航空混合電推進系統的發展現狀及應用前景

王 鵬，鞠 新，鄭天慧，泰櫻芝

(中國航發四川燃氣渦輪研究院，成都 610500)

1 引言

燃油成本不斷上漲，航空運輸業面臨巨大成本壓力。同時，以國際航空運輸協會(IATA)、國際民航組織(ICAO)、美國國家航空航天局(NASA)、歐洲航空安全局(EASA)等機構為代表的航空機構，正在制定越來越嚴苛的環保要求，以減少商用飛機對環境的影響。因此，航空工業當前的終極目標是完美運行具有良好經濟和環境效益的飛機，減少對化石燃料的依賴性[1]。

飛機環保性能提升的關鍵在于推進技術的突破。對于燃氣渦輪發動機，雖然每次技術進步都能帶來燃油效率的大幅提升，但是目前性能最好的渦扇發動機只能使用燃油40%的潛在能量，而正在研發的新一代渦扇發動機——變循環發動機也只能利用55%～70%的燃油能量[2]。要想進一步提升推進系統的燃油效率，必須將目光投向燃氣渦輪發動機之外的新型推進系統。

近年來，以電氣化為代表的新一輪能量系統技術革命正在重構全球航空與地面運輸產業格局，電推進技術更是被看作航空工業進入“第三時代”的重要標志[3]，獲得了世界主要航空強國的高度關注。航空推進系統的電氣化有多種實現路徑，其中受當前電池能量密度水平所限，混合電推進系統是近中期重點研究方向。混合電推進技術在汽車行業已經被廣泛采用，并驗證為一種行之有效的技術。美、歐政府均將混合電推進系統視為有潛力在2030 年后投入使用的、具有前景的民用航空動力解決方案，并正在組織飛機系統集成商和動力廠商積極開展探索和研究[4]。此外，混合電推進系統在軍事上的應用也在加速推進之中。

2 混合電推進系統

航空電氣化推進系統主要包括6種結構形式[5-6]，如表1所示。其中，全電推進系統受電池技術限制，當前的主要應用場景局限在輕型運動飛機、通航小飛機以及短距低速通勤飛機等；渦輪電推進系統和部分渦輪電推進系統對電機要求較高，目前的研究主要針對2035年前后的大型客機這一中遠期規劃；混合電推進系統為近中期的研究重點，串聯式和并聯式混合電推進系統主要針對2025 年前后服役的支線客機，而混聯式混合電推進系統由于結構更為復雜，相關研究較少。

表1 航空電氣化推進系統主要結構形式Table 1 Main structure forms of electrified propulsion systems

混合電推進系統是以航空燃氣渦輪發動機和電池共同提供能源的推進系統。其中，航空燃氣渦輪發動機將化學能轉換為機械能/電能，與電池儲存的電能一起提供能源，單獨或共同驅動推進器從而產生推力。混合電推進系統與傳統航空發動機的區別在于：一是其產生動力的能源來源是燃氣渦輪發動機和電池的組合；二是其輸出的推力可以由多個獨立推力系統共同工作實現，可以是風扇，也可能是螺旋槳。

3 發展現狀

3.1 NASA

3.1.1 電氣化飛機推進系統(EAP)研究

NASA 航空研究任務指揮部給出的6 個戰略主推力中，有1個為向低碳推進過渡，即研究可立即使用的替代燃料并探索低碳推進技術，這正是EAP研發的主要動因[7]。NASA 對運輸類飛機電推進系統的研究已有10 多年，目前正在開展EAP 研究，目的是為窄體飛機尋求1個以上的可靠EAP方案并識別相關先進關鍵技術，改善商業運輸飛機的耗油率、排放和噪聲水平。

美國GE 公司、波音公司及聯合技術公司均承接了NASA 的研發合同，以探索潛在的EAP 方案。其中，GE 公司之前已驗證過能夠從F110 軍用渦扇發動機中抽取1 MW 電功率的電機技術；聯合技術公司計劃在2022年進行2 MW混合電推進驗證飛機的首飛。此外，伊利諾伊州立大學、俄亥俄州立大學、NASA 格林研究中心等機構也在NASA 的牽引下，就電機、轉換器、材料和測試等關鍵技術開展了研究。

通過飛機方案設計研究及尖端技術進步，NASA的EAP方案的可靠性得到大幅提升。其中，部分渦輪電和并聯式混合電推進候選方案有望在2035 年投入使用，而更遠的目標是實現全渦輪電推進。下一步，NASA 將把精力集中在幾種成熟度更高的方案上，并準備開展飛行驗證。

3.1.2 亞聲速固定翼飛機(SFW)計劃

針對未來航空業面臨的最大挑戰——綠色環保，NASA 還啟動了一系列重點關注綠色航空的計劃，主要包括SFW計劃、基礎航空計劃、綜合系統研究計劃、空域系統計劃、航空試驗計劃等，通過各個層級、各個方面的努力促進綠色航空的最終實現。其中，SFW計劃聚焦研發具有明顯節能減排特性的下一代亞聲速固定翼飛機，其具體框架如圖1所示。

圖1 SFW戰略框架Fig.1 Strategic frame of SFW

SFW 計劃中，系統級技術指標分三個階段實現，如表2所示。其中，技術優勢指的是行業技術成熟并應用后能取得的優勢，N+1 和N+3 代以配裝CFM56-7b發動機的波音737-800為基準，而N+2代以配裝GE90發動機的波音777-20為基準。N+3代主要是針對2030～2035 年投入使用的商用亞聲速運輸飛機開展先進方案研究，近期有望取得突破。波音公司、GE公司、聯合技術公司、麻省理工大學和羅·羅公司等都開展了多種方案的研究。NASA 對目前的方案進行梳理發現，主要的技術挑戰集中在降低阻力、減輕質量、減少排放和噪聲，主要的研究領域或關鍵技術包括定制化機身、彈性機翼、高效小型燃氣發生器、混合電推進系統、推進系統機身一體化、替代燃料等。

表2 NASA亞聲速運輸系統級指標Table 2 NASA subsonic transportation system-level index

針對混合電推進系統，NASA 目前主要有兩種方案，一種是單個風扇具有兩種功率源，另一種是多個解耦的風扇共享一個單功率源，但總體思路都是逐步從傳統動力過渡到混合動力，最終實現全電動力。NASA 針對兩種方案都開展了先進方案研究，如開展的N3-X 飛機方案研究，以及支持波音和GE聯合承擔的亞聲速超綠色研究(SUGAR)計劃[8]。

自2008 年以來，波音和GE 都參加了NASA 的SUGAR 計劃，合作研究將混合電推進系統應用于B737級別飛機，以期滿足2030～2035年開始服役的B737級別窄體客機的節能減排目標，波音公司負責研究飛機，GE 則負責發動機。GE 公司分別在名為gFan和hFan的項目下開展了一系列設計，以提升先進渦扇發動機和混合電力動力裝置的技術水平。其中，hFan是一種混合電推進系統，涵道比達18，能夠在全燃氣渦輪、全電力或混合模式下工作，其結構示意如圖2 所示。相比CFM56 發動機，在燃氣渦輪模式下耗油率降低28%，在全電力模式下耗油率則降低100%。

圖2 GE公司的hFan發動機Fig.2 GE hFan engine

目前，波音公司已經從NASA 獲得了進一步研究N+4代飛機(即SUGAR計劃的第二階段)的經費支持。主要研究任務包括：

(1)N+4 研究——液化天然氣方案的縮尺性能，技術方案路線圖(液化氣發動機、系統和結構，無涵道風扇和先進螺旋槳，混合電推進發動機和電池等)；

(2)混合電推進系統優化——結構發展與NPSS建模；

(3)桁架支撐翼狀態——總體質量結構發展(機翼多學科設計優化，機翼設計與分析，機身和機翼有限元分析)，風洞方案。

對于未來寬體客機，NASA探索了全復合材料、層流、翼身融合體的N3-X 飛機概念[9]，其最突出的特點是采用了渦輪電分布式推進系統(TeDP，圖3)。TeDP將產生推進力的裝置與產生動力的裝置分開，由兩臺安裝在翼尖的渦軸發動機驅動超導發電機產生電能，并驅動15臺嵌入機身的超導電動推進器產生推力。N3-X 飛機的耗油率比波音777-200LR 飛機降低70%以上。

圖3 渦輪電分布式推進系統Fig.3 Turbo-electric distribution propulsion system

NASA 認為，分布式推進的優點主要體現在推進裝置沿翼展方向分布，使得飛行器總體效率最大化，從而提高升力、減少阻力或減輕飛機質量。此外，渦輪電分布式推進系統還具有可縮放性，雙發配置下，通過改變推進器數量，可以用于從小型支線飛機到大型飛機的全機型(圖4)。

圖4 渦輪電分布式推進系統的應用范圍Fig.4 Application of turbo-electric distribution propulsion system

3.2 AFRL

2017年6月，AFRL披露了一份關于《無人機系統混合動力與推進系統》的報告[10]，揭示了AFRL發展混合電推進無人機系統規劃。為了發展經濟可承受的、一體化的小型無人機系統，AFRL下屬航空航天系統指揮部動力與控制分部希望通過加強混合電推進系統來增加小型無人機的航時，提高額外負載功率，實現作戰時更為安靜，以及提升系統的可靠性。

報告顯示，從2016年開始，AFRL就持續開展了高能安全多功能電池研究，以及高效可重構混合動力管理/小型無人機系統混合電推進系統研究。在高能安全多功能電池研究中，計劃2018～2020年開展結構一體化、安全先進的電池研究，2021 年開始對先進的結構一體化電池進行驗證。在高效可重構混合動力管理/小型無人機系統混合電推進系統研究中，2016～2017 年間開展了高效、安靜的螺旋槳研究，2016～2019開展安靜的小型無人機系統推進系統研究，計劃2020 年開展模塊化的、安靜的混合動力設計研究，2021 年以后開展模塊化的、安靜的小型無人機系統混合動力與智能控制研究。計劃2018～2020 年開展混合電推進小型無人機系統(空中發射小型無人機系統用先進混合電動力鏈)驗證工作，之后還計劃于2021 年后開展長航時第3 組可恢復空中發射小型無人機系統驗證。

3.3 空中客車集團

歐盟在FlightPath2050(航跡2050)計劃下提出以2000年水平為基點，在2050年前實現二氧化碳排放降低75%、氮氧化物排放降低90%、噪聲降低65%。圍繞該計劃目標，空中客車集團關注并大力支持混合電推進系統，一方面通過評估降低二氧化碳排放的E-飛機研究項目來研究電力驅動的優勢，另一方面與羅·羅公司共同研究由渦輪發動機驅動集成到商用客機機翼的分布式推進E-Thrust翼身融合飛機方案(圖5)。E-Thrust 系統通過一個燃氣動力單元(渦扇發動機連接到發電機)為6 臺風扇和能量儲存充電提供電力，并可實現燃氣動力單元(產生電力)熱效率和風扇(產生推力)推進效率的獨立優化，有可能改善串聯式混合結構總效率和減小燃氣動力單元尺寸。

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

空中客車集團在2013年巴黎航展上宣布，與西門子公司和羅·羅公司聯合開發基于E-Thrust 的混合電推進系統的E-Airbus 100 座級支線客機概念。E-Airbus有6臺電力風扇，每個機翼沿翼展各分布3臺，涵道比(或這種系統的等效數)預計將超過20。雖然空中客車集團目前并沒有公布E-Airbus 飛機方案在2030年達到什么水平，以及與航跡2050計劃目標的對應關系，但作為航跡2050計劃的中期動力解決方案，分布式混合電推進系統將大量采用航跡2050計劃所發展的技術，并預計其具備足夠的技術優勢，能夠使歐盟在實現航跡2050計劃所定環保目標的征途中邁進一大步。

2017年11月，空中客車、羅·羅和西門子三家公司宣布將合作研發一款混合電推進飛機E-Fan X。該機將選用一架BAe146飛機作為飛行測試平臺，其4 臺渦扇發動機中的1 臺將被2 MW 功率的電動機取代[11]。一旦系統成熟性得到驗證，另一臺渦扇發動機也將被電動機取代。2020年4月，受新冠肺炎疫情影響，E-FAN X項目被迫終止，然而羅·羅公司明確表示將繼續獨立完成發電系統的地面測試工作。

3.4 俄羅斯中央航空發動機研究院(CIAM)

2017年7月，CIAM在莫斯科航展上宣布了首個混合電推進系統研究計劃，并展出了500 kW級混合電推進系統的概念模型[12]。該推進系統結構特點是由燃氣渦輪帶動發電機發電，然后由電動機驅動6葉螺旋槳旋轉；當燃氣渦輪或發電機發生故障時由備份電池提供動力。該系統將采用俄羅斯初創公司提供的SuperOx超導材料，這種材料質量很輕，可在高能量下工作，能減少電磁干擾，但還需要進一步的試驗驗證。如果能獲得俄羅斯聯邦政府資助，則有望在未來3 年內完成500 kW 混合電推進系統驗證機的飛行試驗，隨后開展用于19座飛機的2 000 kW級動力系統的飛行試驗驗證，其動力系統由4 臺500 kW 發動機的組合動力或1 臺2 000 kW 發動機提供動力。

4 應用前景

4.1 民用航空

4.1.1 城市空中交通

城市空中交通旨在為市民提供安全、便捷、舒適的城市空中出行方式。未來，隨著城市人口的不斷聚集和地面交通的日益擁擠，城市空中交通具有巨大的市場需求。城市空間局限性高，垂直起降是城市空中交通飛行器最重要的能力之一。對于垂直起降飛機，垂直起飛所需功率遠高于巡航所需功率，而混合電推進系統可以完美解決功率匹配的問題[13]。此外，低噪聲、低排放和低油耗也是未來空中交通飛行器發展的重要方向。為此，以空中客車集團為代表的相關廠商正在研發基于全電或混合電推進系統的垂直起降飛行器(圖6)，驗證其作為未來城市空中交通平臺的潛力。

圖6 空中客車集團城市空中交通概念圖Fig.6 Urban air traffic concept of Airbus

4.1.2 支線/干線客機

目前，航空制造商和有關科研機構均對混合電推進支線客機的研究不遺余力，如NASA 于2017 年發布的單通道帶后置邊界層推進的渦輪電動推進飛機STARC-ABL 和飛馬混合電推進概念設計[7，14]。而針對干線客機，NASA也開展了N3-X飛機概念設計，采用渦輪電分布式推進系統。在日益嚴苛的環保目標的不斷逼近下，混合電推進支線客機預計2025年左右實現首飛和服役，干線客機預計2035年前后投入使用。

4.1.3 通航飛機

通航飛機應用廣泛，可用于包括運動、觀光、農業、林業、救援、消防等在內的多個領域，目前發展勢頭迅猛[15]。沈陽航空航天大學研制的銳翔雙座電動飛機RX1E于2013年首飛，2015年取得中國民航局生產許可證，是世界上第一款獲得民航當局適航審定的電動飛機，但受電池技術挾制其航程和航時有限。而2019 年10 月首飛的銳翔四座電動飛機RX4E，也僅能實現300 km航程和90 min航時，只能滿足部分應用場景需求。采用混合電推進系統可大大改善這一情況，使其應用場景得到進一步拓展。

4.2 軍用航空

4.2.1 忠誠僚機

隨著作戰模式的演進，無人機集群作戰正成為未來空中作戰的重要趨勢。美國空軍開展了長僚協同與忠誠僚機計劃：無人機與F-35戰斗機編隊飛行，充當F-35 的前伸的傳感器、射手和誘餌。美國對于XQ-58A 等忠誠僚機，考慮其需要搭載傳感器和武器以支撐有人機，計劃采用混合電推進系統。此外，隨著F-35系列戰斗機不斷投入使用，F-16戰斗機即將大規模退役，故美國空軍正在將F-16戰斗機改裝為忠誠僚機無人機，而采用混合電推進系統能大大改善F-16的航程、機動性等特性。

4.2.2 高空長航時無人機

未來空戰模式中，高空長航時無人機將會發揮越來越重要的作用，混合電推進系統可實現20 km以上的高空飛行，實現更長的續航時間，且兼具一定的機動性，能夠大大提升無人機的生存性，將是高空長航時通信中繼無人機或偵察機極有潛力的備選動力裝置[16]。目前，美國空軍已經將混合電推進系統應用于小型偵察無人機，且正計劃將混合電推進系統應用于MQ-9 捕食者和RQ-4 全球鷹等高空長航時無人機。

4.2.3 運輸機和遠程轟炸機

采用混合電推進系統可以很容易實現短距/垂直起降，這對于陸軍作戰期間戰地物資、受傷人員等的運輸保障非常重要。此外，隨著混合電推進系統在民用航空領域的興起，其在大型運輸機、遠程轟炸機等機種中的應用也顯露出較大的潛力。低油耗、長續航、低噪聲和較當前動力更高隱身性的特性，正是未來大型運輸機和遠程轟炸機動力的發展目標。

4.2.4 下一代戰斗機

2019年，美國VAATE計劃轉入后續ATTAM(支撐經濟可承受任務能力的先進渦輪發動機技術研究)計劃，下一代戰斗機發動機中將整合熱管理、發電技術和推進技術，重點研究能支持激光武器、定向能等兆瓦級電力負荷的技術[17]。借此推斷，下一代戰斗機發動機極有可能具備多電發動機或電氣化推進系統等特征。

AFRL 在推進混合電推進系統發展的同時，因其絕大部分技術與多電發動機技術相通，故經過驗證的技術將引入多電發動機中使用[10]。這說明，美軍是混合電推進系統與多電發動機同步推進。

5 結束語

以NASA、AFRL、空中客車集團、羅·羅公司和CIAM為代表的著名航空制造商及相關研究機構，都針對混合電推進的發展制訂了明確的規劃，開展了廣泛的驗證研究。混合電推進系統是邁向全電推進系統的重要過渡階段，并將持續到電池能量密度與液態燃料持平之時[18]。相關資料表明，2020～2035年，各類混合電推進飛機將陸續實現首飛和服役。

目前看來，混合電推進系統是推動民用航空進入可持續發展的最具潛力的推進系統方案，同時也對軍用航空的發展注入了新的活力。混合電推進系統長續航、低噪聲、高機動的特性，使其成為忠誠僚機、高空長航時無人機等軍事應用的最佳之選，而其高效的能量管理又滿足定向能武器和下一代戰斗機動力的需求。此外，電傳輸相較于機械傳輸更為靈活，加之分布式推進系統能夠實現更好的飛機/發動機一體化，因此混合電推進系統還將促生一批結構新穎、作戰效能更高的新型軍用飛機。

我國較世界航空先進國家在燃氣渦輪發動機領域存在較大代差，但就混合電推進系統而言，當前與其他國家幾乎處在同一起跑線。為此，有必要通過合理規劃，集中突破超導材料、超冷技術、電池技術、能量管理等關鍵技術，加快研發驗證步伐，搶占混合電推進系統發展先機。