摘要:隨著城市交通擁堵加劇、超高層建筑滅火救援難題凸顯以及危重病人緊急運(yùn)送等應(yīng)用場(chǎng)景的日益迫切，全電/混動(dòng)飛機(jī)正在成為航空領(lǐng)域最具活力的創(chuàng)新方向之一。電動(dòng)垂直起降飛行器（electric vertical take-off and landing，eVTOL）以其分布式電推進(jìn)、低噪聲、零排放等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，為城市空中交通和短途運(yùn)輸提供了全新的技術(shù)范式。本文系統(tǒng)梳理了全球全電/混動(dòng)飛機(jī)的產(chǎn)業(yè)政策與發(fā)展趨勢(shì)，將小型全電/混動(dòng)飛機(jī)的技術(shù)路線歸納為六大類(lèi)型，從起降形式、動(dòng)力拓?fù)?、載客能力、巡航速度、航程和功率等級(jí)等維度進(jìn)行了全面對(duì)比；按照功率等級(jí)深入剖析了三相永磁同步電機(jī)、多相永磁同步電機(jī)、兆瓦級(jí)渦電系統(tǒng)電機(jī)/發(fā)電機(jī)及高溫超導(dǎo)電機(jī)等航空推進(jìn)電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)與發(fā)展現(xiàn)狀；進(jìn)而系統(tǒng)闡述了純電直驅(qū)、發(fā)動(dòng)機(jī)/渦輪直驅(qū)、串聯(lián)混電、并聯(lián)混電和串/并聯(lián)混電五種動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作模式及應(yīng)用特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，本文總結(jié)了當(dāng)前全電/混動(dòng)飛機(jī)在兆瓦級(jí)渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)、高功率密度航空推進(jìn)電機(jī)、高能量密度儲(chǔ)能系統(tǒng)和分布式推進(jìn)架構(gòu)等方面面臨的共性技術(shù)挑戰(zhàn)，并對(duì)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：全電飛機(jī)；混合動(dòng)力飛機(jī)；eVTOL；分布式電推進(jìn)；航空推進(jìn)電機(jī)；動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)

一、電動(dòng)飛機(jī)前言發(fā)展概述

交通運(yùn)輸領(lǐng)域是全球碳排放的重要來(lái)源之一，航空業(yè)作為其中增長(zhǎng)速度最快的板塊，其綠色低碳轉(zhuǎn)型已上升為世界主要經(jīng)濟(jì)體的戰(zhàn)略共識(shí)。NASA研究指出，電動(dòng)飛機(jī)可實(shí)現(xiàn)節(jié)能超過(guò)60%、減排超過(guò)90%、降噪超過(guò)65%。在這一宏觀背景下，發(fā)展全電/混動(dòng)城市空中交通不僅是解決地面交通擁堵、實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)短時(shí)高效運(yùn)輸?shù)闹匾窂?，更是降低航空碳排放的關(guān)鍵技術(shù)方向。

從技術(shù)演進(jìn)的角度看，飛機(jī)電氣化經(jīng)歷了從“多電飛機(jī)”——即使用電氣設(shè)備部分替代二級(jí)飛機(jī)系統(tǒng)的漸進(jìn)式變革，到“全電推進(jìn)飛機(jī)”——即以電力作為核心推進(jìn)動(dòng)力源的顛覆式創(chuàng)新。分布式電推進(jìn)系統(tǒng)、高功率密度電機(jī)、高能量密度儲(chǔ)能技術(shù)、自主飛行技術(shù)以及先進(jìn)環(huán)控系統(tǒng)等關(guān)鍵領(lǐng)域的突破，正在重塑小型通用航空飛機(jī)的設(shè)計(jì)范式。與傳統(tǒng)的魚(yú)鷹V-22等復(fù)雜垂直起降飛機(jī)相比，eVTOL飛機(jī)在降低操作復(fù)雜度和運(yùn)營(yíng)成本，以及顯著降低噪聲方面展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)。

本文旨在系統(tǒng)梳理小型全電/混動(dòng)飛機(jī)在全球范圍內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀與技術(shù)脈絡(luò)。首先概述產(chǎn)業(yè)政策與宏觀發(fā)展趨勢(shì)，繼而從飛機(jī)架構(gòu)層面歸納六條主要技術(shù)路線并比較其關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，隨后深入分析航空推進(jìn)電機(jī)在不同功率等級(jí)下的技術(shù)特征與應(yīng)用現(xiàn)狀，進(jìn)而探討動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)的分類(lèi)、拓?fù)渑c工作模式，最后展望關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)與未來(lái)發(fā)展方向。

二、全電/混動(dòng)飛機(jī)產(chǎn)業(yè)政策與發(fā)展趨勢(shì)

2.1 全球政策環(huán)境與戰(zhàn)略布局

全球主要發(fā)達(dá)國(guó)家和經(jīng)濟(jì)體正以前所未有的力度布局綠色航空產(chǎn)業(yè)。2020年2月，美國(guó)空軍啟動(dòng)了“敏捷至上”演示驗(yàn)證項(xiàng)目，旨在探索eVTOL技術(shù)在特種作戰(zhàn)、救援搜索、短距運(yùn)輸?shù)溶娛氯蝿?wù)中的應(yīng)用可行性，并推動(dòng)商用航空技術(shù)向軍事領(lǐng)域轉(zhuǎn)化。美國(guó)空軍與聯(lián)邦航空管理局、NASA以及能源部建立合作機(jī)制，共同推進(jìn)eVTOL飛機(jī)的適航認(rèn)證進(jìn)程。目前，Kitty Hawk、Beta Technologies、Joby和Lift Aircraft等公司的eVTOL飛機(jī)已獲得美國(guó)空軍適航批準(zhǔn)。

在適航法規(guī)層面，2025年7月，美國(guó)聯(lián)邦航空管理局發(fā)布了咨詢通告AC 21.17-4，為eVTOL等動(dòng)力升力航空器的型號(hào)合格審定提供了綜合性指導(dǎo)框架。同期，歐洲航空安全局發(fā)布了創(chuàng)新空中交通監(jiān)管框架，涵蓋有人駕駛VTOL航空器的運(yùn)行規(guī)則、飛行機(jī)組許可和空中交通整合等核心內(nèi)容，使歐洲在eVTOL適航監(jiān)管方面走在了全球前列。此外，美英澳等五國(guó)聯(lián)合發(fā)布了eVTOL統(tǒng)一適航認(rèn)證路線圖，標(biāo)志著國(guó)際適航標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)同互認(rèn)邁出了實(shí)質(zhì)性步伐。

中國(guó)方面，2022年1月，交通運(yùn)輸部、科學(xué)技術(shù)部聯(lián)合印發(fā)了《交通領(lǐng)域科技創(chuàng)新中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃綱要（2021—2035年）》，明確部署飛行汽車(chē)研發(fā)任務(wù)，提出突破飛行器與汽車(chē)融合、飛行與地面行駛自由切換等核心技術(shù)。2023年10月，工業(yè)和信息化部、科學(xué)技術(shù)部、財(cái)政部、中國(guó)民用航空局等四部門(mén)聯(lián)合印發(fā)《綠色航空制造業(yè)發(fā)展綱要（2023—2035年）》，確立了“兩步走”戰(zhàn)略目標(biāo)：到2025年，電動(dòng)通航飛機(jī)投入商業(yè)應(yīng)用，eVTOL實(shí)現(xiàn)試點(diǎn)運(yùn)行，氫能源飛機(jī)關(guān)鍵技術(shù)完成可行性驗(yàn)證；到2035年，新能源航空器成為發(fā)展主流，以無(wú)人化、電動(dòng)化、智能化為技術(shù)特征的新型通用航空裝備實(shí)現(xiàn)商業(yè)化、規(guī)?；瘧?yīng)用。該綱要進(jìn)一步明確，小型航空器以電動(dòng)為主攻方向，干支線等中大型飛機(jī)堅(jiān)持新型氣動(dòng)布局、可持續(xù)航空燃料和混合動(dòng)力等多種路線并存的發(fā)展策略。

2024年，“低空經(jīng)濟(jì)”首次寫(xiě)入中國(guó)政府工作報(bào)告，2026年新修訂的《民用航空法》為低空飛行提供了法治保障，適航審定正從“一事一議”邁向統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，空域管理、通信基礎(chǔ)設(shè)施與地方補(bǔ)貼同步推進(jìn)。據(jù)預(yù)測(cè)，2025年中國(guó)低空經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到1.5萬(wàn)億元，2035年有望達(dá)到3.5萬(wàn)億元。

2.2 產(chǎn)業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)與商業(yè)化進(jìn)程

在全球產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)層面，美國(guó)企業(yè)在適航取證和飛行測(cè)試方面保持領(lǐng)先。Joby Aviation于2026年3月完成了首架符合FAA適航要求的生產(chǎn)型飛機(jī)飛行測(cè)試，計(jì)劃于2026年底前在多個(gè)州開(kāi)展大規(guī)模測(cè)試，目標(biāo)是在迪拜率先啟動(dòng)商業(yè)運(yùn)營(yíng)，并在獲得FAA認(rèn)證后在美國(guó)推出服務(wù)。Archer Aviation成為首個(gè)獲得FAA100%“符合性方法”接受的eVTOL企業(yè)，手握約20億美元現(xiàn)金和超過(guò)60億美元的訂單儲(chǔ)備。Beta Technologies與Joby、Archer共同被納入美國(guó)交通運(yùn)輸部“先進(jìn)空中交通與eVTOL整合試點(diǎn)計(jì)劃”，獲得在26個(gè)州開(kāi)展實(shí)景測(cè)試的許可，最早將于2026年夏季啟動(dòng)測(cè)試。

中國(guó)eVTOL產(chǎn)業(yè)正從技術(shù)驗(yàn)證加速邁向商業(yè)化落地。峰飛航空2噸級(jí)eVTOL凱瑞鷗已完成150公里遠(yuǎn)海石油平臺(tái)物資運(yùn)輸飛行，成功集齊型號(hào)合格證、生產(chǎn)許可證和單機(jī)適航證，成為全球首個(gè)噸級(jí)以上載物eVTOL。小鵬匯天完成2.5億美元B輪融資，飛行汽車(chē)量產(chǎn)工廠進(jìn)入設(shè)備調(diào)試階段，計(jì)劃2026年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)交付。海外市場(chǎng)方面，時(shí)的科技與阿聯(lián)酋企業(yè)簽署10億美元訂單，供應(yīng)350架E20 eVTOL；沃蘭特航空與泰國(guó)企業(yè)達(dá)成17.5億美元合作，提供500架eVTOL用于島際運(yùn)輸及應(yīng)急救援。預(yù)計(jì)2026至2027年間，小鵬匯天、峰飛航空、沃飛長(zhǎng)空、沃蘭特、時(shí)的科技等多家中國(guó)企業(yè)有望陸續(xù)獲頒適航證，為大規(guī)模商業(yè)化鋪平道路。

值得關(guān)注的是，全電/混動(dòng)飛機(jī)的技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)正在全球范圍內(nèi)形成協(xié)同效應(yīng)。2021年，GE Aviation與NASA啟動(dòng)合作開(kāi)發(fā)兆瓦級(jí)混合電力推進(jìn)系統(tǒng)；Rolls-Royce的“加速飛行電氣化”項(xiàng)目將電機(jī)、電力電子和電池產(chǎn)品系統(tǒng)性地引入通勤飛機(jī)和城市空運(yùn)領(lǐng)域。中國(guó)依托電動(dòng)汽車(chē)、軌道交通等新能源裝備領(lǐng)域積累的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和先進(jìn)工業(yè)基礎(chǔ)，正在加快構(gòu)建覆蓋電池、電機(jī)、飛控、材料等核心環(huán)節(jié)的現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)鏈，為航空制造業(yè)綠色化轉(zhuǎn)型提供了重要的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)支撐。

三、全電/混動(dòng)飛機(jī)架構(gòu)發(fā)展路線

按照起降方式、動(dòng)力布局和飛行模式的不同，小型全電/混動(dòng)飛機(jī)可歸納為六大技術(shù)路線：傳統(tǒng)固定翼飛機(jī)電氣化改造機(jī)型、多旋翼eVTOL飛機(jī)、復(fù)合型固定旋翼–主機(jī)翼eVTOL飛機(jī)、復(fù)合型可傾轉(zhuǎn)旋翼–主機(jī)翼eVTOL飛機(jī)、滑跑起降型飛行汽車(chē)以及垂直起降型飛行汽車(chē)。以下分別予以闡述。

3.1 傳統(tǒng)固定翼飛機(jī)電氣化改造

傳統(tǒng)固定翼飛機(jī)電氣化改造的基本思路是保持現(xiàn)有飛機(jī)的氣動(dòng)布局和結(jié)構(gòu)架構(gòu)不變，將內(nèi)部動(dòng)力總成替換為電機(jī)、電控、電池及對(duì)應(yīng)的飛控系統(tǒng)。這類(lèi)飛機(jī)通常具有大展弦比機(jī)翼，誘導(dǎo)阻力較低，巡航效率優(yōu)異。典型的代表機(jī)型包括Rolls-Royce公司的“創(chuàng)新精神”號(hào)、NASA X-57 Maxwell全電驗(yàn)證機(jī)、西門(mén)子Extra 330LE、MagniX與AeroTec航空合作改造的塞斯納208B全電飛機(jī)、以色列Eviation Alice全電飛機(jī)以及瑞典Heart宇航公司的ES-19全電飛機(jī)。

Rolls-Royce“創(chuàng)新精神”號(hào)搭載三臺(tái)YASA軸向磁通電機(jī)，采用500馬力（約400 kW）電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)，配備能量密度最高的飛機(jī)用電池組，于2021年11月創(chuàng)下555.9 km/h的電動(dòng)飛機(jī)速度世界紀(jì)錄。該項(xiàng)目的成功驗(yàn)證了高功率密度軸向磁通電機(jī)在航空推進(jìn)系統(tǒng)中的工程可行性，為后續(xù)全電飛機(jī)動(dòng)力總成設(shè)計(jì)提供了重要的技術(shù)參照。

NASA X-57 Maxwell是分布式電推進(jìn)技術(shù)的標(biāo)志性驗(yàn)證平臺(tái)。該機(jī)由意大利Tecnam P2006T雙發(fā)活塞飛機(jī)改裝而來(lái)，采用分布式推進(jìn)系統(tǒng)架構(gòu)——單條460 V直流母線通過(guò)碳化硅控制器供電，驅(qū)動(dòng)沿主機(jī)翼前緣分布的12臺(tái)9 kW高升力電機(jī)和翼尖2臺(tái)60 kW巡航電機(jī)。在起飛和降落階段，12臺(tái)小電機(jī)全部啟動(dòng)，獲得類(lèi)似噴氣襟翼的增升效果；巡航階段，僅翼尖2臺(tái)大電機(jī)工作，小螺旋槳沿軸線收攏以降低阻力。該機(jī)設(shè)計(jì)航程約160 km，最大飛行時(shí)間約1小時(shí)。盡管X-57項(xiàng)目因推進(jìn)系統(tǒng)問(wèn)題于2023年被NASA終止，但其所驗(yàn)證的分布式電推進(jìn)架構(gòu)、隔離式雙向功率轉(zhuǎn)換和多電壓層級(jí)全電系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)，深刻影響了后續(xù)eVTOL飛機(jī)的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念。

Eviation Alice是一架雙機(jī)組九座全電通勤飛機(jī)，驗(yàn)證機(jī)采用3臺(tái)Magni250電動(dòng)機(jī)，量產(chǎn)機(jī)升級(jí)為2臺(tái)Magni650電機(jī)驅(qū)動(dòng)，配備容量約900 kWh、質(zhì)量約3噸的電池組，霍尼韋爾提供電傳飛控系統(tǒng)。該機(jī)代表了傳統(tǒng)固定翼飛機(jī)電氣化改造路線中載客量和航程的綜合平衡方案。

3.2 多旋翼eVTOL飛機(jī)

多旋翼eVTOL飛機(jī)是最早進(jìn)入實(shí)際飛行測(cè)試的電動(dòng)垂直起降構(gòu)型，其最大特點(diǎn)是可像直升機(jī)一樣垂直起降和懸停，同時(shí)具備固定翼飛機(jī)的快速巡航能力。該構(gòu)型的代表機(jī)型包括凱迪拉克eVTOL、空客City-Airbus、Kitty Hawk Flyer飛行摩托、Volocopter VoloCity、Skai氫燃料電池eVTOL以及小鵬匯天旅航者X2。

空客CityAirbus eVTOL由8臺(tái)100 kW電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用800 V直流母線經(jīng)DC/AC逆變器供電的電氣架構(gòu)，最多可搭載4名乘客，設(shè)計(jì)航程約50 km，主要面向城市內(nèi)短途空中出行場(chǎng)景。多旋翼構(gòu)型的優(yōu)勢(shì)在于機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)需復(fù)雜的傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、適航審定難度相對(duì)較低；其局限則在于巡航飛行階段升阻比較低，能耗大，航程受限，因此更適合50 km以內(nèi)的超短途運(yùn)輸場(chǎng)景。

小鵬匯天旅航者X2是中國(guó)多旋翼eVTOL的代表產(chǎn)品，已完成多次載人飛行演示。該公司同步推進(jìn)的“陸地航母”分體式飛行汽車(chē)方案已下線首臺(tái)飛行器，計(jì)劃2026年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)交付。

3.3 復(fù)合型固定旋翼–主機(jī)翼eVTOL飛機(jī)

復(fù)合型固定旋翼–主機(jī)翼eVTOL飛機(jī)在垂直起降階段依靠多個(gè)固定旋翼提供升力克服重力，進(jìn)入巡航階段后切換到主機(jī)翼提供升力，以更高的升阻比和更低的能耗實(shí)現(xiàn)更快的飛行速度和更遠(yuǎn)的航程。該構(gòu)型省略了復(fù)雜的傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，便于適航審定，同時(shí)能達(dá)到較為理想的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。

代表機(jī)型包括Volocopter VoloConnect、太力飛車(chē)TF-2A、空客CityAirbus NextGen、峰飛航空V1500M盛世龍、Paragon Soar以及Beta Technologies ALIA-250。以Beta Technologies ALIA-250為例，該機(jī)最大起飛重量約3.2噸，可搭載5名乘客或635 kg貨物，航程約460 km，巡航速度約270 km/h。其推進(jìn)系統(tǒng)由1臺(tái)尾部推進(jìn)電機(jī)和4臺(tái)固定升力旋翼電機(jī)構(gòu)成，垂直起降階段全部電機(jī)工作，巡航階段僅尾部推進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。峰飛航空V1500M盛世龍是另一代表性機(jī)型，最大起飛重量2.5噸，可搭載4人，設(shè)計(jì)航程250 km，巡航速度200 km/h。

3.4 復(fù)合型可傾轉(zhuǎn)旋翼–主機(jī)翼eVTOL飛機(jī)

復(fù)合型可傾轉(zhuǎn)旋翼–主機(jī)翼eVTOL飛機(jī)通過(guò)在旋翼驅(qū)動(dòng)電機(jī)的支撐部分設(shè)計(jì)傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)旋翼在垂直起降階段提供升力、在巡航階段傾轉(zhuǎn)為推進(jìn)動(dòng)力的工作模式轉(zhuǎn)換。相比固定旋翼構(gòu)型，可傾轉(zhuǎn)構(gòu)型消除了巡航階段的旋翼死重和阻力，顯著提高了巡航速度和航程，同時(shí)高巡航速度又增強(qiáng)了主機(jī)翼的升力貢獻(xiàn)，成為當(dāng)前全球研發(fā)最密集、融資最活躍的機(jī)型。

代表機(jī)型包括Kitty Hawk Heaviside、Lilium Jet、貝爾Nexus、Vertical Aerospace VA-X4、Archer Maker以及Joby S4。以Joby S4為例，該機(jī)配備6個(gè)可變槳距傾轉(zhuǎn)旋翼，每個(gè)旋翼由1臺(tái)冗余電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由2個(gè)獨(dú)立逆變器供電，每個(gè)逆變器分別連接至獨(dú)立的電池組。全機(jī)共有4個(gè)獨(dú)立冗余電池組，即使1個(gè)旋翼、逆變器或電池組出現(xiàn)故障，飛機(jī)仍可安全飛行。Joby S4最大起飛重量約2.2噸，可搭載1名飛行員和4名乘客，巡航速度約320 km/h，最大航程約240 km。該機(jī)已進(jìn)入FAA適航審定第五階段（最終階段），是目前全球取證進(jìn)度最快的載人eVTOL項(xiàng)目之一。

Archer Maker是另一進(jìn)展顯著的可傾轉(zhuǎn)構(gòu)型，采用12臺(tái)升力旋翼和6臺(tái)傾轉(zhuǎn)推進(jìn)旋翼的混合布局，巡航速度約240 km/h，航程約100 km，專(zhuān)為20分鐘以內(nèi)的城市空中出行場(chǎng)景優(yōu)化設(shè)計(jì)。Vertical Aerospace VA-X4則采用4臺(tái)傾轉(zhuǎn)旋翼和4臺(tái)固定升力旋翼的組合布局，最大起飛重量超過(guò)3噸，巡航速度達(dá)325 km/h，航程超過(guò)160 km。

3.5 滑跑起降型飛行汽車(chē)

滑跑起降型飛行汽車(chē)兼具地面行駛和空中飛行功能，車(chē)輪或車(chē)軸配置減速器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)，需要一定長(zhǎng)度的跑道實(shí)現(xiàn)起降。該構(gòu)型的核心挑戰(zhàn)在于如何平衡車(chē)輛與飛機(jī)兩種形態(tài)在設(shè)計(jì)要求上的諸多矛盾——車(chē)輛需要緊湊尺寸、低速操控性和碰撞安全性，飛機(jī)則需要大翼展、輕量化和高速穩(wěn)定性。

代表機(jī)型包括荷蘭PAL-V折疊旋翼飛行汽車(chē)、美國(guó)Terrafugia Transition折疊機(jī)翼飛行汽車(chē)、斯洛伐克Aeromobil 4.0機(jī)翼向后收攏飛行汽車(chē)以及斯洛伐克AirCar機(jī)翼向后收攏飛行汽車(chē)。其中AirCar被認(rèn)為是最接近飛行汽車(chē)形態(tài)的設(shè)計(jì)：該機(jī)采用寶馬1.6 L汽油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)尾部螺旋槳和地面車(chē)輪，機(jī)翼可向后收攏至機(jī)身兩側(cè)，已完成從斯洛伐克尼特拉到布拉迪斯拉發(fā)約80 km的城際飛行測(cè)試，地面行駛最高速度約160 km/h，空中巡航速度約190 km/h?；芷鸾敌惋w行汽車(chē)適合中程運(yùn)輸（50~800 km），且需依托現(xiàn)有通航機(jī)場(chǎng)跑道運(yùn)行，在陸空兩用交通工具中技術(shù)成熟度相對(duì)較高。

3.6 垂直起降型飛行汽車(chē)

垂直起降型飛行汽車(chē)是技術(shù)難度最高的構(gòu)型，需要同時(shí)滿足電動(dòng)垂直起降、高效巡航、地面行駛和模式切換四大功能需求。該構(gòu)型面臨高功率推重比電機(jī)開(kāi)發(fā)、旋翼可收展設(shè)計(jì)、機(jī)翼可折疊設(shè)計(jì)以及飛行與行駛模式可靠切換等多重技術(shù)挑戰(zhàn)。

代表機(jī)型包括空客、奧迪和Italdesign合作開(kāi)發(fā)的Pop.Up Next模塊化飛行汽車(chē)概念、小鵬匯天XPeng X3飛行汽車(chē)、Terrafugia TF-X VTOL飛行汽車(chē)以及Aeromobil 5.0 VTOL飛行汽車(chē)。Pop.Up Next采用模塊化設(shè)計(jì)理念，由載人艙、地面行駛底盤(pán)和空中飛行模塊三部分組成，已完成1:4縮比模型的首飛測(cè)試。小鵬匯天XPeng X3飛行汽車(chē)整備質(zhì)量1937 kg，采用分體式設(shè)計(jì)——飛行模塊與地面行駛模塊可分離組合，已完成全尺寸樣機(jī)的首飛測(cè)試。垂直起降型飛行汽車(chē)無(wú)需跑道，適合中程運(yùn)輸，但其技術(shù)成熟度目前仍處于原型機(jī)驗(yàn)證階段，距離商業(yè)化還有較長(zhǎng)距離。

3.7 六條技術(shù)路線綜合比較

綜合以上分析，六條技術(shù)路線在起降方式、載客能力、航程、巡航速度和應(yīng)用場(chǎng)景等方面存在顯著差異，適用于不同的市場(chǎng)需求和運(yùn)營(yíng)條件。傳統(tǒng)固定翼電氣化改造機(jī)型適合有固定機(jī)場(chǎng)和跑道的場(chǎng)合（160~400 km）；多旋翼eVTOL飛機(jī)適合50 km以內(nèi)的超短途運(yùn)輸且無(wú)需機(jī)場(chǎng)；復(fù)合型固定旋翼和可傾轉(zhuǎn)旋翼eVTOL飛機(jī)適合80~460 km的中短途運(yùn)輸，同樣無(wú)需機(jī)場(chǎng)；滑跑起降型飛行汽車(chē)適合50~800 km的中程運(yùn)輸?shù)枧艿乐С郑淮怪逼鸾敌惋w行汽車(chē)適合中程運(yùn)輸且無(wú)需跑道，但技術(shù)難度最大。

從全球研發(fā)格局來(lái)看，復(fù)合型可傾轉(zhuǎn)旋翼–主機(jī)翼eVTOL飛機(jī)目前吸引了最多的資本投入和工程資源，代表企業(yè)在適航取證進(jìn)度上也最為領(lǐng)先。傳統(tǒng)固定翼電氣化改造機(jī)型則在通勤航空和貨運(yùn)領(lǐng)域率先實(shí)現(xiàn)商業(yè)化突破。飛行汽車(chē)（包括滑跑起降型和垂直起降型）由于陸空兩用功能的復(fù)雜性，商業(yè)化周期預(yù)計(jì)較長(zhǎng)，但其“門(mén)到門(mén)”出行的終極愿景仍具有重要的戰(zhàn)略牽引價(jià)值。

四、全電/混動(dòng)飛機(jī)推進(jìn)電機(jī)/發(fā)電機(jī)

航空推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)電機(jī)提出了極為嚴(yán)苛的要求——高功率密度、高扭矩密度、高可靠性、高效率以及嚴(yán)格的重量控制。本章按照功率等級(jí)和電機(jī)類(lèi)型的維度，依次闡述三相永磁同步電機(jī)、多相永磁同步電機(jī)、兆瓦級(jí)渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的電機(jī)/發(fā)電機(jī)以及高溫超導(dǎo)電機(jī)在航空推進(jìn)領(lǐng)域的研究進(jìn)展和應(yīng)用現(xiàn)狀。

4.1 三相永磁同步電機(jī)與軸向磁通電機(jī)

永磁同步電機(jī)因具有高功率密度、高效率、易于控制等優(yōu)點(diǎn)，成為航空推進(jìn)系統(tǒng)動(dòng)力部分的優(yōu)先選項(xiàng)。在永磁同步電機(jī)的諸多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，軸向磁通電機(jī)憑借多盤(pán)結(jié)構(gòu)帶來(lái)的更高功率密度和扭矩密度，以及中低速直驅(qū)、高扭矩的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是未來(lái)理想的小型多電飛機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)單元。以下從冷卻方案維度梳理軸向磁通電機(jī)的發(fā)展脈絡(luò)。

自然散熱方案：比利時(shí)根特大學(xué)Hendrik Vansompel團(tuán)隊(duì)歷時(shí)6年研發(fā)了一款4 kW、單定子/雙轉(zhuǎn)子、自然散熱的軸向磁通電機(jī)，系統(tǒng)研究了徑向疊壓硅鋼片鐵心、徑向磁鋼分段、定子灌封環(huán)氧樹(shù)脂等工藝技術(shù)對(duì)電機(jī)性能的影響。英國(guó)克蘭菲爾德大學(xué)的FEI Weizhong等設(shè)計(jì)了一款12槽10極、雙轉(zhuǎn)子/單定子、硅鋼片徑向疊壓且無(wú)軛部定子鐵心的自然散熱軸向磁通電機(jī)，對(duì)比分析了各向異性和各向同性徑向疊壓工藝對(duì)空載反電勢(shì)及齒槽轉(zhuǎn)矩的影響。

風(fēng)冷方案：英國(guó)YASA公司研發(fā)了一款160 kW單定子/雙轉(zhuǎn)子、離心風(fēng)機(jī)風(fēng)冷、定子無(wú)軛部、采用軟磁復(fù)合材料定子鐵心的軸向磁通電機(jī)，為后續(xù)油冷方案積累了核心技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

水冷方案：芬蘭拉普蘭塔大學(xué)LINDH P團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了100 kW、雙定子/單轉(zhuǎn)子、水冷端蓋配合銅管導(dǎo)熱定子鐵心的混合冷卻軸向磁通電機(jī)。德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院DOPPELBAUER M團(tuán)隊(duì)研發(fā)了31 kW、雙轉(zhuǎn)子/單定子、SMC定子鐵心、定子水冷銅管散熱的36槽24極軸向磁通電機(jī)。美國(guó)H3X公司的集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)HPDM-250代表了水冷方案的最高水平——該系統(tǒng)集成了電機(jī)、逆變器和行星減速器，采用3D打印機(jī)殼、高頻SiC電力電子器件、扁線繞組和轉(zhuǎn)子Halbach磁鋼陣列等核心技術(shù)，持續(xù)運(yùn)行功率密度達(dá)到15.4 kW/kg，額定功率200 kW，最高效率點(diǎn)轉(zhuǎn)速20000 r/min，需匹配6.7:1行星減速器以適配螺旋槳轉(zhuǎn)速范圍（1300~3250 r/min）。

油冷方案：油冷是目前軸向磁通電機(jī)在航空推進(jìn)領(lǐng)域最先進(jìn)的冷卻技術(shù)。YASA公司研發(fā)的P400和750R系列采用單定子/雙轉(zhuǎn)子拓?fù)?、定子浸油循環(huán)冷卻、軟磁復(fù)合材料無(wú)軛定子鐵心等核心技術(shù)。其中750R輸出峰值扭矩790 N·m、峰值功率200 kW、質(zhì)量37 kg、功率密度達(dá)到5.4 kW/kg，適合直驅(qū)螺旋槳。Rolls-Royce“創(chuàng)新精神”號(hào)飛機(jī)使用3臺(tái)YASA 750R軸向磁通電機(jī)同軸連接，峰值功率達(dá)到600 kW，由約6000個(gè)Murata 18650圓柱形電池供電，螺旋槳轉(zhuǎn)速2200 r/min，系統(tǒng)能效達(dá)90%。比利時(shí)Magnax公司開(kāi)發(fā)的AXF225系列軸向磁通電機(jī)采用無(wú)軛定子鐵心、單定子/雙轉(zhuǎn)子拓?fù)?、取向硅鋼片和直接油冷等先進(jìn)技術(shù)，峰值功率400 kW，峰值功率密度達(dá)15 kW/kg，持續(xù)功率密度7.5 kW/kg。斯洛文尼亞EMRAX 348系列外轉(zhuǎn)子軸向磁通電機(jī)額定功率210 kW、功率密度10 kW/kg，已在電動(dòng)滑翔機(jī)Apis EA2、Joby驗(yàn)證機(jī)等多個(gè)機(jī)型中得到應(yīng)用。

4.2 多相永磁同步電機(jī)與分布式推進(jìn)方案

為提高輸出功率和系統(tǒng)安全性，航空推進(jìn)電機(jī)常設(shè)計(jì)成具有容錯(cuò)冗余能力的多相電機(jī)（6相、9相、12相、24相）并采用并聯(lián)供電方式，或采用多個(gè)單元電機(jī)同軸連接、并聯(lián)供電的方案。

西門(mén)子SP260D是表貼永磁多相電機(jī)的典型代表，采用轉(zhuǎn)子磁鋼Halbach陣列、直接油冷定子方案和直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳的設(shè)計(jì)。其技術(shù)參數(shù)為直流母線電壓580 V、持續(xù)輸出功率260 kW、額定轉(zhuǎn)速2500 r/min、連續(xù)轉(zhuǎn)矩1000 N·m，電機(jī)重量50 kg，功率密度超過(guò)5 kW/kg，成功應(yīng)用于西門(mén)子Extra 330LE全電飛機(jī)。針對(duì)CityAirbus eVTOL項(xiàng)目，西門(mén)子進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了配套碳化硅控制器SD104和SP200D電機(jī)，成對(duì)使用的電機(jī)單臺(tái)連續(xù)功率100 kW、額定轉(zhuǎn)矩1500 N·m、扭矩密度30 N·m/kg，采用耐高溫導(dǎo)熱硅油液冷方案。

MagniX公司在全電推進(jìn)系統(tǒng)領(lǐng)域推動(dòng)了航空電氣化的重要進(jìn)展。其推出的Magni350（350 kW）和Magni650（650 kW）電力推進(jìn)裝置均采用定子液冷、多相繞組和轉(zhuǎn)子Halbach磁鋼陣列架構(gòu)。Magni650由兩組Magni350同軸連接構(gòu)成，最高轉(zhuǎn)速2300 r/min，可在萬(wàn)米高空運(yùn)行。Magni650驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用于以色列Eviation Alice全電通勤飛機(jī)，Magni500（560 kW）電推裝置應(yīng)用于全電塞斯納208B和全電DHC-2“海貍”飛機(jī)。

4.3 兆瓦級(jí)渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的電機(jī)/發(fā)電機(jī)

對(duì)于重型貨運(yùn)無(wú)人機(jī)、空中出租車(chē)、通勤飛機(jī)和支線飛機(jī)，航空推進(jìn)電機(jī)需要兆瓦級(jí)的輸出功率。高功率密度的兆瓦級(jí)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)與兆瓦級(jí)發(fā)電機(jī)的組合，構(gòu)成串聯(lián)或并聯(lián)渦電動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)，用于驅(qū)動(dòng)大功率電動(dòng)機(jī)和螺旋槳或給電池組充電。目前該功率等級(jí)的渦電動(dòng)力系統(tǒng)主要處于地面實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證階段。

霍尼韋爾公司為混合動(dòng)力飛機(jī)研發(fā)了1 MW航空發(fā)電機(jī)兼電動(dòng)機(jī)，擁有2套三相繞組的電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，技術(shù)參數(shù)為功率密度8 kW/kg、效率97%、質(zhì)量127 kg、額定轉(zhuǎn)速19000 r/min、噴淋油冷方案，與HGT1700輔助動(dòng)力裝置同軸組合，可使用航空生物燃料、航空煤油和柴油運(yùn)行。

GE Aviation與NASA合作開(kāi)發(fā)的兆瓦級(jí)電機(jī)/發(fā)電機(jī)，電壓等級(jí)達(dá)千伏級(jí)，與GE公司CT7-9B渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)組成渦電混動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)，作為CFM RISE開(kāi)放式風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目的一部分，擬應(yīng)用于34座薩博340B支線飛機(jī)進(jìn)行飛行測(cè)試。

Rolls-Royce正在研制功率范圍為500~1200 kW的航空渦電混動(dòng)電推系統(tǒng)，已在臺(tái)架測(cè)試中實(shí)現(xiàn)1 MW發(fā)電功率，最終目標(biāo)達(dá)到2.5 MW。該系統(tǒng)由AE2100渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)與1 MW發(fā)電機(jī)構(gòu)成，與電池組共同供電給直流母線驅(qū)動(dòng)分布式推進(jìn)電機(jī)，構(gòu)成串聯(lián)渦電動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)——飛行階段由渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，起飛和降落階段使用電池組供電。

柯林斯宇航公司為混合動(dòng)力渦槳支線飛機(jī)Dash 8-100配套1 MW電機(jī)和電機(jī)控制器，該系統(tǒng)每側(cè)安裝一套1 MW電機(jī)與1 MW普惠渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)成的并聯(lián)渦電混動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)，電機(jī)在起飛和爬升階段提供額外動(dòng)力，渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)在巡航階段提供主要?jiǎng)恿?，支?00%可持續(xù)航空燃料。

H3X公司研制的集成模塊化永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)HPDM-3000擬匹配50~100座全電飛機(jī)，最大功率2.8 MW、質(zhì)量220 kg、直流母線電壓4.8 kV，實(shí)現(xiàn)12.5 kW/kg的持續(xù)功率密度。該系列可擴(kuò)展為5.6 MW（2單元）、11.2 MW（4單元）和16.8 MW（6單元）多種功率等級(jí)，集成多套冗余繞組/逆變器以提高動(dòng)力系統(tǒng)容錯(cuò)性。

4.4 兆瓦級(jí)高溫超導(dǎo)電機(jī)

中大型全電或多電客機(jī)要求的推進(jìn)功率達(dá)數(shù)十兆瓦，要求1~3 MW功率等級(jí)推進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)10 kW/kg甚至更高的功率密度。高溫超導(dǎo)電機(jī)因其極高的效率和功率密度，成為該領(lǐng)域的理想選項(xiàng)。

NASA研發(fā)的高效率兆瓦級(jí)電機(jī)額定功率1.4 MW、功率密度16 kW/kg、效率接近99%。對(duì)于大載客量的商用飛機(jī)，NASA規(guī)劃的電機(jī)功率密度目標(biāo)不低于16 kW/kg。日本學(xué)者SUGOUCHI R團(tuán)隊(duì)研發(fā)了2 MW完全超導(dǎo)、磁場(chǎng)屏蔽的超導(dǎo)同步電機(jī)，在溫度20 K時(shí)功率密度達(dá)40 kW/kg，在溫度64 K時(shí)功率密度達(dá)20 kW/kg。MagniX公司提出了Magni Alpha超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)概念，設(shè)計(jì)功率密度高達(dá)25 kW/kg。日本東芝能源系統(tǒng)公司開(kāi)發(fā)的2 MW高功率密度超導(dǎo)電機(jī)，外徑500 mm、長(zhǎng)度700 mm，有望在航空和eVTOL領(lǐng)域得到應(yīng)用。

俄羅斯在Yak-40實(shí)驗(yàn)飛機(jī)上測(cè)試了首個(gè)基于高溫超導(dǎo)技術(shù)、完全由電池供電的500 kW集成電力推進(jìn)系統(tǒng)，計(jì)劃用作航空全電和混合動(dòng)力推進(jìn)裝置。綜合來(lái)看，200~650 kW功率等級(jí)的航空推進(jìn)電機(jī)通常采用400~900 V直流母線，而兆瓦級(jí)推進(jìn)電機(jī)/發(fā)電機(jī)的母線電壓范圍跨度為1~10 kV，例如HPDM-3000設(shè)計(jì)母線電壓4.8 kV，NASA全電概念飛機(jī)N3-X采用±5 kV中壓直流方案。

4.5 航空推進(jìn)電機(jī)發(fā)展趨勢(shì)小結(jié)

綜合以上分析，高功率密度和高效率的永磁電機(jī)在小型全電與混動(dòng)飛機(jī)中已實(shí)現(xiàn)批量化應(yīng)用，軸向磁通永磁電機(jī)憑借無(wú)軛定子、扁線繞組和油冷技術(shù)達(dá)到了12~15 kW/kg的最高功率密度水平。多相永磁電機(jī)和單元電機(jī)并聯(lián)方案通過(guò)冗余設(shè)計(jì)顯著提升了航空推進(jìn)系統(tǒng)的容錯(cuò)能力和安全等級(jí)。兆瓦級(jí)渦電系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)目前主要處于地面測(cè)試階段，功率密度普遍在5~12.5 kW/kg范圍內(nèi)，距離商業(yè)化航空應(yīng)用仍存在差距。高溫超導(dǎo)電機(jī)因其40~60 kW/kg的極高功率密度，被視為中大型全電客機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的理想選項(xiàng)，但目前仍處于樣機(jī)實(shí)驗(yàn)階段，冷卻系統(tǒng)復(fù)雜度和成本是其商業(yè)化的主要障礙。

五、全電/混動(dòng)飛機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)

全電/混動(dòng)飛機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)可借鑒電動(dòng)/混動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法論，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度影響飛機(jī)性能的指標(biāo)包括動(dòng)力總成類(lèi)型、部件配置和能量管理策略。美國(guó)推進(jìn)和能源系統(tǒng)委員會(huì)將大型多電飛機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)分為全電、混電、渦電三大類(lèi)，具體細(xì)分為全電、并聯(lián)混電、串聯(lián)混電、串/并聯(lián)混電、渦電、部分渦電。本章基于單一直流母線，從純電直驅(qū)、發(fā)動(dòng)機(jī)/渦輪直驅(qū)、串聯(lián)混電、并聯(lián)混電和串/并聯(lián)混電五種分布式動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)展開(kāi)闡述。

5.1 純電直驅(qū)動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)

純電直驅(qū)動(dòng)力系統(tǒng)適用于系統(tǒng)的全域工況，電池電量經(jīng)雙向DC/DC變換器和逆變器供電給驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)螺旋槳或車(chē)輪。在該架構(gòu)中，主控制器ECU通過(guò)CAN或485總線控制多個(gè)電機(jī)控制器，進(jìn)而控制電機(jī)和螺旋槳轉(zhuǎn)速。純電直驅(qū)架構(gòu)的機(jī)載能源為蓄電池或燃料電池，優(yōu)點(diǎn)是零排放、低噪聲、維護(hù)簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是受電池能量密度限制，航程和有效載荷受到明顯制約，適合中短途小型飛機(jī)使用。

NASA X-57 Maxwell是純電直驅(qū)架構(gòu)的典型代表：高壓鋰離子電池組經(jīng)隔離式雙主動(dòng)橋DC-DC變換器輸出穩(wěn)定的±270 V直流母線電壓，分別供電給翼尖2臺(tái)60 kW巡航電機(jī)和12臺(tái)9 kW高升力電機(jī)，每臺(tái)電機(jī)均由獨(dú)立逆變器精確控制?？湛虲ityAirbus eVTOL采用800 V直流母線經(jīng)逆變器供電給8臺(tái)100 kW電機(jī)，同樣屬于純電直驅(qū)架構(gòu)。

5.2 發(fā)動(dòng)機(jī)/渦輪直驅(qū)動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)

發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)包含渦輪機(jī)與發(fā)電機(jī)構(gòu)成的渦電系統(tǒng)、汽/柴油發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)構(gòu)成的混電系統(tǒng)。在該架構(gòu)中，汽/柴/航空煤油發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，直接帶動(dòng)集成起動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，經(jīng)AC/DC整流供電給直流母線，再經(jīng)逆變器驅(qū)動(dòng)電機(jī)和螺旋槳。主控制器ECU控制發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在高效率區(qū)間，以實(shí)現(xiàn)低油耗和長(zhǎng)續(xù)航。

該架構(gòu)的特點(diǎn)是系統(tǒng)內(nèi)沒(méi)有電池或氫能等能量存儲(chǔ)單元，能量轉(zhuǎn)換過(guò)程多，效率比傳統(tǒng)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)低約10%。NASA的STARC-ABL是部分渦電拓?fù)涞拇怼獧C(jī)翼下安裝2臺(tái)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)提供大部分推力，尾部電動(dòng)風(fēng)扇提供剩余推力并抽吸機(jī)身低速附面層以降低全機(jī)阻力，通過(guò)分布式推進(jìn)和邊界層吸入技術(shù)提升了整體效率。

5.3 串聯(lián)混電動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)

串聯(lián)混電動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)中，機(jī)載能源由燃料（汽/柴油、航空煤油）和電化學(xué)能源（電池、燃料電池或超級(jí)電容）共同提供。發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)集成起動(dòng)/發(fā)電機(jī)高效發(fā)電，不直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳，經(jīng)整流橋AC/DC供電給直流母線；電池組經(jīng)雙向DC/DC供電給直流母線；直流母線的供電由發(fā)動(dòng)機(jī)和電池組共同實(shí)現(xiàn)，經(jīng)逆變器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和螺旋槳。

主控制器ECU控制發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)在最佳能效區(qū)間，富余電能儲(chǔ)存在電池組中。該架構(gòu)適合中低速工況，發(fā)動(dòng)機(jī)始終工作于最優(yōu)工況點(diǎn)，燃油經(jīng)濟(jì)性好。氫能與電池組組合供電的串聯(lián)混電架構(gòu)代表是ZeroAvia公司基于Dornier 228飛機(jī)開(kāi)發(fā)的氫電動(dòng)力系統(tǒng)，由液氫燃料–燃料電池堆和鋰離子電池組構(gòu)成的能源系統(tǒng)供電給2~5 MW電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳。

5.4 并聯(lián)混電動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)

并聯(lián)混電動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)擁有發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)兩個(gè)獨(dú)立的動(dòng)力子系統(tǒng)。根據(jù)運(yùn)行工況和功率需求，主控制器ECU可控制發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)單獨(dú)或共同驅(qū)動(dòng)螺旋槳，電機(jī)可作為電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳，亦可作為發(fā)電機(jī)給電池組充電。

發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)主軸可通過(guò)共軸、扭矩耦合器（兩輸入一輸出的三平行齒輪軸系）或行星減速器實(shí)現(xiàn)扭矩的耦合疊加以驅(qū)動(dòng)螺旋槳。該架構(gòu)傳動(dòng)效率高，適合中低速急加速或高速巡航工況。VoltAero公司的Cassio 330采用并聯(lián)混電動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)，由賽峰ENGINeUS 100電機(jī)（連續(xù)功率100 kW、最大功率150 kW）與150 kW日產(chǎn)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)構(gòu)成。

5.5 串/并聯(lián)混電動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)

串/并聯(lián)混電動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)中，發(fā)動(dòng)機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)集成起動(dòng)/發(fā)電機(jī)，經(jīng)雙向逆變器和雙向DC/DC變換器，與電池組并聯(lián)供電給直流母線，直流母線的電力再經(jīng)DC/DC和逆變器驅(qū)動(dòng)電機(jī)和螺旋槳。主控制器ECU判斷電池組荷電狀態(tài)決定ISG是否給電池組充電。

串/并聯(lián)混電架構(gòu)擁有最為豐富的運(yùn)行模式：發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)模式（高速巡航階段ISG起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳以提升續(xù)航里程）、純電增程模式、發(fā)動(dòng)機(jī)與電池組共同驅(qū)動(dòng)模式（ISG空轉(zhuǎn)不發(fā)電）、發(fā)動(dòng)機(jī)與電池組共同驅(qū)動(dòng)模式（ISG同時(shí)給電池組充電）。按照各動(dòng)力源輸出功率比重，該架構(gòu)可劃分為多螺旋槳–多發(fā)動(dòng)機(jī)方案和多螺旋槳–單發(fā)動(dòng)機(jī)方案。

5.6 五種動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)對(duì)比與發(fā)展展望

綜合以上分析，五種動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)各有其適用場(chǎng)景和性能特點(diǎn)。純電直驅(qū)架構(gòu)零排放、低噪聲，但受電池能量密度限制，適合航程不超過(guò)160 km的短途小型飛機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)/渦輪直驅(qū)架構(gòu)長(zhǎng)續(xù)航、大功率，適合中長(zhǎng)途支線或大型客機(jī)，但效率比傳統(tǒng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)低約10%。串聯(lián)混電架構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)始終工作于最優(yōu)工況，燃油經(jīng)濟(jì)性好，適合中低速工況。并聯(lián)混電架構(gòu)傳動(dòng)效率高，適合中低速急加速和高速巡航工況。串/并聯(lián)混電架構(gòu)運(yùn)行模式最豐富，兼具串聯(lián)和并聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)，但系統(tǒng)復(fù)雜度也最高。基于“渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)–發(fā)電機(jī)–電池組–分布式電動(dòng)機(jī)”的串聯(lián)、并聯(lián)和串/并聯(lián)渦電動(dòng)力系統(tǒng)推進(jìn)方案，正成為eVTOL飛機(jī)解決續(xù)航焦慮的可行方案，Rolls-Royce、霍尼韋爾、GE、柯林斯、賽峰等企業(yè)均在此領(lǐng)域布局了研發(fā)項(xiàng)目。

六、關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)與展望

小型全電/混動(dòng)飛機(jī)的分布式推進(jìn)系統(tǒng)尚有諸多關(guān)鍵技術(shù)亟待突破，歸納為以下四個(gè)方面：

第一，高功率密度、高燃油效率的兆瓦級(jí)渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)子系統(tǒng)。當(dāng)前航空渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的功率密度和燃油效率尚不能滿足混合電推進(jìn)系統(tǒng)的嚴(yán)苛要求。在串聯(lián)和串/并聯(lián)混電架構(gòu)中，渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)需持續(xù)運(yùn)行在最佳工況點(diǎn)以驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)高效發(fā)電，這對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和耐久性提出了更高要求。此外，支持100%可持續(xù)航空燃料的渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)仍需進(jìn)一步驗(yàn)證。

第二，高功率密度的兆瓦級(jí)多相永磁航空推進(jìn)電機(jī)/發(fā)電機(jī)子系統(tǒng)。現(xiàn)有量產(chǎn)的航空推進(jìn)電機(jī)功率主要集中在200~650 kW范圍，功率密度5.4~15.4 kW/kg，而支線飛機(jī)和通勤飛機(jī)所需的兆瓦級(jí)推進(jìn)電機(jī)仍處于地面實(shí)驗(yàn)階段，功率密度普遍低于12.5 kW/kg，距離NASA提出的不低于16 kW/kg的目標(biāo)仍有差距。此外，配套的高壓（1~10 kV）功率變換器和控制器在效率、功率密度和熱管理方面同樣面臨技術(shù)挑戰(zhàn)。

第三，高能量密度、高母線電壓電池組及混合能源子系統(tǒng)。當(dāng)前鋰離子電池組的能量密度約為250~300 Wh/kg，而航空應(yīng)用對(duì)能量密度的需求通常在400 Wh/kg以上。更高能量密度的固態(tài)電池、鋰硫電池等新型電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)尚處于實(shí)驗(yàn)室階段。氫燃料電池作為長(zhǎng)航程補(bǔ)充能源，其液氫儲(chǔ)存、低溫?zé)峁芾砗拖到y(tǒng)集成技術(shù)仍有待突破。此外，兆瓦級(jí)推進(jìn)系統(tǒng)要求電池組母線電壓從當(dāng)前的400~900 V提升至1~10 kV等級(jí)，高壓絕緣和保護(hù)技術(shù)需要同步發(fā)展。

第四，串/并混聯(lián)單總線、多總線架構(gòu)混動(dòng)系統(tǒng)及分布式推進(jìn)系統(tǒng)架構(gòu)。隨著飛機(jī)載客量和推進(jìn)功率的增加，單一直流母線架構(gòu)的可靠性和擴(kuò)展性面臨挑戰(zhàn)，多總線冗余架構(gòu)、智能能量管理策略和容錯(cuò)控制算法的開(kāi)發(fā)成為關(guān)鍵研究方向。分布式電推進(jìn)系統(tǒng)的氣動(dòng)–推進(jìn)耦合優(yōu)化、多電機(jī)協(xié)同控制和飛控一體化設(shè)計(jì)同樣是制約工程化應(yīng)用的核心技術(shù)瓶頸。

展望未來(lái)，隨著電池能量密度的持續(xù)提升、高溫超導(dǎo)電機(jī)技術(shù)的逐步成熟以及氫能航空動(dòng)力系統(tǒng)的工程化突破，全電/混動(dòng)飛機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)景將從當(dāng)前的超短途城市空中出行和通勤航空，逐步拓展至支線航空乃至區(qū)域航空領(lǐng)域。飛行汽車(chē)作為陸空一體化交通的終極形態(tài)，雖然面臨最為復(fù)雜的技術(shù)挑戰(zhàn)，但其所代表的“門(mén)到門(mén)”立體出行愿景將持續(xù)牽引相關(guān)技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展。

七、小型全電/混動(dòng)飛機(jī)發(fā)展結(jié)論

本文系統(tǒng)綜述了小型全電/混動(dòng)飛機(jī)在產(chǎn)業(yè)政策、技術(shù)路線、航空推進(jìn)電機(jī)和動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)等方面的研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)，主要結(jié)論如下：

1）全球綠色航空產(chǎn)業(yè)正處于政策驅(qū)動(dòng)與技術(shù)突破交織的關(guān)鍵發(fā)展期。中國(guó)通過(guò)《綠色航空制造業(yè)發(fā)展綱要（2023—2035年）》確立了電動(dòng)航空和低空經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略地位，美國(guó)“敏捷至上”項(xiàng)目和FAA/eVTOL適航體系加速了軍用和商用技術(shù)的雙向轉(zhuǎn)化，歐洲在適航監(jiān)管框架建設(shè)方面走在前列。多國(guó)聯(lián)合適航標(biāo)準(zhǔn)的推進(jìn)標(biāo)志著eVTOL全球互認(rèn)機(jī)制的初步形成。

2）小型全電/混動(dòng)飛機(jī)的六條技術(shù)路線在起降方式、載客能力、航程和適用場(chǎng)景方面各有側(cè)重。傳統(tǒng)固定翼電氣化改造和多旋翼eVTOL技術(shù)成熟度較高，已進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用階段；復(fù)合型固定旋翼和可傾轉(zhuǎn)旋翼eVTOL是當(dāng)前研發(fā)投入最密集的構(gòu)型，在航程和巡航速度方面取得良好平衡；飛行汽車(chē)（滑跑起降型和垂直起降型）面臨陸空功能融合的復(fù)雜工程挑戰(zhàn)，商業(yè)化周期較長(zhǎng)但戰(zhàn)略牽引價(jià)值顯著。

3）航空推進(jìn)電機(jī)正經(jīng)歷從亞兆瓦級(jí)永磁電機(jī)向兆瓦級(jí)渦電系統(tǒng)和高溫超導(dǎo)電機(jī)的跨越式發(fā)展。軸向磁通永磁電機(jī)憑借無(wú)軛定子和油冷技術(shù)達(dá)到12~15 kW/kg的領(lǐng)先功率密度，多相電機(jī)和單元電機(jī)并聯(lián)方案有效提升了系統(tǒng)冗余安全性。兆瓦級(jí)渦電系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)功率密度普遍處于5~12.5 kW/kg區(qū)間，高溫超導(dǎo)電機(jī)以40~60 kW/kg的潛力成為中大型電動(dòng)客機(jī)的遠(yuǎn)期理想選項(xiàng)。

4）純電直驅(qū)、發(fā)動(dòng)機(jī)/渦輪直驅(qū)、串聯(lián)混電、并聯(lián)混電和串/并聯(lián)混電五種動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)各有其適用場(chǎng)景和性能邊界。純電直驅(qū)適合短途零排放飛行，串/并聯(lián)混電架構(gòu)為緩解航程焦慮提供了可行的技術(shù)路徑?；凇皽u軸發(fā)動(dòng)機(jī)–發(fā)電機(jī)–電池組–分布式電動(dòng)機(jī)”的渦電混動(dòng)方案正在成為eVTOL和通勤飛機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的主流架構(gòu)方向。

5）小型全電/混動(dòng)飛機(jī)的分布式推進(jìn)系統(tǒng)仍需在兆瓦級(jí)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)、高功率密度航空推進(jìn)電機(jī)、高能量密度儲(chǔ)能系統(tǒng)和多總線分布式推進(jìn)架構(gòu)四個(gè)方面實(shí)現(xiàn)核心技術(shù)突破。隨著上述關(guān)鍵技術(shù)的逐步成熟，全電/混動(dòng)飛機(jī)有望在未來(lái)十年內(nèi)實(shí)現(xiàn)從城市空中出行到支線航空的規(guī)?；瘧?yīng)用，深刻重塑短途航空運(yùn)輸?shù)幕痉妒健?/p>

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)。湖南泰德航空以客戶需求為導(dǎo)向，積極拓展核心業(yè)務(wù)，與國(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。