航空混合電推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景

王 鵬，鞠 新，鄭天慧，泰櫻芝

(中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，成都 610500)

1 引言

燃油成本不斷上漲，航空運(yùn)輸業(yè)面臨巨大成本壓力。同時，以國際航空運(yùn)輸協(xié)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(jī)構(gòu)為代表的航空機(jī)構(gòu)，正在制定越來越嚴(yán)苛的環(huán)保要求，以減少商用飛機(jī)對環(huán)境的影響。因此，航空工業(yè)當(dāng)前的終極目標(biāo)是完美運(yùn)行具有良好經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益的飛機(jī)，減少對化石燃料的依賴性[1]。

飛機(jī)環(huán)保性能提升的關(guān)鍵在于推進(jìn)技術(shù)的突破。對于燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)，雖然每次技術(shù)進(jìn)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(fā)動機(jī)只能使用燃油40%的潛在能量，而正在研發(fā)的新一代渦扇發(fā)動機(jī)——變循環(huán)發(fā)動機(jī)也只能利用55%～70%的燃油能量[2]。要想進(jìn)一步提升推進(jìn)系統(tǒng)的燃油效率，必須將目光投向燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)之外的新型推進(jìn)系統(tǒng)。

近年來，以電氣化為代表的新一輪能量系統(tǒng)技術(shù)革命正在重構(gòu)全球航空與地面運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)格局，電推進(jìn)技術(shù)更是被看作航空工業(yè)進(jìn)入“第三時代”的重要標(biāo)志[3]，獲得了世界主要航空強(qiáng)國的高度關(guān)注。航空推進(jìn)系統(tǒng)的電氣化有多種實(shí)現(xiàn)路徑，其中受當(dāng)前電池能量密度水平所限，混合電推進(jìn)系統(tǒng)是近中期重點(diǎn)研究方向?；旌想娡七M(jìn)技術(shù)在汽車行業(yè)已經(jīng)被廣泛采用，并驗(yàn)證為一種行之有效的技術(shù)。美、歐政府均將混合電推進(jìn)系統(tǒng)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(jī)系統(tǒng)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(jìn)系統(tǒng)在軍事上的應(yīng)用也在加速推進(jìn)之中。

2 混合電推進(jìn)系統(tǒng)

航空電氣化推進(jìn)系統(tǒng)主要包括6種結(jié)構(gòu)形式[5-6]，如表1所示。其中，全電推進(jìn)系統(tǒng)受電池技術(shù)限制，當(dāng)前的主要應(yīng)用場景局限在輕型運(yùn)動飛機(jī)、通航小飛機(jī)以及短距低速通勤飛機(jī)等；渦輪電推進(jìn)系統(tǒng)和部分渦輪電推進(jìn)系統(tǒng)對電機(jī)要求較高，目前的研究主要針對2035年前后的大型客機(jī)這一中遠(yuǎn)期規(guī)劃；混合電推進(jìn)系統(tǒng)為近中期的研究重點(diǎn)，串聯(lián)式和并聯(lián)式混合電推進(jìn)系統(tǒng)主要針對2025 年前后服役的支線客機(jī)，而混聯(lián)式混合電推進(jìn)系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，相關(guān)研究較少。

表1 航空電氣化推進(jìn)系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)形式Table 1 Main structure forms of electrified propulsion systems

混合電推進(jìn)系統(tǒng)是以航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)和電池共同提供能源的推進(jìn)系統(tǒng)。其中，航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能/電能，與電池儲存的電能一起提供能源，單獨(dú)或共同驅(qū)動推進(jìn)器從而產(chǎn)生推力?；旌想娡七M(jìn)系統(tǒng)與傳統(tǒng)航空發(fā)動機(jī)的區(qū)別在于：一是其產(chǎn)生動力的能源來源是燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)和電池的組合；二是其輸出的推力可以由多個獨(dú)立推力系統(tǒng)共同工作實(shí)現(xiàn)，可以是風(fēng)扇，也可能是螺旋槳。

3 發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 NASA

3.1.1 電氣化飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)(EAP)研究

NASA 航空研究任務(wù)指揮部給出的6 個戰(zhàn)略主推力中，有1個為向低碳推進(jìn)過渡，即研究可立即使用的替代燃料并探索低碳推進(jìn)技術(shù)，這正是EAP研發(fā)的主要動因[7]。NASA 對運(yùn)輸類飛機(jī)電推進(jìn)系統(tǒng)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(jī)尋求1個以上的可靠EAP方案并識別相關(guān)先進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)，改善商業(yè)運(yùn)輸飛機(jī)的耗油率、排放和噪聲水平。

美國GE 公司、波音公司及聯(lián)合技術(shù)公司均承接了NASA 的研發(fā)合同，以探索潛在的EAP 方案。其中，GE 公司之前已驗(yàn)證過能夠從F110 軍用渦扇發(fā)動機(jī)中抽取1 MW 電功率的電機(jī)技術(shù)；聯(lián)合技術(shù)公司計(jì)劃在2022年進(jìn)行2 MW混合電推進(jìn)驗(yàn)證飛機(jī)的首飛。此外，伊利諾伊州立大學(xué)、俄亥俄州立大學(xué)、NASA 格林研究中心等機(jī)構(gòu)也在NASA 的牽引下，就電機(jī)、轉(zhuǎn)換器、材料和測試等關(guān)鍵技術(shù)開展了研究。

通過飛機(jī)方案設(shè)計(jì)研究及尖端技術(shù)進(jìn)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(lián)式混合電推進(jìn)候選方案有望在2035 年投入使用，而更遠(yuǎn)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)全渦輪電推進(jìn)。下一步，NASA 將把精力集中在幾種成熟度更高的方案上，并準(zhǔn)備開展飛行驗(yàn)證。

3.1.2 亞聲速固定翼飛機(jī)(SFW)計(jì)劃

針對未來航空業(yè)面臨的最大挑戰(zhàn)——綠色環(huán)保，NASA 還啟動了一系列重點(diǎn)關(guān)注綠色航空的計(jì)劃，主要包括SFW計(jì)劃、基礎(chǔ)航空計(jì)劃、綜合系統(tǒng)研究計(jì)劃、空域系統(tǒng)計(jì)劃、航空試驗(yàn)計(jì)劃等，通過各個層級、各個方面的努力促進(jìn)綠色航空的最終實(shí)現(xiàn)。其中，SFW計(jì)劃聚焦研發(fā)具有明顯節(jié)能減排特性的下一代亞聲速固定翼飛機(jī)，其具體框架如圖1所示。

圖1 SFW戰(zhàn)略框架Fig.1 Strategic frame of SFW

SFW 計(jì)劃中，系統(tǒng)級技術(shù)指標(biāo)分三個階段實(shí)現(xiàn)，如表2所示。其中，技術(shù)優(yōu)勢指的是行業(yè)技術(shù)成熟并應(yīng)用后能取得的優(yōu)勢，N+1 和N+3 代以配裝CFM56-7b發(fā)動機(jī)的波音737-800為基準(zhǔn)，而N+2代以配裝GE90發(fā)動機(jī)的波音777-20為基準(zhǔn)。N+3代主要是針對2030～2035 年投入使用的商用亞聲速運(yùn)輸飛機(jī)開展先進(jìn)方案研究，近期有望取得突破。波音公司、GE公司、聯(lián)合技術(shù)公司、麻省理工大學(xué)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(jìn)行梳理發(fā)現(xiàn)，主要的技術(shù)挑戰(zhàn)集中在降低阻力、減輕質(zhì)量、減少排放和噪聲，主要的研究領(lǐng)域或關(guān)鍵技術(shù)包括定制化機(jī)身、彈性機(jī)翼、高效小型燃?xì)獍l(fā)生器、混合電推進(jìn)系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)機(jī)身一體化、替代燃料等。

表2 NASA亞聲速運(yùn)輸系統(tǒng)級指標(biāo)Table 2 NASA subsonic transportation system-level index

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

自2008 年以來，波音和GE 都參加了NASA 的SUGAR 計(jì)劃，合作研究將混合電推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用于B737級別飛機(jī)，以期滿足2030～2035年開始服役的B737級別窄體客機(jī)的節(jié)能減排目標(biāo)，波音公司負(fù)責(zé)研究飛機(jī)，GE 則負(fù)責(zé)發(fā)動機(jī)。GE 公司分別在名為gFan和hFan的項(xiàng)目下開展了一系列設(shè)計(jì)，以提升先進(jìn)渦扇發(fā)動機(jī)和混合電力動力裝置的技術(shù)水平。其中，hFan是一種混合電推進(jìn)系統(tǒng)，涵道比達(dá)18，能夠在全燃?xì)鉁u輪、全電力或混合模式下工作，其結(jié)構(gòu)示意如圖2 所示。相比CFM56 發(fā)動機(jī)，在燃?xì)鉁u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(fā)動機(jī)Fig.2 GE hFan engine

目前，波音公司已經(jīng)從NASA 獲得了進(jìn)一步研究N+4代飛機(jī)(即SUGAR計(jì)劃的第二階段)的經(jīng)費(fèi)支持。主要研究任務(wù)包括：

(1)N+4 研究——液化天然氣方案的縮尺性能，技術(shù)方案路線圖(液化氣發(fā)動機(jī)、系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)，無涵道風(fēng)扇和先進(jìn)螺旋槳，混合電推進(jìn)發(fā)動機(jī)和電池等)；

(2)混合電推進(jìn)系統(tǒng)優(yōu)化——結(jié)構(gòu)發(fā)展與NPSS建模；

(3)桁架支撐翼狀態(tài)——總體質(zhì)量結(jié)構(gòu)發(fā)展(機(jī)翼多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化，機(jī)翼設(shè)計(jì)與分析，機(jī)身和機(jī)翼有限元分析)，風(fēng)洞方案。

對于未來寬體客機(jī)，NASA探索了全復(fù)合材料、層流、翼身融合體的N3-X 飛機(jī)概念[9]，其最突出的特點(diǎn)是采用了渦輪電分布式推進(jìn)系統(tǒng)(TeDP，圖3)。TeDP將產(chǎn)生推進(jìn)力的裝置與產(chǎn)生動力的裝置分開，由兩臺安裝在翼尖的渦軸發(fā)動機(jī)驅(qū)動超導(dǎo)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能，并驅(qū)動15臺嵌入機(jī)身的超導(dǎo)電動推進(jìn)器產(chǎn)生推力。N3-X 飛機(jī)的耗油率比波音777-200LR 飛機(jī)降低70%以上。

圖3 渦輪電分布式推進(jìn)系統(tǒng)Fig.3 Turbo-electric distribution propulsion system

NASA 認(rèn)為，分布式推進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在推進(jìn)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(jī)質(zhì)量。此外，渦輪電分布式推進(jìn)系統(tǒng)還具有可縮放性，雙發(fā)配置下，通過改變推進(jìn)器數(shù)量，可以用于從小型支線飛機(jī)到大型飛機(jī)的全機(jī)型(圖4)。

圖4 渦輪電分布式推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)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(guān)于《無人機(jī)系統(tǒng)混合動力與推進(jìn)系統(tǒng)》的報(bào)告[10]，揭示了AFRL發(fā)展混合電推進(jìn)無人機(jī)系統(tǒng)規(guī)劃。為了發(fā)展經(jīng)濟(jì)可承受的、一體化的小型無人機(jī)系統(tǒng)，AFRL下屬航空航天系統(tǒng)指揮部動力與控制分部希望通過加強(qiáng)混合電推進(jìn)系統(tǒng)來增加小型無人機(jī)的航時，提高額外負(fù)載功率，實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)時更為安靜，以及提升系統(tǒng)的可靠性。

報(bào)告顯示，從2016年開始，AFRL就持續(xù)開展了高能安全多功能電池研究，以及高效可重構(gòu)混合動力管理/小型無人機(jī)系統(tǒng)混合電推進(jìn)系統(tǒng)研究。在高能安全多功能電池研究中，計(jì)劃2018～2020年開展結(jié)構(gòu)一體化、安全先進(jìn)的電池研究，2021 年開始對先進(jìn)的結(jié)構(gòu)一體化電池進(jìn)行驗(yàn)證。在高效可重構(gòu)混合動力管理/小型無人機(jī)系統(tǒng)混合電推進(jìn)系統(tǒng)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(jī)系統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)研究，計(jì)劃2020 年開展模塊化的、安靜的混合動力設(shè)計(jì)研究，2021 年以后開展模塊化的、安靜的小型無人機(jī)系統(tǒng)混合動力與智能控制研究。計(jì)劃2018～2020 年開展混合電推進(jìn)小型無人機(jī)系統(tǒng)(空中發(fā)射小型無人機(jī)系統(tǒng)用先進(jìn)混合電動力鏈)驗(yàn)證工作，之后還計(jì)劃于2021 年后開展長航時第3 組可恢復(fù)空中發(fā)射小型無人機(jī)系統(tǒng)驗(yàn)證。

3.3 空中客車集團(tuán)

歐盟在FlightPath2050(航跡2050)計(jì)劃下提出以2000年水平為基點(diǎn)，在2050年前實(shí)現(xiàn)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(jì)劃目標(biāo)，空中客車集團(tuán)關(guān)注并大力支持混合電推進(jìn)系統(tǒng)，一方面通過評估降低二氧化碳排放的E-飛機(jī)研究項(xiàng)目來研究電力驅(qū)動的優(yōu)勢，另一方面與羅·羅公司共同研究由渦輪發(fā)動機(jī)驅(qū)動集成到商用客機(jī)機(jī)翼的分布式推進(jìn)E-Thrust翼身融合飛機(jī)方案(圖5)。E-Thrust 系統(tǒng)通過一個燃?xì)鈩恿卧?渦扇發(fā)動機(jī)連接到發(fā)電機(jī))為6 臺風(fēng)扇和能量儲存充電提供電力，并可實(shí)現(xiàn)燃?xì)鈩恿卧?產(chǎn)生電力)熱效率和風(fēng)扇(產(chǎn)生推力)推進(jìn)效率的獨(dú)立優(yōu)化，有可能改善串聯(lián)式混合結(jié)構(gòu)總效率和減小燃?xì)鈩恿卧叽纭?/p>

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

空中客車集團(tuán)在2013年巴黎航展上宣布，與西門子公司和羅·羅公司聯(lián)合開發(fā)基于E-Thrust 的混合電推進(jìn)系統(tǒng)的E-Airbus 100 座級支線客機(jī)概念。E-Airbus有6臺電力風(fēng)扇，每個機(jī)翼沿翼展各分布3臺，涵道比(或這種系統(tǒng)的等效數(shù))預(yù)計(jì)將超過20。雖然空中客車集團(tuán)目前并沒有公布E-Airbus 飛機(jī)方案在2030年達(dá)到什么水平，以及與航跡2050計(jì)劃目標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系，但作為航跡2050計(jì)劃的中期動力解決方案，分布式混合電推進(jìn)系統(tǒng)將大量采用航跡2050計(jì)劃所發(fā)展的技術(shù)，并預(yù)計(jì)其具備足夠的技術(shù)優(yōu)勢，能夠使歐盟在實(shí)現(xiàn)航跡2050計(jì)劃所定環(huán)保目標(biāo)的征途中邁進(jìn)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(fā)一款混合電推進(jìn)飛機(jī)E-Fan X。該機(jī)將選用一架BAe146飛機(jī)作為飛行測試平臺，其4 臺渦扇發(fā)動機(jī)中的1 臺將被2 MW 功率的電動機(jī)取代[11]。一旦系統(tǒng)成熟性得到驗(yàn)證，另一臺渦扇發(fā)動機(jī)也將被電動機(jī)取代。2020年4月，受新冠肺炎疫情影響，E-FAN X項(xiàng)目被迫終止，然而羅·羅公司明確表示將繼續(xù)獨(dú)立完成發(fā)電系統(tǒng)的地面測試工作。

3.4 俄羅斯中央航空發(fā)動機(jī)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(jìn)系統(tǒng)研究計(jì)劃，并展出了500 kW級混合電推進(jìn)系統(tǒng)的概念模型[12]。該推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是由燃?xì)鉁u輪帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，然后由電動機(jī)驅(qū)動6葉螺旋槳旋轉(zhuǎn)；當(dāng)燃?xì)鉁u輪或發(fā)電機(jī)發(fā)生故障時由備份電池提供動力。該系統(tǒng)將采用俄羅斯初創(chuàng)公司提供的SuperOx超導(dǎo)材料，這種材料質(zhì)量很輕，可在高能量下工作，能減少電磁干擾，但還需要進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。如果能獲得俄羅斯聯(lián)邦政府資助，則有望在未來3 年內(nèi)完成500 kW 混合電推進(jìn)系統(tǒng)驗(yàn)證機(jī)的飛行試驗(yàn)，隨后開展用于19座飛機(jī)的2 000 kW級動力系統(tǒng)的飛行試驗(yàn)驗(yàn)證，其動力系統(tǒng)由4 臺500 kW 發(fā)動機(jī)的組合動力或1 臺2 000 kW 發(fā)動機(jī)提供動力。

4 應(yīng)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(jī)，垂直起飛所需功率遠(yuǎn)高于巡航所需功率，而混合電推進(jìn)系統(tǒng)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(fā)展的重要方向。為此，以空中客車集團(tuán)為代表的相關(guān)廠商正在研發(fā)基于全電或混合電推進(jìn)系統(tǒng)的垂直起降飛行器(圖6)，驗(yàn)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(tuán)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(jī)

目前，航空制造商和有關(guān)科研機(jī)構(gòu)均對混合電推進(jìn)支線客機(jī)的研究不遺余力，如NASA 于2017 年發(fā)布的單通道帶后置邊界層推進(jìn)的渦輪電動推進(jìn)飛機(jī)STARC-ABL 和飛馬混合電推進(jìn)概念設(shè)計(jì)[7，14]。而針對干線客機(jī)，NASA也開展了N3-X飛機(jī)概念設(shè)計(jì)，采用渦輪電分布式推進(jìn)系統(tǒng)。在日益嚴(yán)苛的環(huán)保目標(biāo)的不斷逼近下，混合電推進(jìn)支線客機(jī)預(yù)計(jì)2025年左右實(shí)現(xiàn)首飛和服役，干線客機(jī)預(yù)計(jì)2035年前后投入使用。

4.1.3 通航飛機(jī)

通航飛機(jī)應(yīng)用廣泛，可用于包括運(yùn)動、觀光、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、救援、消防等在內(nèi)的多個領(lǐng)域，目前發(fā)展勢頭迅猛[15]。沈陽航空航天大學(xué)研制的銳翔雙座電動飛機(jī)RX1E于2013年首飛，2015年取得中國民航局生產(chǎn)許可證，是世界上第一款獲得民航當(dāng)局適航審定的電動飛機(jī)，但受電池技術(shù)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(jī)RX4E，也僅能實(shí)現(xiàn)300 km航程和90 min航時，只能滿足部分應(yīng)用場景需求。采用混合電推進(jìn)系統(tǒng)可大大改善這一情況，使其應(yīng)用場景得到進(jìn)一步拓展。

4.2 軍用航空

4.2.1 忠誠僚機(jī)

隨著作戰(zhàn)模式的演進(jìn)，無人機(jī)集群作戰(zhàn)正成為未來空中作戰(zhàn)的重要趨勢。美國空軍開展了長僚協(xié)同與忠誠僚機(jī)計(jì)劃：無人機(jī)與F-35戰(zhàn)斗機(jī)編隊(duì)飛行，充當(dāng)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(jī)，考慮其需要搭載傳感器和武器以支撐有人機(jī)，計(jì)劃采用混合電推進(jìn)系統(tǒng)。此外，隨著F-35系列戰(zhàn)斗機(jī)不斷投入使用，F(xiàn)-16戰(zhàn)斗機(jī)即將大規(guī)模退役，故美國空軍正在將F-16戰(zhàn)斗機(jī)改裝為忠誠僚機(jī)無人機(jī)，而采用混合電推進(jìn)系統(tǒng)能大大改善F-16的航程、機(jī)動性等特性。

4.2.2 高空長航時無人機(jī)

未來空戰(zhàn)模式中，高空長航時無人機(jī)將會發(fā)揮越來越重要的作用，混合電推進(jìn)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)20 km以上的高空飛行，實(shí)現(xiàn)更長的續(xù)航時間，且兼具一定的機(jī)動性，能夠大大提升無人機(jī)的生存性，將是高空長航時通信中繼無人機(jī)或偵察機(jī)極有潛力的備選動力裝置[16]。目前，美國空軍已經(jīng)將混合電推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用于小型偵察無人機(jī)，且正計(jì)劃將混合電推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用于MQ-9 捕食者和RQ-4 全球鷹等高空長航時無人機(jī)。

4.2.3 運(yùn)輸機(jī)和遠(yuǎn)程轟炸機(jī)

采用混合電推進(jìn)系統(tǒng)可以很容易實(shí)現(xiàn)短距/垂直起降，這對于陸軍作戰(zhàn)期間戰(zhàn)地物資、受傷人員等的運(yùn)輸保障非常重要。此外，隨著混合電推進(jìn)系統(tǒng)在民用航空領(lǐng)域的興起，其在大型運(yùn)輸機(jī)、遠(yuǎn)程轟炸機(jī)等機(jī)種中的應(yīng)用也顯露出較大的潛力。低油耗、長續(xù)航、低噪聲和較當(dāng)前動力更高隱身性的特性，正是未來大型運(yùn)輸機(jī)和遠(yuǎn)程轟炸機(jī)動力的發(fā)展目標(biāo)。

4.2.4 下一代戰(zhàn)斗機(jī)

2019年，美國VAATE計(jì)劃轉(zhuǎn)入后續(xù)ATTAM(支撐經(jīng)濟(jì)可承受任務(wù)能力的先進(jìn)渦輪發(fā)動機(jī)技術(shù)研究)計(jì)劃，下一代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)中將整合熱管理、發(fā)電技術(shù)和推進(jìn)技術(shù)，重點(diǎn)研究能支持激光武器、定向能等兆瓦級電力負(fù)荷的技術(shù)[17]。借此推斷，下一代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)極有可能具備多電發(fā)動機(jī)或電氣化推進(jìn)系統(tǒng)等特征。

AFRL 在推進(jìn)混合電推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)展的同時，因其絕大部分技術(shù)與多電發(fā)動機(jī)技術(shù)相通，故經(jīng)過驗(yàn)證的技術(shù)將引入多電發(fā)動機(jī)中使用[10]。這說明，美軍是混合電推進(jìn)系統(tǒng)與多電發(fā)動機(jī)同步推進(jìn)。

5 結(jié)束語

以NASA、AFRL、空中客車集團(tuán)、羅·羅公司和CIAM為代表的著名航空制造商及相關(guān)研究機(jī)構(gòu)，都針對混合電推進(jìn)的發(fā)展制訂了明確的規(guī)劃，開展了廣泛的驗(yàn)證研究?；旌想娡七M(jìn)系統(tǒng)是邁向全電推進(jìn)系統(tǒng)的重要過渡階段，并將持續(xù)到電池能量密度與液態(tài)燃料持平之時[18]。相關(guān)資料表明，2020～2035年，各類混合電推進(jìn)飛機(jī)將陸續(xù)實(shí)現(xiàn)首飛和服役。

目前看來，混合電推進(jìn)系統(tǒng)是推動民用航空進(jìn)入可持續(xù)發(fā)展的最具潛力的推進(jìn)系統(tǒng)方案，同時也對軍用航空的發(fā)展注入了新的活力?；旌想娡七M(jìn)系統(tǒng)長續(xù)航、低噪聲、高機(jī)動的特性，使其成為忠誠僚機(jī)、高空長航時無人機(jī)等軍事應(yīng)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(zhàn)斗機(jī)動力的需求。此外，電傳輸相較于機(jī)械傳輸更為靈活，加之分布式推進(jìn)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)更好的飛機(jī)/發(fā)動機(jī)一體化，因此混合電推進(jìn)系統(tǒng)還將促生一批結(jié)構(gòu)新穎、作戰(zhàn)效能更高的新型軍用飛機(jī)。

我國較世界航空先進(jìn)國家在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)領(lǐng)域存在較大代差，但就混合電推進(jìn)系統(tǒng)而言，當(dāng)前與其他國家?guī)缀跆幵谕黄鹋芫€。為此，有必要通過合理規(guī)劃，集中突破超導(dǎo)材料、超冷技術(shù)、電池技術(shù)、能量管理等關(guān)鍵技術(shù)，加快研發(fā)驗(yàn)證步伐，搶占混合電推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)展先機(jī)。