航空混合电推进系统的发展现状及应用前景

王 鹏，鞠 新，郑天慧，泰樱芝

(中国航发四川燃气涡轮研究院，成都 610500)

1 引言

燃油成本不断上涨，航空运输业面临巨大成本压力。同时，以国际航空运输协会(IATA)、国际民航组织(ICAO)、美国国家航空航天局(NASA)、欧洲航空安全局(EASA)等机构为代表的航空机构，正在制定越来越严苛的环保要求，以减少商用飞机对环境的影响。因此，航空工业当前的终极目标是完美运行具有良好经济和环境效益的飞机，减少对化石燃料的依赖性[1]。

飞机环保性能提升的关键在于推进技术的突破。对于燃气涡轮发动机，虽然每次技术进步都能带来燃油效率的大幅提升，但是目前性能最好的涡扇发动机只能使用燃油40%的潜在能量，而正在研发的新一代涡扇发动机——变循环发动机也只能利用55%～70%的燃油能量[2]。要想进一步提升推进系统的燃油效率，必须将目光投向燃气涡轮发动机之外的新型推进系统。

近年来，以电气化为代表的新一轮能量系统技术革命正在重构全球航空与地面运输产业格局，电推进技术更是被看作航空工业进入“第三时代”的重要标志[3]，获得了世界主要航空强国的高度关注。航空推进系统的电气化有多种实现路径，其中受当前电池能量密度水平所限，混合电推进系统是近中期重点研究方向。混合电推进技术在汽车行业已经被广泛采用，并验证为一种行之有效的技术。美、欧政府均将混合电推进系统视为有潜力在2030 年后投入使用的、具有前景的民用航空动力解决方案，并正在组织飞机系统集成商和动力厂商积极开展探索和研究[4]。此外，混合电推进系统在军事上的应用也在加速推进之中。

2 混合电推进系统

航空电气化推进系统主要包括6种结构形式[5-6]，如表1所示。其中，全电推进系统受电池技术限制，当前的主要应用场景局限在轻型运动飞机、通航小飞机以及短距低速通勤飞机等；涡轮电推进系统和部分涡轮电推进系统对电机要求较高，目前的研究主要针对2035年前后的大型客机这一中远期规划；混合电推进系统为近中期的研究重点，串联式和并联式混合电推进系统主要针对2025 年前后服役的支线客机，而混联式混合电推进系统由于结构更为复杂，相关研究较少。

表1 航空电气化推进系统主要结构形式Table 1 Main structure forms of electrified propulsion systems

混合电推进系统是以航空燃气涡轮发动机和电池共同提供能源的推进系统。其中，航空燃气涡轮发动机将化学能转换为机械能/电能，与电池储存的电能一起提供能源，单独或共同驱动推进器从而产生推力。混合电推进系统与传统航空发动机的区别在于：一是其产生动力的能源来源是燃气涡轮发动机和电池的组合；二是其输出的推力可以由多个独立推力系统共同工作实现，可以是风扇，也可能是螺旋桨。

3 发展现状

3.1 NASA

3.1.1 电气化飞机推进系统(EAP)研究

NASA 航空研究任务指挥部给出的6 个战略主推力中，有1个为向低碳推进过渡，即研究可立即使用的替代燃料并探索低碳推进技术，这正是EAP研发的主要动因[7]。NASA 对运输类飞机电推进系统的研究已有10 多年，目前正在开展EAP 研究，目的是为窄体飞机寻求1个以上的可靠EAP方案并识别相关先进关键技术，改善商业运输飞机的耗油率、排放和噪声水平。

美国GE 公司、波音公司及联合技术公司均承接了NASA 的研发合同，以探索潜在的EAP 方案。其中，GE 公司之前已验证过能够从F110 军用涡扇发动机中抽取1 MW 电功率的电机技术；联合技术公司计划在2022年进行2 MW混合电推进验证飞机的首飞。此外，伊利诺伊州立大学、俄亥俄州立大学、NASA 格林研究中心等机构也在NASA 的牵引下，就电机、转换器、材料和测试等关键技术开展了研究。

通过飞机方案设计研究及尖端技术进步，NASA的EAP方案的可靠性得到大幅提升。其中，部分涡轮电和并联式混合电推进候选方案有望在2035 年投入使用，而更远的目标是实现全涡轮电推进。下一步，NASA 将把精力集中在几种成熟度更高的方案上，并准备开展飞行验证。

3.1.2 亚声速固定翼飞机(SFW)计划

针对未来航空业面临的最大挑战——绿色环保，NASA 还启动了一系列重点关注绿色航空的计划，主要包括SFW计划、基础航空计划、综合系统研究计划、空域系统计划、航空试验计划等，通过各个层级、各个方面的努力促进绿色航空的最终实现。其中，SFW计划聚焦研发具有明显节能减排特性的下一代亚声速固定翼飞机，其具体框架如图1所示。

图1 SFW战略框架Fig.1 Strategic frame of SFW

SFW 计划中，系统级技术指标分三个阶段实现，如表2所示。其中，技术优势指的是行业技术成熟并应用后能取得的优势，N+1 和N+3 代以配装CFM56-7b发动机的波音737-800为基准，而N+2代以配装GE90发动机的波音777-20为基准。N+3代主要是针对2030～2035 年投入使用的商用亚声速运输飞机开展先进方案研究，近期有望取得突破。波音公司、GE公司、联合技术公司、麻省理工大学和罗·罗公司等都开展了多种方案的研究。NASA 对目前的方案进行梳理发现，主要的技术挑战集中在降低阻力、减轻质量、减少排放和噪声，主要的研究领域或关键技术包括定制化机身、弹性机翼、高效小型燃气发生器、混合电推进系统、推进系统机身一体化、替代燃料等。

表2 NASA亚声速运输系统级指标Table 2 NASA subsonic transportation system-level index

针对混合电推进系统，NASA 目前主要有两种方案，一种是单个风扇具有两种功率源，另一种是多个解耦的风扇共享一个单功率源，但总体思路都是逐步从传统动力过渡到混合动力，最终实现全电动力。NASA 针对两种方案都开展了先进方案研究，如开展的N3-X 飞机方案研究，以及支持波音和GE联合承担的亚声速超绿色研究(SUGAR)计划[8]。

自2008 年以来，波音和GE 都参加了NASA 的SUGAR 计划，合作研究将混合电推进系统应用于B737级别飞机，以期满足2030～2035年开始服役的B737级别窄体客机的节能减排目标，波音公司负责研究飞机，GE 则负责发动机。GE 公司分别在名为gFan和hFan的项目下开展了一系列设计，以提升先进涡扇发动机和混合电力动力装置的技术水平。其中，hFan是一种混合电推进系统，涵道比达18，能够在全燃气涡轮、全电力或混合模式下工作，其结构示意如图2 所示。相比CFM56 发动机，在燃气涡轮模式下耗油率降低28%，在全电力模式下耗油率则降低100%。

图2 GE公司的hFan发动机Fig.2 GE hFan engine

目前，波音公司已经从NASA 获得了进一步研究N+4代飞机(即SUGAR计划的第二阶段)的经费支持。主要研究任务包括：

(1)N+4 研究——液化天然气方案的缩尺性能，技术方案路线图(液化气发动机、系统和结构，无涵道风扇和先进螺旋桨，混合电推进发动机和电池等)；

(2)混合电推进系统优化——结构发展与NPSS建模；

(3)桁架支撑翼状态——总体质量结构发展(机翼多学科设计优化，机翼设计与分析，机身和机翼有限元分析)，风洞方案。

对于未来宽体客机，NASA探索了全复合材料、层流、翼身融合体的N3-X 飞机概念[9]，其最突出的特点是采用了涡轮电分布式推进系统(TeDP，图3)。TeDP将产生推进力的装置与产生动力的装置分开，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，并驱动15台嵌入机身的超导电动推进器产生推力。N3-X 飞机的耗油率比波音777-200LR 飞机降低70%以上。

图3 涡轮电分布式推进系统Fig.3 Turbo-electric distribution propulsion system

NASA 认为，分布式推进的优点主要体现在推进装置沿翼展方向分布，使得飞行器总体效率最大化，从而提高升力、减少阻力或减轻飞机质量。此外，涡轮电分布式推进系统还具有可缩放性，双发配置下，通过改变推进器数量，可以用于从小型支线飞机到大型飞机的全机型(图4)。

图4 涡轮电分布式推进系统的应用范围Fig.4 Application of turbo-electric distribution propulsion system

3.2 AFRL

2017年6月，AFRL披露了一份关于《无人机系统混合动力与推进系统》的报告[10]，揭示了AFRL发展混合电推进无人机系统规划。为了发展经济可承受的、一体化的小型无人机系统，AFRL下属航空航天系统指挥部动力与控制分部希望通过加强混合电推进系统来增加小型无人机的航时，提高额外负载功率，实现作战时更为安静，以及提升系统的可靠性。

报告显示，从2016年开始，AFRL就持续开展了高能安全多功能电池研究，以及高效可重构混合动力管理/小型无人机系统混合电推进系统研究。在高能安全多功能电池研究中，计划2018～2020年开展结构一体化、安全先进的电池研究，2021 年开始对先进的结构一体化电池进行验证。在高效可重构混合动力管理/小型无人机系统混合电推进系统研究中，2016～2017 年间开展了高效、安静的螺旋桨研究，2016～2019开展安静的小型无人机系统推进系统研究，计划2020 年开展模块化的、安静的混合动力设计研究，2021 年以后开展模块化的、安静的小型无人机系统混合动力与智能控制研究。计划2018～2020 年开展混合电推进小型无人机系统(空中发射小型无人机系统用先进混合电动力链)验证工作，之后还计划于2021 年后开展长航时第3 组可恢复空中发射小型无人机系统验证。

3.3 空中客车集团

欧盟在FlightPath2050(航迹2050)计划下提出以2000年水平为基点，在2050年前实现二氧化碳排放降低75%、氮氧化物排放降低90%、噪声降低65%。围绕该计划目标，空中客车集团关注并大力支持混合电推进系统，一方面通过评估降低二氧化碳排放的E-飞机研究项目来研究电力驱动的优势，另一方面与罗·罗公司共同研究由涡轮发动机驱动集成到商用客机机翼的分布式推进E-Thrust翼身融合飞机方案(图5)。E-Thrust 系统通过一个燃气动力单元(涡扇发动机连接到发电机)为6 台风扇和能量储存充电提供电力，并可实现燃气动力单元(产生电力)热效率和风扇(产生推力)推进效率的独立优化，有可能改善串联式混合结构总效率和减小燃气动力单元尺寸。

图5 E-Thrust概念方案Fig.5 Concept of E-Thrust

空中客车集团在2013年巴黎航展上宣布，与西门子公司和罗·罗公司联合开发基于E-Thrust 的混合电推进系统的E-Airbus 100 座级支线客机概念。E-Airbus有6台电力风扇，每个机翼沿翼展各分布3台，涵道比(或这种系统的等效数)预计将超过20。虽然空中客车集团目前并没有公布E-Airbus 飞机方案在2030年达到什么水平，以及与航迹2050计划目标的对应关系，但作为航迹2050计划的中期动力解决方案，分布式混合电推进系统将大量采用航迹2050计划所发展的技术，并预计其具备足够的技术优势，能够使欧盟在实现航迹2050计划所定环保目标的征途中迈进一大步。

2017年11月，空中客车、罗·罗和西门子三家公司宣布将合作研发一款混合电推进飞机E-Fan X。该机将选用一架BAe146飞机作为飞行测试平台，其4 台涡扇发动机中的1 台将被2 MW 功率的电动机取代[11]。一旦系统成熟性得到验证，另一台涡扇发动机也将被电动机取代。2020年4月，受新冠肺炎疫情影响，E-FAN X项目被迫终止，然而罗·罗公司明确表示将继续独立完成发电系统的地面测试工作。

3.4 俄罗斯中央航空发动机研究院(CIAM)

2017年7月，CIAM在莫斯科航展上宣布了首个混合电推进系统研究计划，并展出了500 kW级混合电推进系统的概念模型[12]。该推进系统结构特点是由燃气涡轮带动发电机发电，然后由电动机驱动6叶螺旋桨旋转；当燃气涡轮或发电机发生故障时由备份电池提供动力。该系统将采用俄罗斯初创公司提供的SuperOx超导材料，这种材料质量很轻，可在高能量下工作，能减少电磁干扰，但还需要进一步的试验验证。如果能获得俄罗斯联邦政府资助，则有望在未来3 年内完成500 kW 混合电推进系统验证机的飞行试验，随后开展用于19座飞机的2 000 kW级动力系统的飞行试验验证，其动力系统由4 台500 kW 发动机的组合动力或1 台2 000 kW 发动机提供动力。

4 应用前景

4.1 民用航空

4.1.1 城市空中交通

城市空中交通旨在为市民提供安全、便捷、舒适的城市空中出行方式。未来，随着城市人口的不断聚集和地面交通的日益拥挤，城市空中交通具有巨大的市场需求。城市空间局限性高，垂直起降是城市空中交通飞行器最重要的能力之一。对于垂直起降飞机，垂直起飞所需功率远高于巡航所需功率，而混合电推进系统可以完美解决功率匹配的问题[13]。此外，低噪声、低排放和低油耗也是未来空中交通飞行器发展的重要方向。为此，以空中客车集团为代表的相关厂商正在研发基于全电或混合电推进系统的垂直起降飞行器(图6)，验证其作为未来城市空中交通平台的潜力。

图6 空中客车集团城市空中交通概念图Fig.6 Urban air traffic concept of Airbus

4.1.2 支线/干线客机

目前，航空制造商和有关科研机构均对混合电推进支线客机的研究不遗余力，如NASA 于2017 年发布的单通道带后置边界层推进的涡轮电动推进飞机STARC-ABL 和飞马混合电推进概念设计[7，14]。而针对干线客机，NASA也开展了N3-X飞机概念设计，采用涡轮电分布式推进系统。在日益严苛的环保目标的不断逼近下，混合电推进支线客机预计2025年左右实现首飞和服役，干线客机预计2035年前后投入使用。

4.1.3 通航飞机

通航飞机应用广泛，可用于包括运动、观光、农业、林业、救援、消防等在内的多个领域，目前发展势头迅猛[15]。沈阳航空航天大学研制的锐翔双座电动飞机RX1E于2013年首飞，2015年取得中国民航局生产许可证，是世界上第一款获得民航当局适航审定的电动飞机，但受电池技术挟制其航程和航时有限。而2019 年10 月首飞的锐翔四座电动飞机RX4E，也仅能实现300 km航程和90 min航时，只能满足部分应用场景需求。采用混合电推进系统可大大改善这一情况，使其应用场景得到进一步拓展。

4.2 军用航空

4.2.1 忠诚僚机

随着作战模式的演进，无人机集群作战正成为未来空中作战的重要趋势。美国空军开展了长僚协同与忠诚僚机计划：无人机与F-35战斗机编队飞行，充当F-35 的前伸的传感器、射手和诱饵。美国对于XQ-58A 等忠诚僚机，考虑其需要搭载传感器和武器以支撑有人机，计划采用混合电推进系统。此外，随着F-35系列战斗机不断投入使用，F-16战斗机即将大规模退役，故美国空军正在将F-16战斗机改装为忠诚僚机无人机，而采用混合电推进系统能大大改善F-16的航程、机动性等特性。

4.2.2 高空长航时无人机

未来空战模式中，高空长航时无人机将会发挥越来越重要的作用，混合电推进系统可实现20 km以上的高空飞行，实现更长的续航时间，且兼具一定的机动性，能够大大提升无人机的生存性，将是高空长航时通信中继无人机或侦察机极有潜力的备选动力装置[16]。目前，美国空军已经将混合电推进系统应用于小型侦察无人机，且正计划将混合电推进系统应用于MQ-9 捕食者和RQ-4 全球鹰等高空长航时无人机。

4.2.3 运输机和远程轰炸机

采用混合电推进系统可以很容易实现短距/垂直起降，这对于陆军作战期间战地物资、受伤人员等的运输保障非常重要。此外，随着混合电推进系统在民用航空领域的兴起，其在大型运输机、远程轰炸机等机种中的应用也显露出较大的潜力。低油耗、长续航、低噪声和较当前动力更高隐身性的特性，正是未来大型运输机和远程轰炸机动力的发展目标。

4.2.4 下一代战斗机

2019年，美国VAATE计划转入后续ATTAM(支撑经济可承受任务能力的先进涡轮发动机技术研究)计划，下一代战斗机发动机中将整合热管理、发电技术和推进技术，重点研究能支持激光武器、定向能等兆瓦级电力负荷的技术[17]。借此推断，下一代战斗机发动机极有可能具备多电发动机或电气化推进系统等特征。

AFRL 在推进混合电推进系统发展的同时，因其绝大部分技术与多电发动机技术相通，故经过验证的技术将引入多电发动机中使用[10]。这说明，美军是混合电推进系统与多电发动机同步推进。

5 结束语

以NASA、AFRL、空中客车集团、罗·罗公司和CIAM为代表的著名航空制造商及相关研究机构，都针对混合电推进的发展制订了明确的规划，开展了广泛的验证研究。混合电推进系统是迈向全电推进系统的重要过渡阶段，并将持续到电池能量密度与液态燃料持平之时[18]。相关资料表明，2020～2035年，各类混合电推进飞机将陆续实现首飞和服役。

目前看来，混合电推进系统是推动民用航空进入可持续发展的最具潜力的推进系统方案，同时也对军用航空的发展注入了新的活力。混合电推进系统长续航、低噪声、高机动的特性，使其成为忠诚僚机、高空长航时无人机等军事应用的最佳之选，而其高效的能量管理又满足定向能武器和下一代战斗机动力的需求。此外，电传输相较于机械传输更为灵活，加之分布式推进系统能够实现更好的飞机/发动机一体化，因此混合电推进系统还将促生一批结构新颖、作战效能更高的新型军用飞机。

我国较世界航空先进国家在燃气涡轮发动机领域存在较大代差，但就混合电推进系统而言，当前与其他国家几乎处在同一起跑线。为此，有必要通过合理规划，集中突破超导材料、超冷技术、电池技术、能量管理等关键技术，加快研发验证步伐，抢占混合电推进系统发展先机。