航空动力系统可分为传统航空动力系统和电推进系统传统民航客机、军用战机等多采用传统航空动力系统,低空飞行器多采用电推进系统,这两种动力系统在短中长距离载人载物等场景中形成互补,发挥各自优势。
传统航空动力系统以燃油发动机为核心,技术成熟,能够提供高功率输出,适合长时间和大载重的飞行,如支线通航、农林作业和中远距货物运输,但具有高能耗、高排放和高噪音问题。
传统航空动力系统主要包括活塞发动机、涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机等。
2024年3月27日,工业和信息化部、科学技术部、财政部、中国民用航空局印发的《通用航空装备创新应用实施方案(2024-2030年)》提出,航空飞行器的新能源化为未来的主要技术方向,重点任务要以电动化为主攻方向,兼顾混合动力、氢动力、可持续燃料动力等技术路线,加快航空电推进技术突破和升级,开展高效储能、能量控制与管理、减排降噪等关键技术攻关。

加快布局新能源通用航空动力技术和装备,开展 400kW 以下混合推进系统研制,推进 250kW 及以下航空电机及驱动系统规模化量产,以及 500kW 级产品应用验证。
电推进系统以分布式电驱动技术为基础,包括燃油、纯电动、混合动力和氢能等多种技术路线。
1)传统燃油动力:能量转化效率较低,且背离现代低碳可持续发展要求,正逐渐被淘汰。传统燃气涡轮航空发动机受材料限制,涡轮入口温度提升困难,导致发动机性能提高受到限制,此外,压气机和涡轮的功率、转速的宽范围匹配也是航空发动机发展的一大难题,需要新的解决途径。

全电动DEP飞机的布局
2)纯电推进:环保性好,能量效率高,且采用的分布式推进系统(DEP)飞行安全性高,因而成为低空经济厂商的主流选择。驱动电机是纯电飞行器的关键部件,要使电动飞行器有良好的安全性、加速性以及使用性能,驱动电机应具有调速范围宽、转速高、效率高且有动态制动强和能量回馈等特点。

混合动力涡轮电动DEP飞机的布局
3)混合电推进系统:通过发动机驱动发电机产生电能并与电池相混合,共同带动电动机驱动涵道风扇产生推力,兼具提升能量转换效率和降低污染排放的优势。增程式混动 eVTOL 在垂直起降阶段采用电池驱动电机,在巡航阶段使用增程器发电驱动电机。
增程式混动 eVTOL 可以大幅降低飞行对电池的损耗和依赖,在拓宽续航能力、降低运营成本、减少对基建设施的依赖性方面更具优势。
4)氢能:兼具高能量密度和环保性,但受制于氢燃料的生产存储运输技术的限制, 现阶段较难实现大规模商用,个别主机厂力争实现技术突破,有望在大机型上率 先应用。
低空飞行器的动力系统多采用分布式电推进系统(DEP)。DEP 采用多台小型电动机分别驱动螺旋桨或涵道风扇,取代传统集中式发动机,多个小功率电机的总效率与大功率电机相当。
其技术优势在于,分布式布局推进系统与气动外形深度融合,在 eVTOL 中采用倾转旋翼或复合构型,通过吹翼效应、边界层抽吸等技术降低阻力,提升飞机低速状态下的升力以实现短距起降,进而可以减小机翼面积从而降低飞机结构重量和巡航阻力以满足长航时飞行需求。
同时,相较于传统燃油发动机 40%的能量利用效率,电能利用效率超过 70%,同时减少噪声和碳排放。此外,分布式推进系统还能够在某些推进器发生故障时,通过调整其他推进器的输 出来维持飞行,从而显著提高了飞行器的可靠性和生存能力。
通过提高飞行器单种动力在宽工况(例如不同飞行速度、高度等)下的效率,可以降低其能量消耗, 并大大提高续航时间,满足长航时的需求。
NASA 提出的 N3-X 涡轮发电分布式电推进飞机
NASA 提出的N3-X 涡轮发电分布式电推进飞机,机身上表面后缘有16个由电机驱动的小型分布式推力风扇,电能由位于翼尖的两台涡轮发电机产生,通过分布式推力风扇加速机身边界层附近的气流,减少飞机阻力和燃油消耗并最大限度地降 低噪音水平,该飞机相比于同类运输机能耗可以降低 60%。
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