傳統(tǒng)推進系統(tǒng)的燃油效率提升在未來將面臨極限，需要探索新的航空推進系統(tǒng)解決方案，以應(yīng)對氣候變化的挑戰(zhàn)。在眾多的解決方案中，電推進技術(shù)能夠提高效率、降低排放和噪聲，具有明顯的優(yōu)勢。

美國國家航空航天局（NASA）認(rèn)為，電推進技術(shù)是非常有潛力的動力解決方案之一并開展了多項研究，包括純電/混合電推進技術(shù)的多個飛機項目、燃料電池概念探索、電推進技術(shù)驗證的試驗設(shè)施的建設(shè)等。

混合電推進飛機概念

在混合電推進技術(shù)領(lǐng)域，NASA先后開展了多個飛機項目，并對其進行了分析和研究。2008年，NASA提出采用渦輪電分布式推進（TeDP）系統(tǒng)的N3-X飛機概念，對TeDP系統(tǒng)進行了循環(huán)分析，對電力部件的質(zhì)量和效率問題進行了研究，并對噪聲和排放進行了評估。2016年，NASA開始研制帶后部邊界層推進的單通道渦輪電動飛機（STARCABL），其縮比概念機已經(jīng)在NASA電動飛機試驗臺（NEAT）上進行了首次地面試驗，并且對該飛機的推進系統(tǒng)進行了動態(tài)分析。2017年，NASA提出一種稱為采用協(xié)同利用方案的并聯(lián)電-燃?xì)饨Y(jié)構(gòu)（PEGASUS）的支線客機概念，推進系統(tǒng)采用并聯(lián)混合電推進結(jié)構(gòu)。2019年，NASA提出帶前緣嵌入式分布單通道渦輪電飛機（STARC-LEED）概念，推進系統(tǒng)為TeDP系統(tǒng)，旨在研究分布式混合電推進系統(tǒng)飛機的機翼結(jié)構(gòu)設(shè)計，以彌補相比常規(guī)飛機機翼額外增加的系統(tǒng)質(zhì)量，之后采用有限元分析模型，對STARC-LEED概念飛機的兩種結(jié)構(gòu)進行研究和分析，以確定與常規(guī)結(jié)構(gòu)相比，嵌入式方法是否具有結(jié)構(gòu)質(zhì)量優(yōu)勢。

純電推進飛機

2016年，NASA在可拓展收斂電力技術(shù)作戰(zhàn)研究（SCEPTOR）飛行驗證項目下，對泰克南（Tecnam）P2006T飛機進行改裝，使其采用分布式電推進（EDP）技術(shù)，并將該飛機稱為SCEPTOR驗證機。SCEPTOR項目分為4個階段：第一階段，試驗P2006T飛機基本性能，并對分布式電推進系統(tǒng)的機翼（來自于LEAPTech飛機項目）進行地面試驗；第二階段，P2006T飛機結(jié)構(gòu)（包括機翼）采用試驗電力系統(tǒng)和定制巡航電動機進行改裝，對電動機、電池及其他相關(guān)設(shè)備的性能進行試驗；第三階段，采用較薄的大展弦比復(fù)合材料機翼替換P2006T飛機的原始機翼，巡航電動機移動至翼尖位置，同時在左右機翼前緣各安裝6個升力電動機短艙（無電動機和螺旋槳），試驗新型機翼及翼尖推進方案的減阻效果；第四階段，在12個升力電動機短艙上安裝電動機和螺旋槳，試驗飛機的低速性能以及分布式電推進系統(tǒng)的升力效果。

SCEPTOR驗證機階段

2017年，NASA將SCEPTOR驗證機改名為X-57麥克斯韋飛行驗證機。該飛機包括兩臺大功率巡航電動機（每臺功率為60kW）和12臺小功率升力電動機（每臺功率為9kW），二者均由機上的鋰離子電池供電。兩臺巡航電動機分別位于左右機翼翼尖，為飛機的主要動力裝置，通過驅(qū)動兩個直徑為1.52m的大型螺旋槳，為處于巡航階段的飛機提供動力。12臺升力電動機位于左右機翼前緣，在每側(cè)機翼上沿翼展分別安裝6臺，通過驅(qū)動自帶的12臺螺旋槳，用于在起降階段增加飛機的升力。NASA研究了兩種類型分布式推進技術(shù)的氣動推進效益：翼尖安裝巡航螺旋槳用于回收或減少機翼渦流能量，在巡航時降低阻力；前緣高升力螺旋槳用于低速時提高升力，巡航時更高效。該研究表明，X-57驗證機的性能能夠滿足計劃目標(biāo)。

X-57飛機的地面狀態(tài)、起飛狀態(tài)、巡航狀態(tài)

2018年，NASA在巡航和起飛/著陸條件下對X-57的機翼進行計算研究，預(yù)測X-57飛機的部件性能。2020年，NASA采用新的電池模型，對X-57飛機的電池進行了評估，這也有助于電池技術(shù)的發(fā)展。研究結(jié)果表明，對于特定的優(yōu)化任務(wù)，X-57飛機電池能量傳遞到軸的平均效率為77.3%?？紤]到25%的電池容量，在任務(wù)期間，只有接近一半的原始55.3kW·h標(biāo)稱電池組能量可以轉(zhuǎn)化為有用功。2020年3月，NASA展示了X-57飛機的最終布局包括大展弦比機翼和直徑為1.5m的翼尖螺旋槳。NASA計劃在2022年秋天進行X-57的飛行試驗。

燃料電池技術(shù)

2003年，NASA探索了幾種燃料電池，為純電飛機提供動力，以顯著降低排放或?qū)崿F(xiàn)零排放。這幾種燃料電池包括液態(tài)氫質(zhì)子交換膜（PEM）燃料電池、甲醇PEM燃料電池和固體氧化物混合燃料電池。NASA評估了這幾種燃料電池對小型飛機起飛質(zhì)量和航程的影響，發(fā)現(xiàn)固體氧化物混合燃料電池顯示出最大的潛力。

2012年，NASA探索了為超輕型通用純電動直升機提供動力的燃料電池，以實現(xiàn)與內(nèi)燃機相當(dāng)?shù)男阅?。該項研究選用的是兩座的羅賓遜R22直升機，推進系統(tǒng)采用純電動力代替原來的活塞發(fā)動機。推進系統(tǒng)包括高壓質(zhì)子交換膜燃料電池、儲存罐內(nèi)的氫燃料、鋰電池和交流同步永磁電動機。NASA設(shè)計了3種推進系統(tǒng)模型，包括只有鋰電池的、只有燃料電池的和兩種電池混合的。在3個基本任務(wù)下，NASA評估了純電推進直升機，并對3種推進系統(tǒng)模型的性能進行了研究，得出以下幾點結(jié)論：如果能將電動汽車技術(shù)應(yīng)用到航空中，電推進系統(tǒng)的單位功率將接近目前配裝R22直升機的活塞發(fā)動機的一半，但效率是后者的兩倍；在溫度控制較好的情況下，鋰電池在直升機懸停最高限度下表現(xiàn)最優(yōu)，在壓力控制較好的情況下，燃料電池在直升機巡航時最佳，因此在目前的技術(shù)下，燃料電池用于巡航、鋰電池用于懸停的組合方案為最優(yōu)解；直升機純電推進的唯一障礙是高扭矩低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子的運行，對電動機來說，高扭矩低轉(zhuǎn)速從數(shù)量級上說是不可行的。

有速度控制和扭矩控制反饋結(jié)構(gòu)的單線電力網(wǎng)格模擬器

HEIST系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電推進技術(shù)試驗設(shè)備

NASA投資了多項電推進技術(shù)的試驗設(shè)備，包括推進電力網(wǎng)格模擬器（PEGS）、混合電集成系統(tǒng)試驗臺（HEIST）和電推進飛機試驗臺（NEAT），進行長期單通道混合燃?xì)怆娡七M飛機部件和系統(tǒng)研究。此外，NASA還開發(fā)了Airvolt電推進試驗臺，進行EDP技術(shù)驗證。這些設(shè)備補充了相關(guān)工業(yè)能力，包括較高技術(shù)成熟度（TRL）的飛行動態(tài)/氣動性集成、動態(tài)電力網(wǎng)格管理和較低TRL的超導(dǎo)部件試驗。

推進電力網(wǎng)格模擬器

2014，NASA根據(jù)固定翼計劃（SFW）中未來TeDP飛機的目標(biāo)，開發(fā)電力網(wǎng)格模擬器以仿真TeDP動力網(wǎng)格，深度理解系統(tǒng)原理，從而快速分析和驗證TeDP電力系統(tǒng)的方案論證。該模擬器由相對較小且低成本的部件組成，能夠快速分析和驗證TeDP電氣系統(tǒng)的方案，并允許對部件進行仿真。PEGS為縮比動力系統(tǒng)，包括1組4個相同的電動機和相關(guān)電動機驅(qū)動/控制系統(tǒng)，可以將普通電動機系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成獨特的TeDP電網(wǎng)仿真器，利用半實物實現(xiàn)實時仿真性能。

混合電集成系統(tǒng)試驗臺

2016年，NASA開發(fā)了HEIST試驗臺，研究TeDP技術(shù)的功率管理、過渡復(fù)雜性、模塊結(jié)構(gòu)和飛行控制率。該試驗臺可以確定混合電推進和分布式電推進飛機結(jié)構(gòu)的成熟度。HEIST設(shè)備包括3輛拖車，包含分布式電推進機翼、電池系統(tǒng)和渦輪發(fā)電機、測力計，并具有電力和通信基礎(chǔ)設(shè)備，所有這些都與NASA阿姆斯特朗研究中心（AFRC）仿真實驗室連接。該試驗臺包括18個由電池和渦輪發(fā)電機提供電力的高性能電動機，并由飛行仿真指揮。該試驗臺的結(jié)構(gòu)包括分布式電推進機翼（包括螺旋槳、電動機、控制器和電纜系統(tǒng)）、電池、渦輪發(fā)電機、測力機、仿真計算機、飛行控制計算機和座艙。該試驗臺上的螺旋槳為LEAPTech項目的高速傳統(tǒng)螺旋槳（約7000r/min），渦輪發(fā)動機由于懸掛排放限制和高速螺旋槳固有的危險需要在戶外開展試驗。仿真計算機、座艙和SCRAMNet基礎(chǔ)設(shè)施位于AFRC吊架試驗間的第2層。這些因素迫使機翼和渦輪發(fā)電機要保持靈活性，以便封裝在懸掛環(huán)境中在外面試驗，因此NASA將所有移動硬件放置在了拖車上。

電推進飛機試驗臺

2016年，NASA建立了NEAT試驗臺，用于飛行前的全尺寸電推進系統(tǒng)的部件開發(fā)和驗證。該試驗臺的主要目的是開展大功率常溫和低溫飛行質(zhì)量電推進系統(tǒng)試驗，使高壓總線結(jié)構(gòu)、大功率兆瓦級逆變器和整流器、大功率兆瓦級電動機和發(fā)電機、系統(tǒng)通信、系統(tǒng)電磁干擾緩解和標(biāo)準(zhǔn)、系統(tǒng)故障保護和系統(tǒng)熱管理等技術(shù)部件達到TRL 6。先進飛行器計劃、先進空運技術(shù)項目、混合燃?xì)怆妱幼禹椖慷夹枰ㄟ^該試驗臺實現(xiàn)未來單通道商用電動飛機的技術(shù)開發(fā)目標(biāo)。在功率為125kW和250kW時，NEAT試驗臺已經(jīng)通過安全審查和運行，驗證和完善了電推進飛機的戰(zhàn)略，可以模擬渦輪發(fā)動機集成發(fā)電機、電動機驅(qū)動推進風(fēng)扇。這些是混合電推進和渦輪電推進系統(tǒng)的關(guān)鍵，能夠試驗未來更大功率、更大電壓和結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜的全尺寸系統(tǒng)。

NEAT試驗臺填補了大功率、大尺寸、飛行質(zhì)量動力系統(tǒng)部件和系統(tǒng)開發(fā)試驗臺的空白。整個電推進飛機系統(tǒng)的TRL將穩(wěn)定前進，從縮比部件開發(fā)，到全尺寸單通道混合燃?xì)怆娡七M飛機驗證機。為了安全，試驗臺的控制室遠(yuǎn)離試驗臺約402m。這種安全級別，加上該試驗臺的遠(yuǎn)程位置，使得在實際飛行場景下進行獨特的全尺寸動力系統(tǒng)試驗的機會很多，包括低溫燃料、大翼展、電磁干擾和大功率研究硬件等。

Airvolt電推進試驗臺布局

Airvolt電推進試驗臺

2016年，NASA開發(fā)Airvolt電推進試驗臺，以更好地理解和分析電池產(chǎn)生的電流如何通過總線結(jié)構(gòu)、電動機控制器、電動機和其他設(shè)備為螺旋槳產(chǎn)生推力。該試驗臺主要是用于X-57飛機的JM-57巡航電動機的驗證，收集電動機和逆變器的高保真數(shù)據(jù)，電池系統(tǒng)效率、熱管理和獨立于制造商報告值的聲學(xué)值，提升對未來飛機電推進系統(tǒng)的理解。Airvolt試驗臺可以容納功率為100kW的電動機和螺旋槳直徑為1.8m的小型系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)監(jiān)測推力和扭矩，以及動力源、逆變器和電動機之間的電流和電壓，還有系統(tǒng)的振動、溫度和聲學(xué)值等。該試驗臺每秒能測200萬個樣本，有助于更好地理解被測系統(tǒng)。該試驗臺能夠準(zhǔn)確計算效率、揭示子系統(tǒng)之間的未知關(guān)系、找到電推進技術(shù)的確認(rèn)和驗證方法。

結(jié)束語

目前，NASA的全電推進技術(shù)驗證機X-57取得了一些進展，已經(jīng)展示了最終結(jié)構(gòu)并在準(zhǔn)備試飛。多項混合電推進飛機概念尚存在電力系統(tǒng)質(zhì)量大、超導(dǎo)電機無法實現(xiàn)和熱管理等技術(shù)挑戰(zhàn)需要應(yīng)對。在試驗設(shè)備領(lǐng)域，NASA建立了應(yīng)用于不同電推進技術(shù)驗證的試驗臺和試驗設(shè)施。作為美國航空領(lǐng)域的技術(shù)引領(lǐng)機構(gòu)，NASA從飛機推進系統(tǒng)、燃料電池、試驗設(shè)備等方面對純電推進和混合電推進技術(shù)進行的開發(fā)、研究和試驗，將為電推進技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用提供契機。