分布式推進系統研究綜述

彭振宇　張丹玲

【摘? 要】分布式推進系統具有經濟性好、低污染、低噪聲等優點。本文主要分析了分布式推進系統研制情況，梳理了關鍵技術，論述了當前階段應開展的技術研究內容，為后續開展相關技術研究提供支撐。

【關鍵詞】分布式;混合電推進;工質驅動

現代航空發動機各部件高效運轉，導致提高發動機整機效率的成本極高、難度極大。隨著飛機與航空發動機的技術發展，市場競爭的加劇以及環保要求的提高，飛機、發動機制造商和運營商在未來技術研究和產品研制方面也越來越多地聚焦于一些創新的甚至是顛覆性的技術方案上，以達到更經濟、更環保和可持續發展的目標，分布式推進系統的概念便應運而生。

1 分布式推進系統概念及分類

傳統飛機是通過發動機將燃料的化學能轉化為機械能而產生動力，而分布式推進系統是將發動機的能量轉化后，提供給分布在機翼或機身上的若干風扇、螺旋槳或者其他裝置產生動力。分布式推進系統能夠集成到機體結構上，優化機體周圍的流場，大幅降低油耗、減少排放，同時能夠減輕飛機的重量，降低阻力和噪聲。

分布式推進系統有多種形式，目前絕大多數采用混合電推進系統，混合電推進系統是將發動機與電動機結合起來，共同作用的推進系統，具體來說，是指通過傳統燃氣渦輪發動機帶動發電機發電，為電動機提供電力，并由電動機驅動分布在機翼或機身上的若干風扇或其他動力裝置，提供全部或絕大部分推力（燃氣渦輪發動機不提供或只提供部分推力）的一種新概念推進系統。

混合電推進系統主要分為四種形式，區分的主要原則為燃氣渦輪發動機是否提供部分推力、推進系統是否使用電池。

第一種為燃氣渦輪發動機帶動發電機發電，由電動機驅動風扇/螺旋槳提供全部推力。

第二種為燃氣渦輪發動機帶動發電機發電，由電動機驅動風扇/螺旋槳提供部分推力，發動機提供部分推力。

第三種為燃氣渦輪發動機帶動發電機發電，由電動機為電池充電，由電池驅動風扇/螺旋槳提供全部推力。

第四種為燃氣渦輪發動機帶動發電機發電，由電動機和電池共同驅動風扇/螺旋槳提供全部推力。

與傳統動力推進系統相比，混合電推進系統有以下優勢：渦扇發動機對能量的利用效率僅為40%，而電推進系統對能量的利用率能夠超過70%，混合電推進系統的能量利用率高;由于燃油能量密度比電高，并且電機比渦輪效率高，混合電推進系統采用燃氣渦輪和電機相結合的推進方式具備提高系統整體效率的潛力，能夠達到降低燃料消耗、減少排放的目的。

另一種分布式推進系統為利用工質驅動，通過發動機引氣來驅動推進器，可以實現采用小涵道比渦扇發動機作為動力裝置而耗油率和噪聲水平遠低于大涵道比渦扇發動機的綜合效果。

2 國內外發展現狀

2008年，在美國航空航天局的亞聲速固定翼計劃下開展的N+3項目中，某些團隊為了達到N+3的目標，開始最早研制混合電推進技術。NASA團隊在N+3項目下提出N3-X飛機概念，采用翼體融合體布局與渦輪電力分布式推進（TeDP）系統相結合的設計。該方案機體是由波音公司的N2A HWB結構衍生而來，去掉懸掛安裝的渦扇發動機和垂直尾翼，取而代之的是在尾翼上表面安裝發動機短艙，短艙內安裝電動機驅動的風扇。渦輪發電機的主要功能是發電，并不產生推力。與波音777-200LR飛機相比，N3-X飛機能夠在不影響有效載荷、航程或巡航速度的情況下，耗油率降低超過70～72%。2011年，NASA團隊發現N3-X飛機燃料消耗對重量很敏感，于2011年5月提出N3-X新型層流飛機。與之前N3-X飛機不同的是該飛機采用的推進系統為渦扇發動機驅動的TeDP系統，推力由2個帶有動力渦輪的渦扇發動機和分布式推進器產生。

波音公司與GE公司和PW公司合作探索了一系列的混合電力推進系統。其中，hFan推進系統方案能夠在全燃氣渦輪、全電或者混合模式下工作的混合電力推進方案具有更大的發展潛力。飛機在起飛和爬升時采用電池/燃氣渦輪混合推進系統，巡航時采用燃氣渦輪或電池，其中航程較近時主要由電池提供動力，航程較遠時主要采用燃氣渦輪提供動力。與波音737 和空客A320配裝的CFM56發動機相比，hFan 涵道比達到了18，在燃氣渦輪工作模式下，其耗油率降低28%;在電力工作模式下，可利用電池儲能驅動，不需要消耗燃油。

空客公司在“航跡2050”計劃目標下開展了基于分布式混合電推進的E-Airbus飛機方案。E-Airbus采用6臺電動風扇，每個機翼上沿展向分布3臺，并通過1個燃氣動力單元（即渦扇發動機連接到發電機，以產生電力）為6臺風扇（產生推力）提供電力和為電能存儲裝置充電，推進系統的等效涵道比預計將超過20。在起飛階段，E-Airbus飛機所需的額外動力由電能儲存裝置提供;在巡航階段，燃氣動力單元將提供巡航動力，并帶動發電機為電池充電;在初始下降階段，燃氣動力單元關閉，飛機為滑翔模式，之后渦扇發動機以風車狀態起動，并產生電能;在降落階段，燃氣動力單元重新起動，提供過量的推力（備用推力）以備飛機所需。

2017年，賽峰集團在歐盟“航跡2050”計劃目標下提出了電推進技術發展路線圖，推進系統采用“分步走”的方式，到2030年，賽峰集團期望起飛、爬升和慢車推力的10%由混合推進系統的電力提供，大部分推力仍由常規渦扇發動機提供。2035年，在能量儲備取得一定進展后，賽峰集團預測分布式混合電推進系統與邊界層吸入相結合可實現20%～50%的推力由電力提供。2040年，采用氫能源將實現CO2零排放的100%電推進系統。

2017年8月，CIAM披露了俄羅斯第一個渦輪電推進飛機發動機的研制計劃，并在莫斯科航展上展出了500kW級概念發動機模型。該發動機結構特點主要是燃氣渦輪帶動電機，電機再驅動六葉螺旋槳旋轉，當燃氣渦輪或電機發生故障時由備份電池提供動力。該發動機雖采用傳統構型，但配電設計獨特。為了減輕重量以及減少電磁場對其他電子設備的干擾，該發動機將采用俄羅斯“新創”公司提供的輕質半導體材料，這種材料重量輕，可在高能量下工作，也能減少電磁干擾，但還需要進一步的試驗驗證。

目前，國外已開展了大量的混合電推進系統技術探索，并采用了當代先進技術，國內尚未開展混合電推進技術研究，部分高校對相關技術進行了探索，但尚未開展有針對性的關鍵技術研究。因此，有必要盡早開展混合動力推進系統研制和關鍵技術攻關，實現跨越式發展。

3 分布式推進系統關鍵技術

3.1 混合電推進系統

1）高功率密度電動機技術;

2）高功率密度發電機技術;

3）超導電能傳輸技術;

4）高效、大容量功率變換器技術;

5）熱管理技術;

6）系統推進技術。

3.2 工質驅動推進系統

1）發動機引氣穩定性設計技術;

2）發動機引氣控制規律設計技術;

3）系統推進技術。

4 結論

分布式推進系統尤其是混合電推進系統具有一定的潛力，可能成為未來飛機、發動機的發展方向之一。由于目前各國在電池組能量、電力系統設計復雜性、可靠性和安全性等方面尚未成熟，因此，避免走彎路，建議我國在設計初期，盡量選取載重量相對較小、對動力需求較低的飛機/發動機作為研究對象，減少由于電力需求過大帶來的關鍵技術;在研制后期，綜合技術逐漸成熟后，逐步提升推力等級，攻克電力系統設計關鍵技術，大幅提升我國航空動力設計水平。

參考文獻：

[1] 張小偉.面向2030年的分布式混合電推進技術[C]//中國航空學會.2015年第二屆中國航空科學技術大會論文集.北京：國防工業出版社，2015：330-334.

[2] 孔祥浩，張卓然，陸嘉偉，等.分布式電推進飛機動力系統研究綜述[J].航空學報，2018.39（1）：8-12.

（作者單位：中國航發沈陽發動機研究所）