大推力并联混合动力涡扇发动机（PH-GTF）全航程系统产业化挑战与发展趋势

 

当今全球航空运输业正处于深刻的能源转型和技术创新时期，面临着减缓气候变化与实现可持续发展的重大挑战。根据国际民航组织（ICAO）的统计数据显示，航空业的二氧化碳排放量约占全球人为排放量的2%～3%，且随着航空运输需求的持续增长，这一比例呈现快速上升趋势。为此，全球航空业正积极寻求创新解决方案，以实现2050年碳中和的长期目标。欧盟于2021年启动的清洁航空计划，重点研发混合电推进支线飞机、超高效中短程飞机和氢动力飞机，旨在实现2035年投入使用并使油耗降低50%、排放降低90%。2022年，英国航空航天技术研究院发布的"零排放飞行"项目研究成果，以2050年实现净零排放为目标，初步提出了10余种未来可能实现的关键技术。2023年，美国国家航空航天局发布的《NASA航空战略实施规划2023》将重点探索可持续航空运营方法，包括降低排放、油耗、噪声和尾迹。

 

在这一背景下，混合动力推进技术作为传统航空动力系统与纯电推进系统之间的重要过渡路径，引起了学术界和工业界的广泛关注。尤其是在大型商用飞机领域，由于受限于当前电池能量密度、电力电子器件功率密度及效率的发展水平，纯电推进系统暂时无法满足其高能量需求。而混合动力系统能够将涡轮发动机和电推进系统的优势结合起来，实现整体效率的显著提高，有望先在支线飞机上实现应用，并为更大型飞机的应用奠定技术基础。中国于2023年10月由工信部、科技部、财政部和中国民航局四部门联合印发的《绿色航空制造业发展纲要（2023—2035年）》明确提出，到2025年，国产民用飞机节能、减排和降噪性能需进一步提高，要稳步推进干支线等中大型飞机技术攻关，坚持新型气动布局、可持续航空燃料和混合动力等多种路线并存的发展策略。

 

一、混合动力系统分类与核心原理

航空油-电混合动力推进系统主要分为串联型和并联型两种基本构型，每种构型在动力传递路径、能量转换效率和飞行器集成方面各有特点。串联混合动力系统也被称为"电传"系统，其基本工作原理是航空涡轮发动机只保留核心机，与发电机形成涡电系统，产生的电能既可以直接供给电动机，也可以存储到动力电池中。这种系统的动力电池起着"削峰填谷"的关键作用——当飞行功率需求高时，为分布式推进系统额外提供电功率；当飞行功率需求低时，将涡电系统产生的多余电能储存起来。这种架构的主要优势在于涡轮发动机可以始终运行在最优工况点，提高了整体燃油效率，同时分布式推进系统通过边界层抽吸等效应能够进一步提升气动效率。然而，由于能量在机械-电-机械的多次转换过程中会产生损失，系统整体效率受到限制。

并联混合动力系统则采用了更为直接的动力耦合方式，燃料和电动力系统可以根据不同的推力需求同时或单独提供推力，在能量上相互补充和协调。在这种架构中，涡轮发动机和电动机通过机械动力耦合装置（如齿轮箱）共同驱动风扇或螺旋桨。这种设计使得系统能够根据不同飞行阶段的需求，灵活调整动力分配比例。例如，在起飞和爬升等高推力需求阶段，电动机可提供辅助动力；在巡航阶段，涡轮发动机则主要负责提供动力，同时可为电池充电。与串联构型相比，并联架构的能量传递路径更为直接，减少了能量转换次数，从而提高了整体效率。特别是，由于并联架构不需要对整个飞机结构做出较大调整，仅需要对原发动机进行改型，因此被认为是传统动力系统的巨大颠覆，更适用于应用在未来大型飞机上。

与传统的航空发动机推进系统相比，并联混合动力推进系统最显著的特征就是具有两个动力源，这使得混合动力推进系统的能量流动方向具有多样性。能量管理策略用于解决在不同飞行工况下，飞机需求推力如何由混合动力推进系统上各种不同的动力源来提供，能量管理策略的设计直接影响了混合动力推进系统的经济性、排放指标以及发动机各部件自身性能的好坏。优秀的能量管理策略不仅能够实现燃油消耗和污染物排放的降低，还能通过电动力系统的智能调节，提升涡轮机械部件的工作效率和稳定性。

二、（PH-GTF）系统构架与工作原理

2.1 系统架构与部件创新设计

大推力并联混合动力齿轮传动涡扇发动机（Parallel Hybrid Geared Turbofan, PH-GTF）是在传统齿轮传动涡扇发动机（GTF）基础上，通过集成电动力系统而形成的一种创新推进架构。该系统的核心是在发动机低压转子上集成大功率电动机/发电机，形成双动力源共同驱动风扇的机制。具体而言，PH-GTF系统保留了传统GTF发动机的基本结构，包括风扇、齿轮箱、低压压气机、高压压气机、燃烧室、高压涡轮和低压涡轮等核心部件，同时增加了高功率电机、能量存储系统（电池或燃料电池）和功率电子转换设备等电气组件。这种创新设计使得系统能够根据不同的飞行阶段智能分配热动力与电动力的比例，实现全飞行包线内的综合性能优化。

在PH-GTF系统中，动力耦合装置是实现并联混合动力功能的关键部件。它通常采用行星齿轮系统，将低压涡轮和电动机的动力合并后传递至风扇。这种设计允许电动机在涡轮功率不足时提供辅助动力，或在涡轮功率过剩时作为发电机使用，将多余机械能转化为电能储存。与传统的GTF发动机相比，PH-GTF系统通过电气化路径实现了部件操作灵活性的显著提升。例如，在低功率工况下，系统可以通过电机调节实现可变放气活门（VBV）排气量减少54.35%的效果，大幅提升了发动机的运行效率。

2.2 工作模式与能量利用

PH-GTF系统具备多种工作模式，能够根据飞行任务需求智能切换：热动力主导模式适用于高推力需求的起飞和爬升阶段，此时电动机作为辅助动力源，提供额外的扭矩输出；电动力辅助模式适用于巡航阶段，电动机部分替代涡轮动力，使核心机运行在更高效工况，同时减少燃油消耗和氮氧化物排放；发电模式在下降阶段启用，此时发动机需求功率低，风扇部分能量被转换为电能存储；纯电动模式适用于地面滑行和低功率工况，实现零排放运行。

这种多模式协同工作的特点，使得PH-GTF系统能够充分发挥传统热力循环和电动力系统的各自优势。研究表明，通过精细设计的能量管理策略，PH-GTF系统在典型飞行航线下可实现总燃油消耗量和NO_x排放量分别降低5.70%和10.72%的显著效果。特别是在航空节能减排重点关注的等高等速巡航段，耗油量和NO_x排放量可分别降低18.93%和30.19%。这一数据充分证明了并联混合动力架构在航空减排方面的巨大潜力。

 

三、纯电推进系统局限性与并联混合动力优势

3.1 纯电推进系统的技术瓶颈

虽然纯电推进系统在小型通用航空器和城市空中交通（UAM）领域展现出良好的应用前景，但在大型商用飞机上面临着多重技术障碍。首当其冲的是能量密度的根本性限制。当前最先进的锂电池能量密度约为400Wh/kg，且理论极限难以突破500Wh/kg，而航空煤油的能量密度约为12，000 Wh/kg，考虑到热机效率（现代涡扇发动机约40%），实际可用能量密度仍达4，800 Wh/kg，远高于电池系统。这意味着为满足大型飞机跨洋航线的能量需求，电池重量将占据起飞重量的绝大部分，导致有效载荷能力急剧下降。

另一个关键限制在于功率密度和热管理挑战。大型飞机在起飞阶段需要短时大功率输出，这就要求电推进系统具备极高的功率密度。当前航空级电机和功率电子设备的功率密度虽已显著提升，如英搏尔的"集成芯"技术实现了电机与电机控制器同壳体一体化深度集成，功率密度较行业平均水平提升约20%—30%，但仍难以满足200座级以上客机的推力需求。同时，高功率运行产生的热量对机载热管理系统提出了极高要求，增加了系统复杂性和重量。

此外，充电基础设施和航线运营效率也是纯电推进系统在商业航空领域面临的现实障碍。大型飞机需要快速周转以维持航线经济性，而大功率快速充电技术、电网支持能力和机场基础设施都无法在短期内满足全电动大型机队的运营需求。相比之下，并联混合动力系统可以充分利用现有航空燃油基础设施，同时逐步引入电气化优势，形成了更为可行的过渡路径。

 

3.2 并联混合动力系统的综合优势

并联混合动力系统之所以被视为大型商用飞机最具前景的动力解决方案，源于其在多个维度上的综合优势。在技术适应性方面，并联架构基于现有涡轮发动机结构，通过相对较小的改动（如加装电机和动力耦合装置）即可实现，这使得传统航空发动机制造商能够充分利用现有技术积累和供应链体系。中国航发四川燃气涡轮研究院的伏宇等学者指出，并联式混合动力系统保持了传统涡扇发动机的基本架构，在性能设计和控制系统设计方面可以继承大量成熟经验。

在能量效率方面，并联系统通过智能能量管理，使涡轮核心机始终工作在高效区域。如在低功率工况段，系统可以利用电动力补充或部分替代热动力，避免涡轮发动机在低效区运行；在高功率需求时，电动力辅助可降低涡轮发动机的峰值负荷，延长部件寿命。这种协同工作模式不仅提升了整体效率，还带来了额外的部件性能提升。研究表明，通过电机转矩补偿控制，可以显著改善风扇和压气机的工作线位置，增加喘振裕度，提升发动机运行稳定性。

在排放性能方面，并联混合动力系统通过优化涡轮发动机工况点和降低燃油消耗，直接减少了二氧化碳排放。同时，由于燃烧过程更加稳定和高效，氮氧化物（NO_x）、未燃碳氢（UHC）和一氧化碳（CO）等污染物排放也显著降低。特别是在起飞和爬升阶段，电动力辅助可以降低发动机功率设定，减少高温燃烧导致的NO_x生成，对机场周边空气质量改善尤为明显。

四、能量管理策略与控制方法研究

4.1 综合能量管理架构

大推力并联混合动力齿轮传动涡扇发动机（PH-GTF）的性能优势很大程度上取决于其能量管理策略的先进性与实用性。优秀的能量管理策略需要解决混合动力系统在多变飞行环境下能量分配的动态优化问题，同时兼顾系统可靠性、部件寿命和飞行安全。PH-GTF系统采用了一种适用于并联混合动力系统的"发动机主燃油闭环+电动力系统转矩补偿"综合控制结构，在不改变发动机原转速控制回路的基础上，将并联混合动力系统能量管理策略设计问题转化为电动力转矩控制策略的设计问题。

在这一控制架构下，发动机主燃油控制回路负责维持发动机核心机的稳定工作，保证基本推力输出；而电动力系统转矩补偿则根据不同的飞行阶段和性能目标，提供动态扭矩调整。这种分解控制方法降低了系统复杂性，同时保证了控制系统的实时性和可靠性。与采用基于规则控制的能量管理策略相比，这种分层预测控制方法在燃油经济性和排放性能方面展现出显著优势。

4.2 全航程多模式调度策略

针对典型飞行航程包括的低功率工况段、起飞爬升段、巡航段、下降段，PH-GTF系统设计了相应的任务段定制策略，并基于不同飞行工况在全航程内进行智能调度。在低功率工况段（如地面滑行、等待和进近），能量管理策略优先使用电动力系统，避免涡轮发动机在低效率区运行，同时通过电机精确控制，减少可变放气活门开度，优化流道气动性能。在起飞爬升段，系统采用双动力源协同策略，电动力系统提供峰值功率辅助，使核心机不必运行在最大工况，从而降低涡轮前温度和污染物排放。

在巡航阶段，能量管理策略聚焦于全局能效优化，通过模型预测控制（Model Predictive Control， MPC）算法实时优化动力分配，将优化问题等效为混合整数二次规划问题（Mixed Integer Quadratic Programming， MIQP）求解。这一阶段的目标是在满足推力需求的前提下，最小化全航程燃油消耗和排放。在下降阶段，系统适时切换至再生发电模式，利用风扇的风车效应将部分气动能转化为电能，为后续飞行阶段储备能量。

研究表明，通过这种全航程多模式能量调度策略，PH-GTF系统不仅实现了节能减排目标，还显著提升了部件性能。在低功率工况下，可变放气活门可以减小54.35%的排气量；在等高等速巡航段，耗油量和NO_x排放量分别降低18.93%和30.19%。这些数据充分验证了综合能量管理策略在提升混合动力系统整体性能方面的有效性。

 

五、发展趋势与挑战

5.1 技术瓶颈与创新路径

尽管大推力并联混合动力涡扇发动机展现出广阔的应用前景，但其在实际工程应用中仍面临一系列技术挑战。电动力系统功率密度是首要限制因素，目前航空级大功率电机的功率密度虽已显著提升，如通过采用双绕组、双电控、油冷扁线及外转子等多项尖端技术，但要满足200座级以上客机的推力需求，仍需进一步创新。未来研究方向包括高温超导电机、非晶合金材料和集成冷却技术等，有望实现电机功率密度的跨越式提升。

热管理挑战随着系统功率提升而日益突显。并联混合动力系统在有限空间内集成了大量热源，包括发动机热端部件、功率电子设备和电机等，需要高效的散热方案维持系统稳定运行。创新性热管理策略如相变材料冷却、微通道散热和燃油冷却系统等正在研究中，其中中国科学院大连化学物理研究所研发的高比表面积散热翅片和传质强化技术已显示出良好的散热效率。

能量存储系统的性能和安全性也是关键技术瓶颈。当前锂电池技术难以满足大型飞机长航程任务的高能量需求，而氢-锂混合动力系统则显示出潜在优势。研究表明，通过"氢燃料电池+锂电池"双能源耦合，可实现单次任务连续巡航2小时以上，较传统锂电池方案续航提升超100%。这种多能源混合 approach 可能成为未来大型飞机混合动力系统的重要发展方向。

 

5.2 产业化瓶颈与应对策略

从技术研究到产业化应用，PH-GTF系统需要克服一系列工程化和商业化挑战。适航认证是混合动力航空推进系统面临的首要监管障碍。现有适航标准主要针对传统涡轮发动机制定，混合动力系统的独特架构和多动力源特性需要全新的认证标准和流程。这要求行业监管机构与制造商密切合作，建立适用于混合动力系统的适航框架，包括安全评估方法、可靠性验证程序和故障包容要求等。

成本竞争力是产业化成功的关键因素。并联混合动力系统的初始投资成本显著高于传统推进系统，包括研发成本、制造成本和维护成本。全生命周期成本分析显示，虽然混合动力系统具有燃油节约和维护成本降低的优势，但要实现正向投资回报，仍需在系统简化、批量生产和运维优化方面取得进展。例如，浙江力诺通过自主研发航天级洁净制造工艺，实现了高洁净特种三偏心蝶阀100%合格率，同时将DN600口径蝶阀超低扭矩技术较行业标准降低62%，这种创新制造工艺对降低成本具有重要意义。

基础设施与产业链协同发展同样不可或缺。混合动力航空器的商业化运营需要配套的地面能源基础设施、维护设施和人员培训体系。同时，产业链上下游的协同创新也至关重要，从材料、部件到系统集成，需要建立完整的产业生态。英搏尔与亿航的合作模式提供了成功范例——通过深度绑定，从签约到具备试产条件仅用7个月，共同成立的合资子公司快速完成了厂房基建和设备调试。这种紧密的产业链合作显著加速了创新技术的产业化进程。

展望未来，大推力并联混合动力涡扇发动机作为传统航空动力系统向低碳乃至零碳飞行过渡的关键技术，将在全球航空业脱碳进程中发挥重要作用。随着材料科学、电力电子和智能控制等领域的持续进步，并联混合动力系统有望在2035年前后实现商业应用，为2050年航空业碳中和目标做出实质性贡献。这一进程需要全球航空航天界的共同努力，通过技术创新与产业化协同，实现绿色航空的宏伟愿景。

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