高 杨

（中国航发湖南动力机械研究所，株洲 410000）

美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的 电 气 化 飞 机 推 进（Electrified Aircraft Propulsion，EAP）的研究目的是针对从城市空中交通市场到亚声速运输机市场的多种尺寸、航程和飞行速度的飞机，利用电机部分或完全驱动飞机推进装置对推进系统进行研究。它包括3种形式的推进系统能量源，分别为全电（储电装置）、混电（基于电气和燃油的储能装置）以及涡轮电力（仅基于燃油储能装置）。研究的总体策略为首先建立关键支撑技术，其次在飞行试验器上进行技术验证，最后将技术应用于未来航空产业。

1 NASA EAP研究

基于应用市场的需求，NASA启动了EAP研究，考虑的市场对象包括现有国内/国际民用飞机市场（航程大于4 828.032 km、单通道以上的跨声速飞机）、按需出行潜在新兴市场（半自动或全自动短途垂直起降飞机）以及短途支线飞机市场（载客量低、航程较短的涡桨飞机）。

前期研究基于隐含的技术假设对EAP与自动飞行在这3类市场内的潜在优势进行分析。结果表明：针对国内/国际空运市场，EAP可以实现节能减排；EAP与自动飞行相结合，可适用于区域交通按需出行市场；自动化EAP可以降低飞行员的操作负荷，一定程度重新振兴短途低载客量的支线飞机市场。

1.1 先进空中运输技术项目

先进空中运输技术项目面向民用运输市场，是一个研究领域覆盖极广的NASA研究项目。在此项目下，2014年启动了混合燃气-电气子项目，旨在寻求运输级别的EAP飞机概念、识别技术障碍及推进技术成熟度。混合燃气-电气项目团队从3个层面进行了研究。第一层面，研究飞机概念方案，识别潜在气动效率收益。第二层面，研究传动构型。第三层面，研发实现飞机动力系统显著改进的基础部件。

波音、联合技术研究中心和罗罗北美公司对混合电推进系统进行了详细设计，将电池储能设备纳入推进系统，对窄体飞机的外形只做了少量变化。研究表明，先进的电池管理系统（750～1 000 Wh·kg-1）加上对涡轮发动机的进一步优化，可以改善窄体飞机的整体能量利用情况。罗罗北美公司评估采用1.5 MW电机和400 Wh·kg-1电池的90座级的客机，结果表明925 km航程任务下混电系统的能量利用率提高2%，短途飞行任务中燃油效率提升近14%[1]。

其他早期的EAP构型如N3-X和ECO-150，采用的是完全涡轮电力推进，将所有的涡轮轴功率转换成电能，然后分配给多个电机驱动的风扇。全分布式构型可以充分利用分布式风扇和先进边界层吸收技术提高推进效率，但需要极度高效的电机和功率分配系统来承受巨大的电能载荷。有研究对“带后边界层吸收装置的单通道飞机”的尾椎推进器进行了评估，并将其作为部分分布式涡轮电力推进的极简解决方案。该方案基于现有或短期内可实现的技术，为飞发一体化打开了一扇新的大门，预期在1 667 km的典型任务范围下可节油2.7%，在6 482 km的设计任务范围下可节油3.4%。此外，研究以参数化方式评估了动力系统部件优化对具体飞机概念方案性能的影响[2]。带后边界层吸收装置的单通道飞机构型的涡轮电力推进系统，在不同电气化程度下，电动系统比功率和效率的关系表明，当推进功率需求较小时，无须采用超前的技术就可以实现正向收益。

上述研究证明了EAP在节油节能上的潜力，而实现设计的关键在于对子系统、部件和材料的技术研发与突破。NASA投资了多个相关研究项目，包括针对EAP布局的专用试验台建设[3]，比功率为13.2 kW·kg-1、效率达到96%的电机（电动机/发电机）研发，比功率为19 kW·kg-1效率大于99%的功率逆变器（机械控制器）验证，以及可在0～100 kHz频率范围、400 ℃以内运行温度下低电力损耗的新型软磁材料验证等。此外，NASA采用独特的建模方式，利用复合材料设计电机绝缘槽，定制电机线路绝缘以实现最佳热性能。

1.2 X-57 Maxwell

X-57 Maxwell是NASA飞行验证和能力项目下的技术验证机，为首个电气化X系列飞机。它采用分布式全电推进系统，现已完成以300 km·h-1速度飞行平台为基础、人均能耗减少80%为目标的原理验证。

X-57飞机试验项目分为4个螺旋上升的研发阶段。Mod Ⅰ阶段基于P2006T飞机和2台四缸四冲程Rotax 912S3活塞发动机建立飞行性能基线。Mod Ⅱ阶段进行电气化改型，将原来活塞发动机替换成巡航电动机，同时发动机位置、机翼构型和材料都未改变，测试电动机、电池和其他相关设备的性能，逐步提升电力系统成熟度。Mod Ⅲ阶段对原P2006T飞机的机翼进行大幅修改，替换成大展弦比复合材料机翼，尺寸仅为原机翼的42%，并将电动机移动到翼尖测试减阻效果，但此时无法实现低速段性能。Mod Ⅳ阶段在Mod Ⅲ阶段的基础上新增12个增升电动机和分布式可折叠螺旋桨，解决低速段飞行问题，并对分布式电推进系统和增升效果进行测试。目前，该项目已进行至Mod Ⅳ阶段，2022年4月完成了地面试验的最终验证，随后将准备安装电池，计划全电动X-57将于2022年内完成首飞。

X-57飞机的关键验证工作集中在机翼、螺旋桨和任务飞行路线之间有效匹配的集成设计方面。它的设计方案是否能够成功，取决于高性能电机、逆变器和电池技术的创新发展。此外，需要多学科创新性同步研发，使高升力系统设计、大展弦比机翼设计以及任务飞行路线规划算法相匹配。基于300 km·h-1巡航飞行工况对高性能机翼进行优化，获得了最佳气动效率。采用轻质高效电机驱动布置在翼尖位置的螺旋桨，创新性地利用涡流实现减阻。12个螺旋桨分布式布局于机翼的前缘，由小型电机和逆变器系统驱动，仅在起飞和降落这种低速飞行状态下运行，保证了机翼的低速气动性能。通过先进螺旋桨设计和优化流程，确保12个螺旋桨升速过程均衡一致，且在高速飞行时螺旋桨叶片可折叠减小阻力。基于X-57飞行研究项目中试验件在关键系统上表现出的限制，优化航电供电和指令系统。整个系统设置冗余度、进行部件试验和开展失效分析来控制失效范围、可能性和持续性。各个部件的研发经历了单独的部件设计评审、耐久性试验和系统集成后功能验证，可确保可靠性。X-57飞机集成化的系统能够评估失效模式，结合飞行模拟器用于飞行员培训，提高了紧急失效情况下的响应速度。

X-57飞机试验项目的目的是解决电推进系统方面的多个技术挑战。电动飞机需要特别考虑重量、安全和运行环境的要求，致使系统适配更加复杂。虽然相比燃料发动机，电动推进器（电机和逆变器）更高效，但在运行过程中仍旧会产生热，需要在飞机层面进行一体化的热管理设计。通常的做法是采用液冷散热或布置专门的散热装置，如大型金属散热器。这必定会导致飞机重量的大幅上升，导致电转换优势大打折扣。针对这个问题，X-57飞机上应用了材料科学、高效电机和供电电子、增材制造和先进控制等领域的最新研究成果。

1.3 革命性垂直起降技术项目

革命性垂直起降技术项目的首要目标是研发和验证垂直起降飞机相关概念构型和关键技术，包括适用于常规构型、非常规构型以及城市空中交通（Urban Air Mobility，UAM）市场需求的各类解决噪声、飞行速度、机动性、负载、效率、环境和安全问题的技术。

为识别关键技术、定义技术规范、探索不同的推进系统方案，该项目共设计了4款UAM概念机，包含不同的有效载荷、航程、类型和推进系统[4]，并在此基础上开展系统安全性评估，识别出在安全性、耐久性、符合性方面的认知差距，分析关键部件的技术需求。

此外，NASA在数字推进系统仿真（Numerical Propulsion System Simulation，NPSS）工具的推进系统概念设计软件中添加电气模块，使eVTOL电动系统的设计和分析可以在NPSS框架下完成。

革命性垂直起降技术项目也是将磁性传动应用于eVTOL推进构架的先行者。磁性传动技术利用磁体通过磁力传递扭矩而无须轮齿间有任何实体接触，研究得出了可应用于航空平台的轻质可靠传动链设计，同时完成了相关试验台的建设。

2 EAP技术应用的优势与前景

在民用航空领域，欧美多个技术发展框架和展望文件都在减少耗油、排放和噪声上提出了目标，而EAP是研究实践证明实现该目标最具前景的技术。

对于军用平台，EAP的发挥空间更大，甚至可使之前无法实现的非常规任务成为可能。例如：减少噪声和排放可以更好地掩藏飞机特征；结合自动化操作系统可以最小化飞行员的工作量；储能设备的布置可以提供爆发性性能/冲击能量，使能量武器的打击效果更加可观。这些都与未来军用平台应用需求相匹配。

其他可应用的场景包括沙尘环境下运行、提供远程供电、扩展监控区域、补充可调度功率以及自主救援等。在识别不同应用场景的任务需求和技术差距后，可建立相关系统的技术路线图。现阶段，在350 nm航程范围内，混电推进系统支线飞机中电池发挥的作用足以媲美传统推进系统。多数在研发的短途小型无人机系统混电飞机则在航程上均小于1 000 nm。

此外，混电飞机架构为创新部件集成方式提供了空间，并且扩展了任务完成能力，集成非典型能量源，在飞机的多个位置布置推进装置，使飞机的设计更加自由[5]。加之综合应用飞机子系统，既可实现安静、耐久的飞行，又可为冲击性和定向能武器提供脉冲功率。但是，目前的技术尚不够成熟，还有很长的路要走。可以先从军用平台入手，逐步推动后续研究。

未来最首要的研究任务是识别关键性能基点，提升EAP在战场战略、后勤和操作性方面的表现，同时利用好现有民用技术研发成果。目前，已有多项关键技术完成了地面运行验证，后续将集中力量实现高空运行符合性方面的突破。可以预见，到2030年，将会有多型符合高空飞行要求和未来战场能力需求的EAP飞机面世。

3 结语

NASA以潜在市场影响和技术关键性能参数为牵引推动EAP研究。基于关键领域技术革新，EAP从设想逐渐成为现实。EAP飞发一体化方案目前已行进至飞行验证阶段，研究获得的数据可为填补相关标准和认证流程空缺提供支撑。目前，EAP研究的进展显著，未来的工作着重于将EAP技术在民用产品上转换应用和进一步完善EAP技术，使其能够应用于大型跨音速飞机。