全電推進(jìn)技術(shù)是實現(xiàn)航空業(yè)脫碳減排的重要技術(shù)路線，是實現(xiàn)綠色航空愿景的前沿技術(shù)方向，而油電混合動力系統(tǒng)則是未來全電推進(jìn)的過渡路線。中國航發(fā)動研所依托多年的技術(shù)積累，聯(lián)合業(yè)內(nèi)的飛機、電機和電控相關(guān)優(yōu)勢單位，開展了多型混合動力系統(tǒng)的設(shè)計與試驗研究。

習(xí)近平總書記在2015年巴黎氣候大會、2020年聯(lián)合國大會等重要場合多次重申了中國2030碳達(dá)峰和2060碳中和的目標(biāo)，這對國內(nèi)的航空碳排放提出了更高的要求?，F(xiàn)有燃油動力技術(shù)改進(jìn)已無法滿足減排政策的要求，必須采用革命性技術(shù)。全電推進(jìn)是實現(xiàn)航空零排放的終極目標(biāo)，預(yù)測電池能量密度在未來30年內(nèi)幾乎不可能取得突破性進(jìn)展，僅適合城市垂直起降通勤飛行器開發(fā)和輕型通航飛機的改裝，無法適用于更大起飛重量的飛行器。油電混合動力系統(tǒng)作為飛機從燃油時代跨越至全電時代的過渡方案，結(jié)合飛機分布式推進(jìn)布局，在保證航空運力的基礎(chǔ)上，可大幅降低燃油消耗。中國航發(fā)動研所目前有在役和在研的80～8000kW級多型渦軸、渦槳發(fā)動機和輔助動力裝置（APU），功率譜系齊全，依托多年的技術(shù)積累，聯(lián)合業(yè)內(nèi)的飛機、電機和電控相關(guān)優(yōu)勢單位，開展了多型混合動力系統(tǒng)的設(shè)計與試驗研究。

80kW級混合動力系統(tǒng)

2020年3月，中國航發(fā)動研所在相關(guān)預(yù)研項目支持下，開展了80kW級串聯(lián)式油電混合動力系統(tǒng)研制。研制分為方案階段和工程研制階段。

80kW級混合動力系統(tǒng)裝SA60L飛機進(jìn)行飛行試驗

方案階段主要開展方案論證、子系統(tǒng)選型等工作，并與飛機方協(xié)調(diào)確定動力艙布局、功率匹配、質(zhì)心配平、飛行控制和發(fā)動機控制系統(tǒng)接口改裝等事項，根據(jù)研制需要開展電氣系統(tǒng)、動力艙設(shè)計等，對動力艙安裝架進(jìn)行振動、強度計算和校核。

工程研制階段按照子系統(tǒng)地面試驗—整機臺架試驗—飛行前摸底試驗—飛行試驗的驗證路徑開展集成驗證。

系統(tǒng)組成

80kW級油電混合動力系統(tǒng)研究立足現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)，系統(tǒng)集成盡量采用貨架產(chǎn)品，并基于成熟的飛行平臺進(jìn)行適應(yīng)性改裝，主要目的是驗證系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)。

混合動力系統(tǒng)采用串聯(lián)式架構(gòu)，系統(tǒng)由發(fā)電、儲能、能源分配和電推進(jìn)等子系統(tǒng)組成。其中，發(fā)電子系統(tǒng)包括燃?xì)鉁u輪發(fā)動機、發(fā)電機和發(fā)電機控制器；儲能子系統(tǒng)包括動力電池和電池管理系統(tǒng)（BMS）；雙向直流/直流作為能源分配子系統(tǒng)的重要部分，負(fù)責(zé)對電推進(jìn)子系統(tǒng)、發(fā)電子系統(tǒng)及儲能子系統(tǒng)的電功率進(jìn)行管理及調(diào)控，采用相關(guān)能量管理算法，確保系統(tǒng)性能最優(yōu)；電推進(jìn)子系統(tǒng)包括電動機及其控制器，為螺旋槳提供動力。

80kW級串聯(lián)式油電混合動力系統(tǒng)架構(gòu)

發(fā)電子系統(tǒng)采用的小型航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機是一型成熟的直升機輔助動力裝置，最大輸出功率為80kW，已配裝在直升機上累計飛行驗證5年。交流發(fā)電機選擇風(fēng)冷式無刷交流發(fā)電機，額定功率為70kV·A，輸出電壓115V。交流發(fā)電機散熱器和翅片式散熱管通過螺旋槳來流冷卻。

儲能子系統(tǒng)采用的動力電池模組由三元鋰電芯串聯(lián)而成，滿足電動機電壓和電流需求。電池管理系統(tǒng)擁有完善的充放電過流保護(hù)、充放電過溫保護(hù)和短路保護(hù)功能，響應(yīng)迅速，數(shù)據(jù)采樣精度高。

能源分配子系統(tǒng)集成于機載綜合電源內(nèi)部，主要由交流/直流變換器、控制器以及開關(guān)組成。交流/直流實現(xiàn)將發(fā)電機的交流電壓轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)可用的直流電壓?？刂破魍ㄟ^測量系統(tǒng)輸入和輸出功率，由開關(guān)控制系統(tǒng)進(jìn)行能量分配，實現(xiàn)發(fā)電機單獨供電或與動力電池一起聯(lián)合供電。

電推進(jìn)子系統(tǒng)由接口控制單元、控制面板和主要動力模塊組成。根據(jù)飛機的動力需求指令，控制電動機的狀態(tài)和發(fā)電機與動力電池的組合模式?？刂泼姘迥K油門桿用來向接口控制單元傳輸控制指令，啟動和關(guān)機為帶鑰匙的按鈕，由飛行員操作。選用軸向磁通永磁同步電動機，連續(xù)工作功率為40～75kW。為了加強電動機散熱，設(shè)計了導(dǎo)流冷卻通道和高效冷卻風(fēng)扇。針對電動機控制器散熱難題，開展了控制器散熱優(yōu)化設(shè)計。

為了配裝混合動力系統(tǒng)，對SA60L飛機進(jìn)行了適應(yīng)性改裝。發(fā)電子系統(tǒng)沿用原燃?xì)鉁u輪發(fā)動機的安裝形式，通過1個后支架和2個前撐桿固定在飛機動力艙承力框架上。電推進(jìn)子系統(tǒng)采用電動機直驅(qū)螺旋槳形式，電動機與螺旋槳之間通過螺旋槳轉(zhuǎn)接段連接。螺旋槳拉力通過螺旋槳轉(zhuǎn)接段、電動機、電動機安裝架傳遞到飛機動力艙承力框架上。動力電池組、機載綜合電源和其他部件根據(jù)飛機配平要求，靈活布置到飛機相應(yīng)部位。

主要工作模式與性能參數(shù)

混合動力系統(tǒng)工作時，發(fā)電子系統(tǒng)在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機的帶動下輸出540V高壓直流電，供給直流母線。儲能子系統(tǒng)在飛機需要較大推進(jìn)功率時（如起飛爬升階段）提供額外功率，在飛機巡航階段吸收發(fā)電子系統(tǒng)多余的功率，起到功率調(diào)配的作用，使作為源動力的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機始終工作在最佳狀態(tài)。能源分配子系統(tǒng)根據(jù)電動機需求功率和發(fā)電機輸出功率動態(tài)調(diào)整動力電池輸出功率或充電功率，以維持母線電壓穩(wěn)定。根據(jù)飛行平臺需求，混合動力系統(tǒng)共設(shè)置起飛、巡航和應(yīng)急等3種工作模式。

混合動力系統(tǒng)在動力艙安裝示意圖

80kW級混合動力系統(tǒng)裝機示意圖

在起飛模式時，電推進(jìn)子系統(tǒng)在能源分配子系統(tǒng)調(diào)控下，同時從動力電池和發(fā)電子系統(tǒng)提取電功率，驅(qū)動螺旋槳為飛機提供前飛拉力。

在巡航模式時，動力電池處于充電狀態(tài)，電推進(jìn)子系統(tǒng)從發(fā)電子系統(tǒng)提取所需的功率滿足飛機巡航需求，儲能子系統(tǒng)從發(fā)電子系統(tǒng)提取充電功率，能源分配子系統(tǒng)根據(jù)動力電池電量對充電功率進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。

在應(yīng)急模式時，能源分配子系統(tǒng)自動從動力電池提取電功率給電推進(jìn)子系統(tǒng)，滿足飛行平臺失去發(fā)電功率時的應(yīng)急著陸需要，保證飛行安全。

混合動力系統(tǒng)主要性能參數(shù)滿足飛行平臺使用需求，5min最大起飛功率≥80kW，巡航功率≥50kW，最大使用高度為4000m，應(yīng)急著陸功率≥40kW。

集成驗證

在子系統(tǒng)地面試驗中，完成了發(fā)電子系統(tǒng)試驗，對發(fā)電子系統(tǒng)的功能和性能進(jìn)行了驗證，試驗過程中系統(tǒng)功能正常、完整，發(fā)動機本體未出現(xiàn)振動超標(biāo)、超溫等異?，F(xiàn)象。電推進(jìn)子系統(tǒng)試驗包括電動機空載試驗和帶槳試驗，驗證了電動機工作的性能和可靠性，試驗結(jié)果滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

電推進(jìn)子系統(tǒng)帶槳試驗

為了完成混合動力系統(tǒng)整機臺架試驗，全新搭建了地面移動試驗臺，對系統(tǒng)的功能、性能進(jìn)行了調(diào)試及驗證，系統(tǒng)各項功能完整，起飛狀態(tài)電動機輸出功率達(dá)到70kW，螺旋槳轉(zhuǎn)速滿足飛機要求，試驗過程中未出現(xiàn)強烈振動、異響、煙霧或排氣火焰異常、超轉(zhuǎn)、超溫、滑油低壓差警告等異常狀況。

混合動力系統(tǒng)地面性能試驗

配裝混合動力系統(tǒng)的SA60L飛機

200～300kW級油電混合動力系統(tǒng)

配裝SA60L飛機在地面進(jìn)行了10h持久驗證試驗，對飛行載荷譜和地面滑跑譜進(jìn)行了摸底；完成了電源故障試驗，系統(tǒng)在斷開交流發(fā)電機電源后能自動切換到動力電池供電，螺旋槳轉(zhuǎn)速平穩(wěn)。

2022年3月，混合動力系統(tǒng)配裝SA60L飛機完成首飛，在真實飛行條件下驗證了混合動力系統(tǒng)的集成關(guān)鍵技術(shù)，確認(rèn)了該油電混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局靈活、動力響應(yīng)迅速、功率分配智能、安全裕度高的突出優(yōu)勢，為后續(xù)更大功率混合動力系統(tǒng)的研制和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供了借鑒。

200～300kW級混合動力系統(tǒng)

兆瓦級油電混合動力系統(tǒng)

中國航發(fā)動研所以城市空中交通、城際無人機貨運以及電動通用航空動力需求為牽引，針對飛行平臺對混合動力系統(tǒng)高適應(yīng)性、高安全性和高拓展性的發(fā)展需求，在自主研制的200～300kW級渦軸發(fā)動機基礎(chǔ)上，開展了200～300kW級混合動力系統(tǒng)集成演示驗證研究，計劃2025年配裝1.5t級油電混合動力復(fù)合翼垂直起降無人機完成飛行演示驗證。

兆瓦級混合動力系統(tǒng)

針對大型電動垂直起降飛行器、電動通勤飛機和小型支線飛機等應(yīng)用場景，中國航發(fā)動研所基于AES100民用渦軸發(fā)動機分別開展了1MW級串聯(lián)架構(gòu)和2MW級并聯(lián)架構(gòu)混合動力系統(tǒng)研制，計劃于2025年完成混合動力系統(tǒng)地面驗證，后續(xù)視飛行平臺需求開展飛行驗證和工程研制。

結(jié)束語

當(dāng)前，國內(nèi)低空空域管理改革不斷深化，通用航空基礎(chǔ)設(shè)施不斷完善，各級政府和各類市場主體紛紛投身通用航空產(chǎn)業(yè)，通用航空領(lǐng)域顯示出強大的內(nèi)生動力，除傳統(tǒng)的業(yè)務(wù)外，城市空中交通、無人貨運等應(yīng)用場景需求不斷得到激發(fā)，大大激發(fā)了混合動力系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用。當(dāng)前，油電混合動力系統(tǒng)發(fā)展已具備堅實基礎(chǔ)，隨著后續(xù)航空電機、電力電子、儲能系統(tǒng)等技術(shù)的進(jìn)步，油電混合動力系統(tǒng)可迅速應(yīng)用到垂直起降城市通勤飛機、通用飛機等場景，實現(xiàn)我國航空動力領(lǐng)域的換道超車，為全面實現(xiàn)民用航空運輸業(yè)的碳達(dá)峰和碳中和貢獻(xiàn)力量。