燃油发电+电驱架构在eVTOL中的热管理共形设计与空气动力学整合

随着城市空中交通（UAM）概念的迅速崛起，电动垂直起降（eVTOL）飞行器作为其核心载体正迎来蓬勃发展。然而，纯电动技术在能量密度与续航里程上的局限，使得增程式发电配套系统成为突破当前技术瓶颈的关键路径。该系统通过创新的“燃油发电+电池储能”混合架构，为eVTOL提供了兼顾长续航与低排放的解决方案，而其中的油冷技术与燃油系统更是保障整个系统稳定运行的核心。

一、增程式发电系统工作原理

增程式发电配套系统是一种创新的混合动力架构，其核心设计理念在于将燃油的高能量密度与电驱动的灵活性和高效性相结合。该系统从根本上解决了当前eVTOL面临的续航挑战——如今锂电池的能量密度天花板（200-300Wh/kg）直接制约了航程拓展，导致纯电动eVTOL的典型航程仅为50-100公里。

1.1 系统组成与工作模式

增程式发电系统主要由高效微型涡轮发电机（MTG）或转子发动机、发电机组、能量管理系统和电池储能系统组成。这与增程型电动车的技术原理一脉相承，都属于“电力驱动为主、燃油发电为辅”的技术路线。

工作中，燃油在发动机中燃烧产生机械能，驱动发电机将化学能转化为电能，一方面直接驱动电动机推进飞行器，另一方面为电池组充电以应对高功率需求场景。这种系统布局使得eVTOL能够像增程式电动车一样，在电池电量耗尽后继续行驶数百公里，而不必停车寻找充电的地方。

1.2 智能动力分配策略

系统通过多模态运行优化算法，根据不同飞行阶段智能调整动力分配：

• 起飞和爬升阶段：电池和发电机联合供电以满足高功率需求，这与纯电动机在此阶段面临的最大功耗挑战形成鲜明对比。
• 巡航阶段：优先使用发电机发电，同时为电池补充能量，此时发电机组在最佳效率区间运行。
• 降落阶段：主要依赖电池供电，发电机可降低输出或进入怠速状态，减少噪音与排放。

这种智能能量管理策略，使得eVTOL能够最大化能源利用率，显著降低运营成本，同时兼容生物燃油或合成燃料，使碳排放锐减至传统飞行器的30%以下。

二、增程式系统中的油冷技术

在增程式发电系统中，冷却技术的有效性直接决定了系统性能与可靠性。尤其是油冷技术，作为解决高功率密度电机散热挑战的关键手段，在整个系统的热管理中扮演着至关重要的角色。

2.1 复合冷却系统设计

先进的eVTOL增程系统采用双重散热机制，以应对飞行环境中的严苛热挑战。以一款无人机双散热油电混合动力系统为例，该系统同时结合了风冷和液冷两种散热方式。

具体而言，该系统包括一个安装在电机外壳外壁的风扇，该风扇直接与电机轴连接，随着电机运转提供持续的气流冷却。同时，系统还包含一个特殊设计的水箱，该水箱由油箱和散热液体层组成，散热液体层直接与发动机缸头连接，通过液冷方式对关键高温部件进行高效散热。

2.2 共形散热结构创新

针对航空应用的特殊需求，eVTOL冷却系统在结构上进行了创新设计。一项2023年的专利展示了一种与电机臂共形的散热水箱结构，这种设计将散热水箱完美集成到电机臂前整流罩中，不需要在飞机结构外部额外布置散热器，也不需要开设冷却风道，显著降低了飞行阻力。

这种共形散热结构的特点包括：

• 外形与电机臂采用共形设计，保持空气动力学完整性；
• 外表面为曲面结构，减少对来流的影响；
• 利用外部 incoming flow进行冷却，以可接受的代价满足飞机的冷却需求；

2.3 油冷系统的技术优势

油冷系统在增程式eVTOL中展现出多重优势：

• 热管理效率：油品具有较高的比热容，能够有效吸收并带走大量热量；
• 直接冷却：可直接接触高温部件，散热路径短，效率高；
• 系统稳定性：保持发电机组在最佳温度范围内工作，延长使用寿命；
• 环境适应性：在不同飞行高度和气候条件下均能保持稳定的冷却性能；

三、增程式系统中的燃油泵技术

燃油泵是增程式发电系统的“心脏”，负责确保持续、稳定、精确的燃油输送，其性能直接影响到整个系统的可靠性与效率。

3.1 高压燃油泵设计

针对eVTOL增程系统的高要求，湖南泰德航空自主研发的电动燃油泵采用了一系列创新设计，适用于多类型的电控发动机的无人机燃油系统，通过供油组件提高对发动机的燃油供给压力，然后通过压力调节组件调节燃油供给压力，以满足电控发动机的高油压供给需要。

这种高压燃油系统的技术特点包括：

• 采用油气分离器，确保进入供油组件的燃油无气泡；
• 设置多级油泵，提供稳定的高压燃油供给；
• 配备智能压力调节组件，根据发动机工况实时调整油压；

3.2 冗余燃油泵控制系统

为提高系统可靠性，湖南泰德航空自主研发的电动燃油泵系统采用双泵冗余设计。一种无人机燃油泵工作控制系统主要采用主油泵和副油泵串联的架构，主油泵单向阀和副油泵单向阀也采用串联方式。

该系统的创新之处在于：

独立控制架构：主油泵工作由位于第一控制器内的主油泵测控单元独立控制，副油泵工作由位于第二控制器内的副油泵测控单元独立控制，避免同一主机控制时主机故障导致双泵控制均失效。

智能应急响应：双泵供油针对发动机不同工作阶段制定油泵工作控制逻辑，当供油压力或流量低于设定的安全门限值时，副泵应急开启。

逻辑权限限制：通过控制逻辑减少油泵误操作关闭风险，保证无人机向发动机地面与空中可靠供油。

四、低空经济发展态势及政策支持

低空经济作为国家战略性新兴产业，近年来实现跨越式发展，我国已从低空装备技术追赶阶段，逐步迈向局部引领的关键转变。

4.1 市场规模与增长预期

据最新数据显示，2025年我国低空经济市场规模预计达1.5万亿元，2030年有望突破2万亿元，产业发展呈现强劲增长态势。这一增长趋势在eVTOL领域尤为明显，据市场研究统计，2024年全球eVTOL飞行器市场规模约107亿元，预计到2031年将接近794.3亿元，未来六年复合年增长率（CAGR）达32.9%。另一份报告显示，2024年全球电动垂直起降飞行器市场销售额已达14.80亿美元，预计2031年将达120.9亿美元，期间年复合增长率为35.0%。

4.2 政策支持与产业生态

低空经济已被纳入“十五五”规划建议，成为国家层面的战略发展方向。目前全国30个省份已将低空经济列入2025年政府工作，展现出各地对这一新兴产业的高度重视。

在政策推动下，我国低空经济先行先试举措已在新疆、粤港澳大湾区、长三角等区域取得显著示范成效。其中，低空物流领域发展尤为迅猛，2024年全国新开低空物流航线超140条，即时配送行业订单量达480亿单。

4.3 基础设施与资源整合

为支持低空经济发展，全国自然资源系统3363座基准站资源，已整合为全国卫星导航定位基准站“一张网”，这将为低空经济发展提供高精度北斗导航定位服务。据行业预测，到2035年我国无人机物流产值有望突破万亿元，未来年均增长率将保持在20%左右。

五、eVTOL未来展望

随着技术不断进步和政策持续支持，eVTOL行业正朝着更广泛的应用场景和更成熟的技术路线发展。

5.1 动力系统技术路线多元化

未来eVTOL的动力系统将呈现多元化发展格局：

• 全电动系统：适用于短途、轻载应用场景，保持零排放优势；
• 增程式混合动力系统：成为中长途、载重应用的主流选择，突破能源密度限制；
• 氢燃料电池系统：作为长期发展方向，结合了零排放与长续航优势；

据预测，混合动力类eVTOL将在未来几年内占据相当大的市场份额，特别是在需要较长航程和较高载荷的应用场景中。

5.2 应用场景持续拓展

eVTOL的应用范围将从当前的试点场景不断扩展：

• 城市空中交通（UAM）：作为未来城市通勤工具，缓解地面交通压力；
• 医疗紧急运输：在紧急情况下提供快速、高效的空中医疗救助
• 物流配送：实现中短途物流的高效运输，2024年全国新开低空物流航线已超140条；
• 旅游观光：提供低空旅游体验，丰富文旅产业形态；

5.3 技术挑战与突破方向

尽管前景广阔，eVTOL行业仍需克服一系列挑战：

• 适航认证：目前eVTOL的适航认证仍处于初期阶段，需要更多时间和资源来完成；
• 基础设施建设：eVTOL的普及需要配套的起降平台、充电设施和空中交通管理系统；
• 公众接受度：需要通过宣传和实际应用来提升公众对eVTOL安全性和可靠性的信任度；
• 能源系统优化：继续提高增程系统的效率，开发更紧凑、更高效的发电机组；

增程式发电系统为eVTOL提供了一条兼顾性能与航程的可行路径，通过燃油发电与电池储能的智能结合，成功突破了纯电动飞行器的续航瓶颈。在这一系统中，先进的油冷技术与高可靠性燃油泵设计确保了系统的高效稳定运行，成为支撑增程式概念落地的关键技术。

随着低空经济持续升温，预计到2035年中国低空经济市场规模有望达到3.5万亿元，eVTOL作为这一生态系统的核心载体，将与传统交通方式深度融合，共同构建未来立体交通网络。增程式eVTOL凭借其平衡环保与实用的技术特点，将在这一进程中扮演重要角色，为城市空中交通提供更加经济、高效的解决方案。

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