从削峰填谷到全局最优：混电航空动力能量管理策略的演进与突破

在全球碳减排行动日益紧迫的背景下，航空业作为碳排放的重要来源之一，正面临前所未有的环保压力与转型挑战。国际民航组织（ICAO）推出的"国际航空碳抵消及减排机制（CORSIA）"及航空运输行动小组（ATAG）发布的全球民航运输2050年实现净零碳排放声明，共同构筑了全球航空业的绿色低碳发展目标。为应对这一挑战，混合电推进系统（Hybrid Electric Propulsion System, HEPS）作为绿色航空动力的关键技术路径，凭借其显著的节能减排潜力，已成为全球航空动力领域的研究焦点。混合动力系统通过智能能量管理，实现了动力系统效率与环保性能的双重提升，为航空产业绿色发展开辟了新路径。

传统航空发动机设计方法已难以满足航空动力高效、节能、环保和长寿命的可持续发展需求。2000年以来，绿色航空动力技术发展进入新阶段，主要技术方向包括风扇齿轮传动技术、开式转子技术和混电技术。其中，混电技术融合了燃气涡轮发动机和电机两种动力源，利用储能装置和电机功率输出实现对扭矩和推力需求的动态响应，并通过"削峰填谷"的方式优化燃气涡轮发动机的工作状态，使其在高效区间运行，在降低排放、噪声和燃油消耗方面展现出巨大潜力。

本文从混电航空动力系统的核心优势出发，系统分析其关键技术发展现状与未来方向，重点关注飞机-发动机匹配设计、系统性能与结构设计、涡轮机结构、电推进系统优化、航空电池技术与能量存储系统等核心领域，以期为国内混电航空动力的研发提供技术参考。

一、绿色航空动力技术发展与研究进展

2000年以来，绿色航空动力技术的发展进入了新的阶段，种类不断拓展，目前进入工程使用的技术方向主要有以下3种：

（1）风扇齿轮传动技术。在风扇与低压压气机间安装新型减速器可以使风扇与低压涡轮均处于最优转速下工作，从而使发动机与涡轮的总级数、叶片数大幅减少。普惠公司自1998年开始研发PW8000高涵道比涡扇发动机，2008年重新立项后改称为PW1000G系列发动机，该系列发动机在推力和涵道比方面均有显著提升，具备低油耗、低噪声的优良特性。罗∙罗公司的“超扇”发动机技术验证机上也采用了行星齿轮传动风扇，其涵道比预计能达到15∶1。

（2）开式转子技术。该技术取消了传统涡扇发动机的外涵道，转子叶片直接暴露在空气中。这类发动机结合了涡扇和涡桨发动机的优点，通过增加旁通比提升推进效率、降低油耗，但需通过设计和材料优化来降低暴露转子叶片可能增加的噪声。据可持续发动机革命性创新（Revolutionary innovation for sustainable engines，RISE）项目实施方CFM国际公司透露，RISE开式转子发动机的效率将比LEAP发动机提高20%。该公司计划在2025年后开始使用A380飞机进行开式转子验证机的飞行测试。

（3）混电技术。该技术融合了燃气涡轮发动机和电机2种动力，利用储能装置（如电池、超级电容等）和电机功率输出/消耗实现对扭矩和推力需求的动态响应，并通过“削峰填谷”的方式优化燃气涡轮发动机的工作状态，使其尽量在高效区间运行，在降低排放、噪声和燃油消耗方面具有很大的潜力。因此，混电航空动力已成为绿色航空背景下先进动力系统的重点研究类型之一，受到广泛关注。

2010年，美国国家航空航天局格林研究中心联合多家企业和科研单位开展电气化飞机推进项目，已先后开展6种不同概念飞机设计的混电航空动力系统研究，包括N3-X、ESAero、STARC-ABL、SUGAR Freeze/Volt、X-57 Maxwell和PEGASUS。该项目计划于2025年完成大型EAP构型验证，2035年实现商用单通道飞机（如波音737级别）的混电动力系统服役。2017年，空客、罗∙罗和西门子3家公司合作研发混电动力飞机E-Fan X/E-Airbus，其中，E-Fan X混电动力技术验证机已经完成地面测试。同年，俄罗斯中央航空发动机研究院（CIAM）于莫斯科航展上披露了第一台涡轮电推进飞机发动机的研制计划，并展出了500 kW概念发动机模型。2019年，贝尔公司展出了首架配装赛峰集团混电动力系统（HEPS）的Nexus空中出租车。同年，大合（Daher）公司、空客公司和赛峰集团宣布共同开发EcoPulse分布式混电动力演示验证机，其基于大合公司的TBM 900单发涡桨飞机研发，已于2023年完成首飞 。2021年，CFM国际公司开展RISE计划，研发开式风扇架构发动机并引入混电系统。2024年，罗∙罗公司宣布已完成320kW的电机首台验证机的组装，并开始台架试验 。综上所述，国外在混电航空动力领域已经进入工程实践阶段。

国内在混电航空动力领域的研究尚处于起步阶段，各研究所和高校在电耦合传动结构分析、航空电池技术、能量管理技术等方面开展了前期研究。同时，在工程技术方面也开展了研究项目，例如中国航发四川燃气涡轮研究院与辽宁通用航空研究院合作，将30kW级电驱动涵道风扇配装到锐翔RX-1电动飞机，并在2021年完成了飞行演示；中国航发湖南动力机械研究所联合山河科技有限公司，将80kW级混电发动机试装在阿若拉SA60L轻型运动飞机上，并于2022年完成了飞行试验。国内的混电航空动力功率较低，总体研发进度和国外相比仍有一定差距。

二、混电航空动力的核心优势

混电航空动力系统通过将传统燃气涡轮发动机与电推进系统有机结合，形成了兼具两者优势的新型动力架构。其核心优势主要体现在节能减排、噪声控制与性能优化三大领域。

2.1 节能减排优势

混电动力系统通过动力耦合装置实现燃油发动机与电动机的高效协同，在飞行各阶段动态调整动力分配。以eVTOL（电动垂直起降飞行器）的典型任务剖面为例，在垂直起降阶段，电动机独立提供瞬时高功率升力，避免燃油发动机低效运行；巡航阶段则切换为燃油动力驱动，同时通过发电机为电池充电，形成优化的能量管理模式。这种设计使发动机始终运行在最佳工况区间，油耗较传统系统降低超30%，碳排放降低30%-50%，完全符合国际航空碳减排协议要求。

相较于纯电动方案，混电系统的渐进式技术路径更易被行业接受——企业可在现有燃油平台基础上集成电驱动模块，显著降低研发成本与供应链风险。湖南泰德航空技术有限公司的实践验证了这一路径的可行性，其通过流体控制技术与电机算法的耦合创新，成功将混合动力系统应用于无人机靶机等场景。

2.2 噪声控制与性能优化

混电系统在噪声控制方面具有天然优势。电动推进系统在运行过程中产生的噪声远低于传统燃油发动机，特别是在起降阶段，通过电动推进可实现更安静的运行。研究表明，采用混电系统的eVTOL飞行器可将噪音控制在65分贝以内，满足城市空运的严苛噪音要求。

在性能优化方面，混电系统通过智能能量管理实现了动力"削峰填谷"。在需要高推力时（如起飞阶段），电池组可提供额外功率辅助；在低功率需求阶段，剩余动力可用于电池充电。这种功率平衡机制使得核心燃气涡轮发动机可设计在更优的工作点运行，不仅提高了整机效率，还延长了发动机寿命。系统架构上，采用双行星轮系结构的创新构型，通过锁止器组合控制实现纯电驱动、混合驱动、增程发电等多模式无缝切换，显著提升了系统适应性与可靠性。

三、混电航空动力系统关键技术发展现状

3.1 飞机-发动机匹配设计技术

飞机与发动机的一体化设计是混电航空动力系统实现最优性能的关键。与传统动力系统不同，混电系统的分布式推进特性为飞机气动布局带来了新的可能性。例如，NASA的N3-X概念机将推进电机安装在机翼后缘，通过边界层抽吸效应显著降低阻力；STARC-ABL概念则在机身后部布置电动风扇，利用机身边界层能量提高推进效率。

在eVTOL等新型飞行器领域，混电系统与飞行平台的匹配更为复杂。湖南泰德航空技术有限公司在增程式发电配套系统领域的实践表明，通过动态功率分配策略，可实现垂直起降高功率需求与巡航阶段经济性的平衡。其研发的增程式系统将eVTOL航程显著提升至400-500公里，远超纯电方案的局限性，覆盖更广阔的应用场景。

3.2 混电动力系统性能设计

混电动力系统的性能设计核心在于能量管理策略与功率分配优化。基于模型预测控制（MPC）的智能能量管理方案已成为竞争焦点，江苏大学提出的自适应ECMS策略通过机器学习算法动态优化功率分配，使燃油经济性提升25%-68%。

在系统架构层面，Turbine Based Combined Cycle（TBCC）推进系统代表了混电动力系统的高性能方向，它集成涡轮发动机用于低至中速飞行，与吸气式组件结合实现高达5马赫以上的超高速飞行。美国国防高级研究计划局（DARPA）与美国空军正在合作开发高马赫燃气涡轮（HMGT），重点突破高温度材料、先进冷却系统和变几何入口等技术，以应对极端气流和热负荷（高达数千华氏度）挑战。

3.3 混电动力系统结构设计

混电动力系统的结构设计关键在于动力耦合装置与功率分配机制。技术突破集中体现在采用双行星轮系结构的创新构型，通过锁止器组合控制实现纯电驱动、混合驱动、增程发电等多模式无缝切换。这种设计不仅使发动机保持最佳工况，更通过开绕组发电机技术实现能量双向流动，在降低系统重量与体积的同时，将功重比提升至航空应用所需水平。

材料创新与系统架构升级正在推动性能飞跃。碳化硅功率器件使变流器效率突破98%，超导电机技术有望将功率密度提升至20kW/kg，为大型客机电气化奠定基础。沃尔沃开发的P1+P2+P4三电机构型配合3挡DHT变速箱，实现了全工况效率优化，这种分布式布局理念移植到航空领域后，可显著增强飞行控制冗余度。

在热管理结构设计方面，中间循环热交换（ICHE）系统成为关键技术。先进航空发动机热管理系统越来越多地依赖ICHE系统，以实现燃料与高温空气之间的安全高效热传递。虽然ICHE配置相对于直接接触冷却具有显著安全和防结焦优势，但目前的研究缺乏统一优化框架，来共同解决系统设计中的重量和热性能问题以及运行中的热适应性问难。集成优化框架的开发，对于实现下一代航空发动机高效、轻量化的热管理设计和运行至关重要。

3.4 涡轮机结构设计

面对混电系统带来的新需求，涡轮机结构设计正经历深刻变革。高热效率与高功率密度成为涡轮机设计的核心目标。开式转子技术取消了传统涡扇发动机的外涵道，转子叶片直接暴露在空气中，通过增加旁通比提升推进效率、降低油耗。据可持续发动机革命性创新（RISE）项目实施方CFM国际公司透露，RISE开式转子发动机的效率将比LEAP发动机提高20%，该公司计划在2025年后开始使用A380飞机进行开式转子验证机的飞行测试。

涡轮机的轻量化设计与热管理尤为关键。采用主动悬置系统与预测性控制算法抑制多动力源耦合引发的振动问题；通过分级系统，将电机余热用于电池保温，提升低温启动性能。这些解决方案为混合动力系统在极端环境下的可靠运行提供了技术保障。

此外，风扇齿轮传动技术在涡轮机设计中得到广泛应用。在风扇与低压压气机间安装新型减速器可以使风扇与低压涡轮均处于最优转速下工作，从而使发动机与涡轮的总级数、叶片数大幅减少。普惠公司研发的PW1000G系列发动机在推力和涵道比方面均有显著提升，具备低油耗、低噪声的优良特性。罗∙罗公司的"超扇"发动机技术验证机上也采用了行星齿轮传动风扇，其涵道比预计能达到15∶1。

3.5电推进系统优化设计

电推进系统作为混电航空动力的核心组成部分，其性能直接决定了整体系统的效率与可靠性。高功率电机设计是技术突破的关键。麻省理工学院的工程师团队正在研制一种1兆瓦的电动机，该电机重量和尺寸可与当前的小型航空发动机相媲美，为大型飞机的电力推进奠定基础。麻省理工学院燃气涡轮实验室主任Zoltan Spakovszky表示："无论我们使用什么作为能源载体——电池、氢气、氨，还是可持续航空燃料——独立于所有这些，兆瓦级发动机将是绿色航空的关键推动者"。

在系统架构层面，燃料电池-燃气涡轮混合系统展现出巨大潜力。固体氧化物燃料电池（SOFC）与燃气轮机组成的混合动力系统，发电效率可进一步提高至70%。美国国家航空航天局（NASA）在培育超高效率低排放航空动力项目（FUELEAP）中，计划用SOFC/GT混合动力系统作为NASA第一个全电飞机X-57"Maxwell"的动力装置。

丰田Mirai的光伏-氢电混合系统通过车载绿氢制备技术，为燃料电池提供补充能源，展现了技术融合的创新潜力。这种系统架构特别适用于高空长航时无人机，可实现全生命周期碳足迹控制。

3.6 航空电池技术与能量存储系统

在混电航空动力系统中，航空电池作为核心能量存储单元，其性能直接决定飞机的续航能力、质量和安全性。当前，电池技术研究的重点在于通过优化电极材料和电解质，提升能量密度并降低质量，以满足航空领域的高标准需求。硅基负极锂离子电池因其理论容量约为传统石墨负极的10倍，可将电池能量密度提升20%~50%，已成为电动航空器电池研发的热点 。固态电池凭借高安全性与较高的理论能量密度（500~800 Wh/kg）受到广泛关注，NASA的SABERS项目正在推进单体能量密度超过500 Wh/kg的固态锂硫电池研发。锂硫电池和锂空气电池因其超高的理论能量密度（分别为2 567 Wh/kg和3 500 Wh/kg）被视为未来航空电池的重要方向。其中，PolyPlus公司已实现单体电池能量密度达800 Wh/kg、电池组层级达500 Wh/kg的突破，计划和NASA的相关研究也在加速这些技术的进步。然而，这些技术在实际应用中仍面临循环寿命短、充放电效率低、热管理复杂及生产成本高等挑战。此外，电池管理系统（BMS）作为保障电池性能与安全的关键组件，负责状态监测、充放电控制、热管理和故障诊断等功能。传统BMS多采用开路电压法、库仑计数法和电化学阻抗谱法进行状态估计，但这些方法在航空环境中易受温度、振动等因素干扰，精度受限，且在应对过充、过放、短路及热失控等故障时，响应速度和防护能力仍有待提升。

为满足混电航空动力系统对高性能电池的迫切需求，航空电池技术与能量存储系统的研究需聚焦若干关键方向。首先，电池材料与结构的创新是提升性能的核心，需开发新型高容量电极材料（如硅−碳复合负极、高电压正极材料）和固态电解质，以在确保安全性的同时显著提高能量密度和循环寿命。其次，热管理技术的突破尤为重要，航空环境中极端温度和快速充放电需求对电池热稳定性提出了更高要求，需研发高效散热系统和智能温控策略，防范热失控并延长使用寿命。此外，电池管理系统的智能化升级将成为研究重点，未来的BMS需集成人工智能和机器学习算法，提升状态评估（如SOC、SOH）的精度，并实现故障预测和自适应控制，以适应航空应用的复杂工况。同时，电池的轻量化与模块化设计也是重要研究方向，通过优化电池组结构和集成方式，减轻质量、提高空间利用率，从而满足飞机对质量和体积的严格限制。此外，探索电池与超级电容器的混合能量存储系统，利用其高功率密度和高能量密度的协同优势，满足起飞、爬升等高功率需求阶段的能量供应。

四、混电航空动力技术挑战与未来方向

4.1 当前面临的技术挑战

尽管混电航空动力技术取得了显著进展，但在实际应用过程中仍面临一系列技术挑战。功重比是限制系统性能的关键参数。目前混合动力系统功重比较低，直接影响飞行器的有效载荷与航程性能。同时，大分子碳氢燃料重整技术尚未突破，限制了高温燃料电池在航空混电系统中的应用范围。

在环境适应性方面，高海拔环境下电池效率衰减问题突出，需要开发专门的液冷系统与压力自适应封装技术；多动力源耦合引发的振动问题，需采用主动悬置系统与预测性控制算法抑制；热管理方面则需通过分级系统，将电机余热用于电池保温，提升低温启动性能。

测试验证体系的不完善也制约了技术成熟度的提升。混电航空动力系统作为复杂系统，其可靠性验证需要构建专门的环境模拟平台，通过海量测试数据积累，逐步完善系统设计与控制策略。

4.2 未来发展方向

面对当前技术挑战，混电航空动力系统的未来发展方向将聚焦于材料创新、系统架构升级与智能管理三大领域。碳化硅功率器件使变流器效率突破98%，超导电机技术有望将功率密度提升至20kW/kg，为大型客机电气化奠定基础。

在系统架构方面，多电飞机（MEA）与全电飞机（AEA）概念将进一步发展，通过减少非推进能源系统中的液压和气动系统，提高整体效率和可靠性。燃料电池-燃气涡轮混合系统、涡轮基组合循环发动机等新型动力概念将不断涌现，推动航空动力系统的多元化发展。

智能化与数字化技术将深度融入混电航空动力系统。基于人工智能的能量管理算法能够根据实时飞行状态、气象条件和任务需求，动态调整系统工作模式，实现全局最优效率。数字孪生技术可在虚拟空间中构建与物理实体完全对应的数字模型，通过模拟仿真预测系统状态，优化维护周期，降低运营成本。

五、打造未来航空发展新趋势

混电航空动力系统作为绿色航空背景下的关键技术路径，凭借其显著的节能减排优势、灵活的功率管理特性以及良好的技术适应性，正成为航空动力变革的核心方向得出以下结论：

混电航空动力系统通过传统燃气涡轮与电推进的有机融合，实现了动力系统"削峰填谷"的智能管理，使发动机始终工作在最佳效率区间，油耗降低超30%，碳排放减少30%-50%，噪声控制在65分贝以下，为航空业碳减排目标提供了可行路径。

在关键技术领域，飞机-发动机一体化设计、混电系统性能与结构优化、涡轮机创新设计、电推进系统、航空电池与储能技术、控制与能量管理等方向均取得了显著进展。欧美企业在高功率密度发电机与热管理技术方面领先，国内机构则聚焦流体控制与混合动力的融合创新，开发适用于变工况的航空燃/滑油泵阀元件。

未来混电航空动力技术的发展将依赖于材料科学的突破、系统架构的革新以及智能化管理技术的深度应用。同时，需要加强产学研用协同创新，构建自主可控的产业链体系，为混电航空动力技术的成熟与商业化应用奠定坚实基础。

湖南泰德航空技术有限公司在混电航空动力领域的实践表明，通过持续的技术积累与创新突破，中国企业有望在这一战略性新兴领域取得重要进展，为全球绿色航空事业贡献中国智慧与中国方案。

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