国内外航空电推进技术发展现状及趋势

龙 丹，郑 茜，刘 畅，尤浩琦，杜 婷，刘佩佩

(中国民航大学 天津 300300)

电推进技术是一种先进推进技术，目前已发展出混合电推进、霍尔电推进、离子电推进等多项技术，主要应用于飞行器、超低轨道卫星、深空探测器等多类航空器，其通过能源转化的方式使电推进系统产生推力。相比于其他推进技术，电推进技术比冲高、推力小且精确可调、寿命长，可以使航天器的运转更高速、更长期可靠，同时可克服较小的阻力，满足新型航天任务的需求。此外，以传统煤油为燃料的发动机在减排降噪上的潜力十分有限，电推进是一种新能源技术，在节能减排上有着较大的潜力，有利于促进当今社会的可持续发展。

电推进技术凭着技术先进、环境友好等优势正跃居为近年来在空间推进领域发展和应用最为迅速的技术，且越来越受到社会各界的重视。

1 电推进技术的重要发展方向

近年来，随着航空事业的迅速发展，电推进技术逐渐成为航空业的焦点。2019年巴黎航展上，多家飞机制造商、发动机制造商和机载系统制造商的专家共同强调了电推进技术发展的重要性，他们将电推进技术称为航空业“第三时代”的重要标志。电推进技术凭借其降低运行噪音、便于操控和航行、节能环保、系统能效更高等优势运用在航空的多个领域，本文主要介绍混合电推进、霍尔电推进和离子电推进这3项技术的发展现状和方向。

1.1 混合电推进技术的发展

混合电推进技术就是利用涡轮发电、燃料电池、锂电池等不同形式能源系统搭配组合，同时利用电能传输的便捷与控制灵活等特点使得推进系统与飞行器能够按照需要融合设计的一种技术。按照飞行器的工作环境和方式可分为三大类：航天器、航空器、火箭和导弹。当前主要有2类飞行器采用电动机驱动：一类是采用电机螺旋桨驱动的固定翼飞机，主要用于满足起飞重量大、航程远的需求，以X-57麦克斯韦飞机为例，这是第一架全电动试验飞机的早期版本；而另一类是可实现垂直起降的旋翼飞机，如直升飞机，主要用于垂直起降和实现空中悬停[1]。

1.1.1 应用于电力飞机

空客公司研发的E-Fan1.2是混合电推进运用于飞机上的典型例子，见图1。E-Fan1.2是E-Fan1.1的升级版本，它首次亮相是在2016年的EAA AirVenture会展上，空客公司还介绍了该项目的全新混合动力推进系统是与合作伙伴西门子一起开发的。

图1 E-Fan 1.2在EAA AirVenture 2016上首次亮相Fig.1 E-Fan 1.2 debuted at EAA AirVenture 2016

升级版的E-Fan1.2与纯电动的E-Fan1.1相比在飞机驾驶舱的后部增加了一个活塞发动机，该发动机能够提供飞机航行在最大巡航速度时平飞所需的动力，同时可为锂离子电池充电。该飞机所加装的活塞发动机选用的是德国的Solo2625-02i(50kW)直列双缸水冷电喷发动机，曾获得多家航空公司的超轻型飞机认证，重量只有24kg[2]。

升级的E-Fan1.2比E-Fan1.1的续航能力更强，E-Fan1.1先前的续航时间仅30min左右，但在加装活塞发动机后，E-Fan1.2续航能力能够延长至2h15min。但这个项目的研发是一个极具挑战性的任务，同时因为各种其他因素，2020年4月，空客公司与罗罗公司已决定终止该项目。

1.1.2 应用于支线客机

混合电推进飞机与传统的燃油飞机相比具有节能环保的优势，在当今全球民航运输业越来越重视绿色和环保的时代，其低噪声、低排放的优势对民用飞机极具吸引力。美国Zunum航空很好地将混合电推进技术运用于支线客机，是混合电推进支线客机的积极推动者。Zunum公司研发的ZA10支线客机如图2所示。

图2 Zunum公司ZA10支线客机Fig.2 Zunum ZA10 regional airliner

美国Zunum公司于2017年创立，是波音和捷蓝(Jetblue)航空投资的初创企业，现已获得波音HorizonX和捷蓝技术投资机构的风险投资。该企业于2018年正式开展了12 座的 ZA10 支线飞机的研究。该支线飞机没有采用传统的内燃机引擎，而是采用电池发电机和涡轮发电机2个动力驱动引擎，可以共同驱动2个500kW的电动涵道风扇产生动力，其中飞机机载电池组提供500kW的功率，涡轮发电机系统则提供另外500kW的功率[3]。

ZA10支线飞机内部使用的发动机是赛峰集团提供的Ardiden3Z(阿蒂丹3Z)涡轴，该发动机用于驱动发电机发电。ZA10的涡轮发电机系统安装在机体后部的2个涵道风扇中间，机载电池组则是安装在机体、机翼和短舱中[4]。另外，Zunum公司还选取了赛峰集团的阿蒂丹3直升机推进系统作为ZA10支线飞机的动力装置。Zunum公司之所以将ZA10飞机称为混合电推进飞机，是因为其推进系统的模块化设计，即电池和涡轮-发电机是2个相对独立的模块，它们能够独立工作、互不干扰。飞机的电池是可以更替的，并且能够随着科技的发展而不断升级，同时飞机航程随着电池能量密度提升有望由2020年的1126km 提高至2030年的1609km。

与此同时，Zunum公司还计划开发一款12座级的混合动力支线客机ZA12。由于ZA12支线客机的电池重量很小，不到飞机最大起飞重量的20%，同时飞机上还携带了363kg的燃料供燃气涡轮发动机使用，能够大大增加飞机的航程[5]。和ZA10支线飞机不同的是，ZA12支线飞机的电池模块安装在机翼中，这样将来可在飞机C检时更换更先进的电池，而且Zunum公司还设想让运营商在2次飞行之间为电池充电或更换电池，这样可以节省停留时间。

1.2 霍尔电推进技术的发展

霍尔电推进技术主要应用于航天器的发动机上。霍尔电推进是利用电子在正交电磁场中的霍尔效应电离推进剂并通过电磁场实现离子加速的，具有工作电压低、可靠性高、系统结构简单、技术继承性好、推力密度大等优势[6]。

霍尔推力器产生的巨大推力能够长期高效地推动飞船前进。除了可用于小行星任务之外，它也可用于火星基地建设和向太空发射货物的任务中。

中国中间站核心舱“天和号”于2021年4月发射成功，图3为“天和”号整体示意图。“天和”核心舱作为中国天宫空间站的一部分，其子系统设计就是基于霍尔电推进技术。该技术不仅大幅提高了燃料使用效率，而且降低了空间站维护管理的成本[7]。

图3 “天和”号整体示意图Fig.3 Overall schematic diagram of Tianhe

空间站在围绕地球运动的过程中会因为微重力和近地空间的稀薄大气阻力产生一定的高度落差，所以为保证空间站维持在太空的一定高度，国际空间站需要消耗大量的燃料来提供动力，每年约4t，如果使用霍尔电推进技术就可将燃料消耗降低到20%左右，也就是800kg左右[8]。空间站的“天和”核心舱搭载的中功率霍尔电推进子系统是由上海空间推进研究所承制的，该型霍尔推力器不论在国内还是国际上均属于研制较为成熟的产品。

1.3 离子电推进技格的发展

离子电推进技术是将电能和氙气转化为带正电荷的高速离子流，其被施加静电引力后，离子流加速运动，使推进器时速大幅提高，从而推动航天器高速前进。离子发动机的燃烧效率比常规化学发动机的燃烧效率提高大约10倍，因此，离子电推进技术的有效利用能显著降低能源消耗。

离子电推进技术现已应用于多类航天器、超低轨道卫星和深空探测任务等方面。

1.3.1 应用于超低轨道卫星

重力梯度测量卫星在超低轨道飞行时，由于大气阻尼的影响，需利用推进系统进行阻尼补偿以达到无拖拽控制的目的。重力梯度卫星的无拖拽任务在目前应用较为广泛的几类推进系统中，离子电推进由于调节范围宽、推力调节分辨率高、比冲高等特点，极其符合这一任务的需要，比其他推进系统更具优势。由于普通的化学推进和冷气推进在超低轨卫星轨道维持任务中实现的轨道精度较低、时间较短，不具有优势。相比之下，离子电推进轨道精度高、推力调节分辨率合适、比冲较高、寿命较长，是超低轨卫星执行轨道维持任务的佳选[9]。

1.3.2 应用于深空探测器

近年来，离子推进技术成功应用于NASA深空探测器DS-1之后，又应用于“日本隼鸟号”小行星探测器深空探测任务中，图4为日本深空探测器“隼2”。离子推进技术正显示出越来越大的优势，其应用越来越广，深空探测的目标越来越细，探测范围越来越大、越来越远。在深空探测器的电推进执行巡航阶段轨道机动任务中，离子电推进的主要任务为主推进，次要任务则包括轨道修正和姿态控制机动。

图4 日本深空探测器“隼2”Fig.4 Japanese deep space probe Hayabusa2

近年来，我国的第一颗小行星探测旨在实现对Apophis小行星的伴飞、对Tukimit小行星的飞越探测和对1996FG3小行星的附着探测。在此类小行星探测任务中，离子推进技术展现了显著的优势。

2 国内外电推进技术发展对比

2.1 混合电推进

2.1.1 俄罗斯

俄罗斯在电推进飞行器基础研究领域可谓先觉者，但在20世纪90年代初，由于苏联解体，其整个航空工业发展受到严重打击，在电推进领域的研究也就中断了，直到2004年才开始逐渐恢复。

2017年，莫斯科航展上展出了一架配有功率500kW的混合电推进动力装置的飞机模型，该模型的推进系统是由燃气涡轮带动发电机发电，然后用发电机驱动六叶螺旋桨旋转；2019年9月，CIAM、西伯利亚航空研究所等参与的500kW混合电推进飞机研发项目首个方案验证机在CIAM试车台上开展地面试验；2019年，俄罗斯中央空气流体动力学研究院(TsAGI)提出了轻型短距起降支线飞机分布式混合电推进的研究方案，分布式混合电推进是混合电推进领域的创新性研究，其最大优势就是能够极大地降低燃油系统的消耗量和排放量[10]。

2.1.2 美国

美国对于混合电推进技术的研究相比于其他国家更加深入，领先于国际水平。美国最开始接触混合电推进技术是在N＋3的飞机概念研究中。美国航空航天局(NASA)是当前航空航天领域众多部门的佼佼者，其先见性地提出了亚声速绿色研究飞机计划。

2011年，NASA在和GE公司合作制造N-3X层流飞机时采用了混合电推进系统；2014年3月，NASA德莱顿飞行研究中心建成了AirVolt电推进试验台，之后在和航宇公司的合作项目中又开展了一系列混合电推进系统一体化实验台的测试；2015年，NASA将P2006T型轻型活塞双发飞机改进成分布式混合电推进飞机，P2006T飞机是一个传统配置的高翼飞机，并通过了意大利最轻双引擎飞机的认证；2017年，NASA在美国丹佛举行的航空航天学术会议上提出了“飞马”混合电推进支线客机的概念[11]，相比俄罗斯提前了2年，此后美国的多家航空公司也开始将混合电推进技术运用于军用飞机、民用飞机、公务机、通用飞机等多种飞机类型之中，并加以创新和改进；2019年4月，柯林斯航空航天公司(联合技术公司旗下)为了解决飞机推进、动力与热管理问题，宣布投资5000万美元建设面积2300m2的先进电力系统实验室——“电网”，用来研究混合电推进技术；2021年8月，安飞公司开展混合电推进飞机航线试飞，使用的是EEL飞机，该飞机是一架经过改装的塞斯纳337天马座(Cessna337 Skymaster)飞机。

2.1.3 中国

当前国内对混合动力飞机的研发主要集中在小型飞机上。沈阳航空航天大学辽宁通用航空研究院和中国科学院大连化学物理研究所合作的混合电动力有人机和无人机都已经通过试验飞行[12]。

2020年，通航民营企业——冠一通飞启动了新能源混合动力GAX机型的研发，该款飞机现有客运和货运2种机型，最大航程可达5000km，起降距 离＜500m，目前拥有较好的市场应用前景。2020年4月，我国第一艘油电混合推进应急指挥船“深海01”在广州黄埔文冲船舶有限公司顺利下水，该船舶是国内首艘使用锂电池作为混合推进动力的公务船。

2.2 霍尔电推进

2.2.1 美国

美国在霍尔电推进上的成功研究得益于俄罗斯。美国先前在霍尔电推进技术上的进展很慢，而俄罗斯则在国际上遥遥领先。早在1976年，苏联就将他们研究出来的霍尔电推进技术运用到了卫星上。苏联解体之后，美国和俄罗斯交流了霍尔电推进技术，在1992年还签订了引入这项技术的协议。

20世纪90年代初期，美国劳拉公司引入了霍尔推力器，并进行了研究与再开发；2008年，BPT-4000在美国的Aerojet GEO卫星上运行，在该推力器的寿命实验中，研究人员发现了磁屏蔽技术，研究人员通过大量实验研究将该技术成功运用于推力器研发之中；2010年8月，美国发射了一颗战术通信卫星AEHF-1，星箭分离后远地点推力器BT-4未能启动，因此，采用BPT-4000的救援方案完成了轨道提升，并首次验证了霍尔电推进转轨的可行性。近年来，美国开展了适用于空间运输、载人深空探测等任务的大功率霍尔推力器的研究工作，并成功研制出了50kW级的NASA-457M、NASA-457Mv2、NASA-400M推力器原理样机。

2.2.2 中国

国内对于霍尔电推进的研究相比于其他大国其实并不算晚，1967年就开展了电推进研究工作。中国的霍尔电推进技术和美国一样也请教了俄罗斯。 1999年美国终止同中国的航天合作计划之后，中国和俄罗斯进行了一次技术上的交流，于是霍尔电推进技术就被带入了中国。中国的电推进技术并不是照搬俄罗斯，而是在其基础之上加以改进。2012年，中国研究出的霍尔电推进技术运用于搭载LIPS-200离子推力器和HET-40霍尔推力器实践9A卫星进行空间在轨实验，该实验是我国首次进行的电推进技术的空间实验验证。在此之后，中国霍尔电推进技术的发展从基础性预研阶段正式进入空间应用阶段； 2015年，80mN国产霍尔电推进器到达了国际领先水平，同时能够满足在轨工作长达15年的寿命要求；2017年，用来搭载实践十八号卫星的东方红五号平台用了200mN功率5kW的霍尔电推进器； 2019年，搭载着实践二十号卫星的东方红五号平台成功进入轨道，标志着我国已开始在航天领域使用大功率的霍尔电推进器。

就目前来看，我国霍尔电推进技术在空间站上的发展水平高于其他国家，且我国空间站利用霍尔电推进技术已经可以实现最优轨道控制，不过在研发推力器的水平上还是稍逊于美国和俄罗斯。

2.3 离子电推进

2.3.1 美国

1960年6月，世界上第一台实用型电推进装置——离子推进器诞生了，该离子推进器为NASA格伦研究中心成功所研制，其研制引起了电推进领域的轰动；1964年7月，NASA将2台电子轰击式离子推进器发射向太空，其中一台成功工作，标志着美国在太空启动离子推进器的起点；1965年，离子推力器在美国完成了世界上首次空间飞行试验；1970年，SERT-2号飞行器搭载着以汞离子为工质的2台离子推进器升空进入高达1km的极轨道，2台离子推进器在空间环境中分别完成了较长的工作时长和多次开关；1997年8月，由美国泛美卫星公司发射的通信卫星首次使用氙离子推力器(XIPS)来进行南北位置保持，该氙离子推力器是世界上第一台商用离子推力器；1998年，在“深空1号”的深空飞行任务中，离子推进器首次成为主力推进系统进行应用；2010年，波音公司进行了BBS-702SP平台开发计划，标志着全世界第一个全电推进卫星平台的开启，此平台采用XIPS-25推力器彻底替代了化学推进；2013年，美国宇航局研制了先进离子推进火箭发动机，此类离子电推进技术可用于深空探索任务，这是一种太阳能电动推进器，其效率高于化学燃料火箭，更适合用于完成深空探索任务。

美国是世界上第一个研制出离子推进器的国家，同时也是离子电推进技术领域的垄断者。在离子电推进领域，美国在全球有着极其重要的地位。美国不仅成功将其作为主力推进系统应用于深空飞行，还将其成功用于深空探测任务。美国早期的电推进技术以汞离子推进器为主，此外，氙离子推力器电子轰击式离子推进器也应用于太空任务中，美国的离子电推进技术仍在迅猛发展中，并在世界上占据重要地位。

2.3.2 中国

1967年，中科院电工所率先针对轨道提升任务开展了电子轰击式汞离子推力器技术研究，分别研制了6cm和12cm的试验样机；1986年，中国航天科技集团公司五院510所成功研制了毫米汞离子电推进系统，1988—1993年成功研制了90mm氙离子电推进系统；2015年，510所自主研制了中国首个卫星用200mm离子电推进系统(LIPS-200)，其能确保卫星在轨可靠运行15年。

目前，我国自主研制的电推进系统已在国际上达到先进水平，已经开始应用于各项工程，并且可以满足我国通信卫星系列平台、高轨遥感平台和深空探测器的发展需求。经过多项技术的研究与发展，我国的离子电推进技术正一步一步得以提升，在国际上的地位也越来越重要。

3 结 语

目前，国外混合电推进、霍尔电推进与离子电推进技术发展较为成熟，纵观我国在相关领域的发展历史，我国努力研究发展电推进技术的道路虽困难重重，但已在这条道路上披荆斩棘并使之更好地应用于航空航天领域，故取得电推进技术在国际上较为成熟甚至领先的成果。然而目前电推进技术的发展仍存在一些难点和挑战，如电源处理单元的多模块组合的高电压输出、高电压绝缘防护技术及多路稳流源集中设计技术的难点和离子推进器高功率化、超高比冲化、系统简化及可靠性提升、微小推力范围连续可调等，这些挑战意味着今后还需在电推进技术领域开展更多的研究探索。因此，我国应借鉴国外电推进技术发展的经验，发挥创新精神，利用技术创新发展电推进技术，坚持不懈地解决电推进技术研发过程中遇到的难题和挑战。只有这样，我国电推进技术才会迎来一个长期光明的未来，才会为全球电推进技术的发展提供良好的经验借鉴，才能促进电推进领域的发展。■