī)重心控制和氣動(dòng)需求靈活安排。這種設(shè)計(jì)自由度使得飛機(jī)設(shè)計(jì)師能夠優(yōu)化整體布局，進(jìn)一步提升性能。

2.3 環(huán)境友好性與噪聲降低

混合電推進(jìn)系統(tǒng)在減排降噪方面的優(yōu)勢(shì)符合航空業(yè)可持續(xù)發(fā)展的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)。通過(guò)提高燃油效率和實(shí)現(xiàn)精確功率控制，系統(tǒng)直接減少碳排放；同時(shí)，電動(dòng)風(fēng)扇通常比傳統(tǒng)推進(jìn)器轉(zhuǎn)速更低、直徑更小，有效降低噪聲產(chǎn)生。

歐盟"航跡2050"計(jì)劃的目標(biāo)是以2000年水平為基準(zhǔn)，在2050年前實(shí)現(xiàn)將二氧化碳排放降低75%、氮氧化物排放降低90%、噪聲降低65%。混合電推進(jìn)技術(shù)被視為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵路徑。分布式推進(jìn)系統(tǒng)通過(guò)將單一噪聲源分散為多個(gè)較小聲源，并利用機(jī)翼或機(jī)身對(duì)噪聲的屏蔽作用，進(jìn)一步降低飛機(jī)感知噪聲。美國(guó)Sugar Volt混合動(dòng)力飛機(jī)概念的研究表明，與常規(guī)構(gòu)型相比，其噪聲比國(guó)際民航組織第三階段標(biāo)準(zhǔn)降低81分貝。

三、混合動(dòng)力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

混合電推進(jìn)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用面臨多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)，這些技術(shù)直接影響系統(tǒng)的性能、重量、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。深入分析這些關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)推動(dòng)混合電推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)展具有重要意義。

3.1 性能設(shè)計(jì)與系統(tǒng)匹配

混合電推進(jìn)系統(tǒng)的性能設(shè)計(jì)與系統(tǒng)匹配是確保整體性能最優(yōu)的基礎(chǔ)。與傳統(tǒng)航空動(dòng)力設(shè)計(jì)不同，混合電推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需綜合考慮燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、儲(chǔ)能裝置及推進(jìn)器之間的匹配關(guān)系，同時(shí)需與飛機(jī)氣動(dòng)布局深度耦合。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)層面，需確定混合度（電功率在總推進(jìn)功率中的比例）與架構(gòu)選擇（串聯(lián)、并聯(lián)或混聯(lián)）。研究表明，燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪前溫度和電力系統(tǒng)的相對(duì)額定功率均存在使任務(wù)油耗最低的最優(yōu)值。不同飛行任務(wù)剖面也對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)產(chǎn)生顯著影響，如短程支線客機(jī)與遠(yuǎn)程干線客機(jī)對(duì)混合度和儲(chǔ)能系統(tǒng)容量的需求差異巨大。

飛發(fā)一體化設(shè)計(jì)是性能優(yōu)化的核心環(huán)節(jié)。NASA在渦輪-電分布式推進(jìn)（TeDP）系統(tǒng)研究中，建立了推進(jìn)系統(tǒng)性能模型和飛發(fā)一體化評(píng)估模型，全面分析推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)飛機(jī)重量、油耗的影響。這種一體化設(shè)計(jì)方法能夠綜合考慮推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)口/出口、機(jī)體邊界層、推進(jìn)器分布等參數(shù)間的相互作用，尋求全局最優(yōu)解。

此外，能量管理策略對(duì)系統(tǒng)性能至關(guān)重要。研究表明，不同的電池放電策略對(duì)系統(tǒng)燃油經(jīng)濟(jì)性影響顯著。電池的能量應(yīng)優(yōu)先用于在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法滿(mǎn)載工作時(shí)提供功率補(bǔ)充，這種策略在電池能量密度超過(guò)400W·h/kg時(shí)就能實(shí)現(xiàn)任務(wù)油耗的降低。智能能量管理策略需根據(jù)飛行階段、剩余航程和儲(chǔ)能狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)整功率分配，實(shí)現(xiàn)全任務(wù)航程的最優(yōu)經(jīng)濟(jì)性。

3.2 先進(jìn)電機(jī)與電力系統(tǒng)

高功率密度電機(jī)是混合電推進(jìn)系統(tǒng)的核心部件，其性能直接影響系統(tǒng)整體效能。當(dāng)前，電機(jī)功率密度成為制約混合電推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)展的主要瓶頸之一。國(guó)外研究表明，分布式混合電推進(jìn)系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)功率密度必須至少達(dá)到16.2kW/kg，而當(dāng)前的技術(shù)僅能夠達(dá)到8.8～11kW/kg。

為提升電機(jī)功率密度，超導(dǎo)技術(shù)被視為重要突破方向。超導(dǎo)電機(jī)可大幅提高功率密度和效率，但需要解決超導(dǎo)狀態(tài)的維持問(wèn)題。NASA持續(xù)開(kāi)展超導(dǎo)技術(shù)的探索，重點(diǎn)關(guān)注低溫冷卻和液氫冷卻兩種冷卻方案。其中低溫冷卻方案由噴氣燃料驅(qū)動(dòng)制冷機(jī)獲得超導(dǎo)所需的低溫，液氫冷卻方案由飛機(jī)攜帶液氫儲(chǔ)罐提供低溫冷卻，但面臨機(jī)上存儲(chǔ)空間不足的矛盾。

除電機(jī)外，整個(gè)電力系統(tǒng)也面臨技術(shù)挑戰(zhàn)?；旌想娡七M(jìn)系統(tǒng)需要高效可靠的發(fā)電、電能分配、電力轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)能裝置。對(duì)于大型飛機(jī)混合電推進(jìn)系統(tǒng)，電力傳輸效率至關(guān)重要，涉及高電壓、大容量電能傳輸技術(shù)與系統(tǒng)輕量化的矛盾。高電壓運(yùn)行可減少傳輸損耗和線纜重量，但帶來(lái)絕緣、安全和電磁兼容性問(wèn)題。

在儲(chǔ)能技術(shù)方面，當(dāng)前電池的能量密度遠(yuǎn)未滿(mǎn)足航空應(yīng)用需求。市場(chǎng)上銷(xiāo)售的能效最高的電力儲(chǔ)存裝置是鋰電池，但其比能量?jī)H為0.15kW·h/kg，正在研發(fā)中的下一代鋰電池的最大比能量也僅為0.45kW·h/kg。而要滿(mǎn)足未來(lái)大型商用飛機(jī)的要求，電池的比能量至少應(yīng)達(dá)到0.6kW·h/kg。電池技術(shù)的突破需要材料科學(xué)和電化學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng)新，如鋰空氣、鋰硫等新型電池技術(shù)。

3.3 熱管理與能量管理

熱管理技術(shù)是混合電推進(jìn)系統(tǒng)面臨的重要挑戰(zhàn)之一。系統(tǒng)工作時(shí)，燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、電力電子裝置和電池等部件都會(huì)產(chǎn)生大量熱量，且各自具有不同的工作溫度范圍和熱管理需求。高效緊湊的熱管理系統(tǒng)對(duì)保證部件工作在高效率區(qū)間、延長(zhǎng)壽命至關(guān)重要。

混合電推進(jìn)系統(tǒng)的熱管理需綜合考慮多種冷卻方式，如空氣冷卻、液體冷卻和相變冷卻等。對(duì)于高功率密度電機(jī)和電力電子設(shè)備，往往需要采用液冷或油冷等高效冷卻方式；而對(duì)于超導(dǎo)系統(tǒng)，則需維持極低的工作溫度。熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要在散熱性能、重量代價(jià)和系統(tǒng)復(fù)雜性之間尋求平衡，一體化熱管理架構(gòu)成為重要研究方向。

能量管理系統(tǒng)（EMS）是混合電推進(jìn)系統(tǒng)的"智能中樞"，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)，并根據(jù)飛行階段、功率需求和能源狀態(tài)優(yōu)化功率分配。能量管理系統(tǒng)需基于先進(jìn)算法，如模型預(yù)測(cè)控制（MPC）、優(yōu)化理論和人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)燃料電池、燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)和儲(chǔ)能裝置之間的協(xié)調(diào)工作。良好的能量管理策略不僅能提高能源利用效率，還能延長(zhǎng)部件壽命，提高系統(tǒng)可靠性。

3.4 控制與系統(tǒng)集成

混合電推進(jìn)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比傳統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)更為復(fù)雜，需同時(shí)協(xié)調(diào)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)、儲(chǔ)能系統(tǒng)和多個(gè)推進(jìn)器的工作狀態(tài)。系統(tǒng)控制需實(shí)現(xiàn)不同部件之間的動(dòng)態(tài)響應(yīng)匹配，避免功率突變導(dǎo)致的系統(tǒng)不穩(wěn)定。

對(duì)于串聯(lián)式混合系統(tǒng)，控制相對(duì)簡(jiǎn)單，主要通過(guò)電力電子設(shè)備調(diào)節(jié)各部件功率；而并聯(lián)式系統(tǒng)需解決機(jī)械動(dòng)力與電力的耦合問(wèn)題，控制策略更為復(fù)雜。多變量協(xié)調(diào)控制和容錯(cuò)控制是系統(tǒng)控制的關(guān)鍵技術(shù)，需確保在部件故障或飛行條件突變時(shí)，系統(tǒng)仍能安全可靠工作。

系統(tǒng)集成挑戰(zhàn)不僅體現(xiàn)在硬件層面，還包括功能綜合和信息集成?；旌想娡七M(jìn)系統(tǒng)不再是獨(dú)立的動(dòng)力裝置，而是與飛機(jī)機(jī)體深度耦合的完整系統(tǒng)。系統(tǒng)集成需解決物理接口標(biāo)準(zhǔn)化、信息交互協(xié)議統(tǒng)一、安全隔離等技術(shù)問(wèn)題。歐洲空客公司在E-Fan X驗(yàn)證機(jī)開(kāi)發(fā)中，專(zhuān)門(mén)建立了"鐵鳥(niǎo)"地面試驗(yàn)設(shè)施，具有從飛行控制器到推進(jìn)器的動(dòng)態(tài)負(fù)載動(dòng)力系統(tǒng)操控能力，用于驗(yàn)證電氣、機(jī)械和熱動(dòng)力學(xué)的集成性能。

四、國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展與未來(lái)展望

航空混合電推進(jìn)技術(shù)已成為全球航空強(qiáng)國(guó)競(jìng)相發(fā)展的焦點(diǎn)領(lǐng)域，各國(guó)通過(guò)一系列研究計(jì)劃推動(dòng)技術(shù)成熟，取得了顯著進(jìn)展。

4.1 美國(guó)研究進(jìn)展

美國(guó)在混合電推進(jìn)技術(shù)研究方面處于全球領(lǐng)先地位，主要由NASA牽頭，聯(lián)合多家航空企業(yè)開(kāi)展系統(tǒng)性的研發(fā)工作。NASA通過(guò)"N+3"代飛機(jī)研究計(jì)劃，探索了多種混合電推進(jìn)概念，旨在滿(mǎn)足2030-2035年投入使用的未來(lái)航空器技術(shù)要求。

N3-X概念代表了NASA對(duì)未來(lái)寬體客機(jī)的遠(yuǎn)景展望，其采用全復(fù)合材料、層流、翼身融合體布局，最突出的特點(diǎn)是采用了燃?xì)鉁u輪-電力分布式推進(jìn)系統(tǒng)（TeDP）。該系統(tǒng)由兩臺(tái)安裝在翼尖的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)超導(dǎo)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能，以驅(qū)動(dòng)15臺(tái)嵌入機(jī)身的超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)風(fēng)扇產(chǎn)生推力。研究表明，N3-X的耗油率能比波音777-200LR飛機(jī)降低70%以上。

STARC-ABL（帶后置邊界層推進(jìn)器的單通道渦輪-電推進(jìn)飛機(jī)） 是NASA針對(duì)近期應(yīng)用提出的概念方案。該機(jī)構(gòu)在A320和波音737同級(jí)別客機(jī)尾部嵌入風(fēng)扇的設(shè)計(jì)，風(fēng)扇由2.6MW的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)由機(jī)翼下方的2臺(tái)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)供電。研究表明，與常規(guī)結(jié)構(gòu)相比，STARC-ABL阻力可降低7%～12%。

此外，美國(guó)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)航宇公司（ESAero）在NASA支持下開(kāi)發(fā)的ECO-150概念機(jī)，采用雙層翼設(shè)計(jì)和16臺(tái)分布式電動(dòng)風(fēng)扇，由兩臺(tái)1MW級(jí)燃?xì)鉁u輪發(fā)電系統(tǒng)供電，目標(biāo)是巡航耗油率降低11%，NOx排放降低14%。這些研究體現(xiàn)了美國(guó)在混合電推進(jìn)領(lǐng)域的多方面探索。

4.2 歐洲研究進(jìn)展

歐洲在混合電推進(jìn)研究方面與美國(guó)并駕齊驅(qū)，歐盟通過(guò)"航跡2050"計(jì)劃設(shè)定了 ambitious 的環(huán)境目標(biāo)，并以研究項(xiàng)目形式支持技術(shù)發(fā)展。

空客集團(tuán)通過(guò)系列驗(yàn)證項(xiàng)目逐步推進(jìn)混合電推進(jìn)技術(shù)成熟化。其創(chuàng)新工作室開(kāi)發(fā)的Cri-Cri飛機(jī)采用四臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)四個(gè)對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳，于2010年成功試飛；隨后開(kāi)發(fā)的E-Fan電動(dòng)涵道風(fēng)扇推進(jìn)飛機(jī)于2013年年底成功試飛。在這些技術(shù)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，空客與西門(mén)子、羅羅公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)了E-Airbus100座級(jí)支線客機(jī)概念，采用E-Thrust混合電推進(jìn)系統(tǒng)，在機(jī)身后部安裝一臺(tái)嵌入式渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)安裝在機(jī)翼上的6臺(tái)風(fēng)扇。

2017年，空客、羅羅和西門(mén)子聯(lián)合啟動(dòng)了E-Fan X混合電推進(jìn)驗(yàn)證機(jī)項(xiàng)目，選用BAe146飛機(jī)作為飛行測(cè)試平臺(tái)，將其4臺(tái)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中的1臺(tái)替換為2MW功率的電動(dòng)機(jī)。該驗(yàn)證機(jī)計(jì)劃在完成地面測(cè)試后于2020年首飛，一旦系統(tǒng)成熟性得到驗(yàn)證，將替換另一臺(tái)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。E-Fan X項(xiàng)目是歐洲混合電推進(jìn)技術(shù)發(fā)展的重要里程碑，旨在積累飛行經(jīng)驗(yàn)并驗(yàn)證系統(tǒng)可靠性。

除了大型企業(yè)集團(tuán)，歐洲研究機(jī)構(gòu)也在積極探索混合電推進(jìn)技術(shù)。荷蘭航空航天研究中心（NLR）和代爾夫特理工大學(xué)聯(lián)合開(kāi)展的NOVAIR項(xiàng)目，設(shè)計(jì)了一款混合電推進(jìn)飛機(jī)并采用縮比模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)飛行試驗(yàn)，這是歐洲"清潔天空"2計(jì)劃的一部分。研究表 明，采用渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電然后驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)螺旋槳的方案可以將飛機(jī)油耗降低大約10%。

4.3 中國(guó)研究進(jìn)展

中國(guó)在航空混合電推進(jìn)領(lǐng)域雖起步較晚，但已邁出實(shí)質(zhì)性步伐，在系統(tǒng)研發(fā)和驗(yàn)證方面取得了初步成果。國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)與高校開(kāi)展了基礎(chǔ)理論與設(shè)計(jì)方法研究，同時(shí)在工程技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了重要突破。

在工程技術(shù)研發(fā)方面，中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所聯(lián)合山河科技、中國(guó)航發(fā)南方工業(yè)有限公司、湘潭大學(xué)等機(jī)構(gòu)，基于山河科技SA60L輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)平臺(tái)，突破了串聯(lián)架構(gòu)混合電推進(jìn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，成功研制國(guó)內(nèi)首套航空混合電推進(jìn)系統(tǒng)。2022年3月，搭載該系統(tǒng)的我國(guó)首款油電混合動(dòng)力通用飛機(jī)在株洲蘆淞通用機(jī)場(chǎng)成功試飛。試飛員反饋飛機(jī)"平穩(wěn)、安靜，響應(yīng)快、加速快，動(dòng)力富余"。該系統(tǒng)為80KW級(jí)串聯(lián)式架構(gòu)，通過(guò)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，與儲(chǔ)能系統(tǒng)共同為電動(dòng)機(jī)提供電力，再由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳為飛機(jī)提供動(dòng)力。

與此同時(shí)，中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院面向未來(lái)混合電推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，完成了30kW級(jí)電驅(qū)動(dòng)涵道風(fēng)扇設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究。其與遼寧通用航空研究院合作，將這款電驅(qū)動(dòng)涵道風(fēng)扇配裝于銳翔RX-1電動(dòng)飛機(jī)改裝的無(wú)人機(jī)，于2021年8月完成了飛行試驗(yàn)。飛行持續(xù)12分鐘，巡航高度1500米，系統(tǒng)全程運(yùn)行正常，性能指標(biāo)符合設(shè)計(jì)預(yù)期，初步驗(yàn)證了電驅(qū)動(dòng)涵道風(fēng)扇技術(shù)在飛行器中的應(yīng)用可行性。

在學(xué)術(shù)研究層面，國(guó)內(nèi)多所高校也開(kāi)展了積極探索。哈爾濱工業(yè)大學(xué)秦江等人針對(duì)航空用燃料電池及混合電推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)行了分析，探討了高溫燃料電池與燃?xì)鉁u輪組成混合動(dòng)力系統(tǒng)的可行性。南京航空航天大學(xué)張卓然團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了飛機(jī)電氣化背景下先進(jìn)航空電機(jī)系統(tǒng)技術(shù)研究；西北工業(yè)大學(xué)王剛團(tuán)隊(duì)針對(duì)電動(dòng)無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)并提出了相應(yīng)的航時(shí)評(píng)估方法。這些基礎(chǔ)研究工作為中國(guó)混合電推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。

4.4 技術(shù)發(fā)展路徑與挑戰(zhàn)展望

綜合分析全球混合電推進(jìn)技術(shù)發(fā)展態(tài)勢(shì)，其技術(shù)路線圖呈現(xiàn)出從小型到大型、從分布式到集中式、從驗(yàn)證到應(yīng)用的漸進(jìn)特征。初步技術(shù)應(yīng)用將集中于通用航空、無(wú)人機(jī)等小型飛行器，隨后逐步向支線客機(jī)、單通道干線客機(jī)擴(kuò)展，最終可能應(yīng)用于寬體客機(jī)。

混合電推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展仍面臨一系列挑戰(zhàn)。在技術(shù)層面，高功率密度電機(jī)、高能量密度儲(chǔ)能、高效熱管理和系統(tǒng)集成是主要瓶頸。特別是在儲(chǔ)能方面，電池技術(shù)需實(shí)現(xiàn)從當(dāng)前0.15-0.45kW·h/kg到0.6kW·h/kg的跨越，才能滿(mǎn)足大型電動(dòng)飛機(jī)的能量需求。在適航認(rèn)證層面，混合電推進(jìn)系統(tǒng)作為全新概念，需要建立相應(yīng)的適航標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證方法，這需要工業(yè)界與適航當(dāng)局的密切合作。在基礎(chǔ)設(shè)施層面，混合動(dòng)力飛機(jī)的發(fā)展需要相應(yīng)的地面支持設(shè)施、充電設(shè)備和維護(hù)體系，這也將是一個(gè)系統(tǒng)性工程。

未來(lái)混合電推進(jìn)技術(shù)可能與其他新興技術(shù)領(lǐng)域深度融合，如人工智能技術(shù)在能量管理中的應(yīng)用、新型材料在輕量化和熱管理中的應(yīng)用、氫能源作為替代燃料的混合動(dòng)力系統(tǒng)等。姬志行等學(xué)者提出的"燃料電池-燃?xì)鉁u輪"混合系統(tǒng)，通過(guò)預(yù)重整和高溫燃料電池實(shí)現(xiàn)碳?xì)淙剂系碾娀瘜W(xué)利用，避免了傳統(tǒng)氫燃料電池飛機(jī)儲(chǔ)氫困難的問(wèn)題，代表了混合動(dòng)力系統(tǒng)的一個(gè)重要發(fā)展方向。

五、混合電推進(jìn)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

航空燃?xì)鉁u輪-電混合動(dòng)力系統(tǒng)作為傳統(tǒng)航空動(dòng)力向全電推進(jìn)過(guò)渡的關(guān)鍵技術(shù)路徑，在提升燃油效率、降低排放噪聲、創(chuàng)新氣動(dòng)布局等方面展現(xiàn)出巨大潛力。本文系統(tǒng)分析了串聯(lián)式和并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的基本原理與性能特點(diǎn)，深入探討了性能設(shè)計(jì)、先進(jìn)電機(jī)、熱管理、能量管理和控制系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)，并梳理了國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀。

研究表明，混合電推進(jìn)技術(shù)通過(guò)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)與電推進(jìn)系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)兩者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。串聯(lián)式系統(tǒng)布局靈活，適用于分布式推進(jìn)概念，可實(shí)現(xiàn)極高的等效涵道比；并聯(lián)式系統(tǒng)傳動(dòng)效率高，適用于傳統(tǒng)布局改進(jìn)，技術(shù)過(guò)渡更為平滑。不同構(gòu)型各有特點(diǎn)，可滿(mǎn)足不同類(lèi)型航空器的動(dòng)力需求。

然而，混合電推進(jìn)技術(shù)的成熟與廣泛應(yīng)用仍面臨一系列技術(shù)挑戰(zhàn)，特別是在功率密度、能量存儲(chǔ)、熱管理和系統(tǒng)集成等領(lǐng)域需進(jìn)一步突破。從全球發(fā)展態(tài)勢(shì)看，美國(guó)、歐洲等航空強(qiáng)國(guó)已從概念研究進(jìn)入驗(yàn)證機(jī)測(cè)試階段，而中國(guó)雖起步較晚，但已在工程驗(yàn)證方面取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，為后續(xù)發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)。

未來(lái)隨著電池技術(shù)、超導(dǎo)電機(jī)、智能控制等領(lǐng)域的進(jìn)步，混合電推進(jìn)系統(tǒng)有望在2030-2035年期間實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用，成為綠色航空的重要技術(shù)支柱。這一技術(shù)的發(fā)展不僅將推動(dòng)航空動(dòng)力系統(tǒng)的變革，還將促進(jìn)飛機(jī)設(shè)計(jì)理念的革新，為航空業(yè)應(yīng)對(duì)能源和環(huán)境挑戰(zhàn)提供有效解決方案。

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湖南泰德航空技術(shù)有限公司于2012年成立，多年來(lái)持續(xù)學(xué)習(xí)與創(chuàng)新，成長(zhǎng)為行業(yè)內(nèi)有影響力的高新技術(shù)企業(yè)。公司聚焦高品質(zhì)航空航天流體控制元件及系統(tǒng)研發(fā)，深度布局航空航天、船舶兵器、低空經(jīng)濟(jì)等高科技領(lǐng)域，在航空航天燃/滑油泵、閥元件、流體控制系統(tǒng)及航空測(cè)試設(shè)備的研發(fā)上投入大量精力持續(xù)研發(fā)，為提升公司整體競(jìng)爭(zhēng)力提供堅(jiān)實(shí)支撐。

公司總部位于長(zhǎng)沙市雨花區(qū)同升街道匯金路877號(hào)，株洲市天元區(qū)動(dòng)力谷作為現(xiàn)代化生產(chǎn)基地，構(gòu)建起集研發(fā)、生產(chǎn)、檢測(cè)、測(cè)試于一體的全鏈條產(chǎn)業(yè)體系。經(jīng)過(guò)十余年穩(wěn)步發(fā)展，成功實(shí)現(xiàn)從貿(mào)易和航空非標(biāo)測(cè)試設(shè)備研制邁向航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)、無(wú)人機(jī)、靶機(jī)、eVTOL等飛行器燃油、潤(rùn)滑、冷卻系統(tǒng)的創(chuàng)新研發(fā)轉(zhuǎn)型，不斷提升技術(shù)實(shí)力。

公司已通過(guò) GB/T 19001-2016/ISO 9001:2015質(zhì)量管理體系認(rèn)證，以嚴(yán)苛標(biāo)準(zhǔn)保障產(chǎn)品質(zhì)量。公司注重知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)和利用，積極申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利、實(shí)用新型專(zhuān)利和軟著，目前累計(jì)獲得的知識(shí)產(chǎn)權(quán)已經(jīng)有10多項(xiàng)。泰德航空以客戶(hù)需求為導(dǎo)向，積極拓展核心業(yè)務(wù)，與中國(guó)航發(fā)、中航工業(yè)、中國(guó)航天科工、中科院、國(guó)防科技大學(xué)、中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心等國(guó)內(nèi)頂尖科研單位達(dá)成深度戰(zhàn)略合作，整合優(yōu)勢(shì)資源，攻克多項(xiàng)技術(shù)難題，為進(jìn)一步的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

湖南泰德航空始終堅(jiān)持創(chuàng)新，建立健全供應(yīng)鏈和銷(xiāo)售服務(wù)體系、堅(jiān)持質(zhì)量管理的目標(biāo)，不斷提高自身核心競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，為客戶(hù)提供更經(jīng)濟(jì)、更高效的飛行器動(dòng)力、潤(rùn)滑、冷卻系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)等解決方案。