面向2050净零碳排放：高温超导电机作为航空电推进革命性使能技术的战略必然性分析

随着全球航空业对节能减排与可持续发展的迫切需求，航空电推进系统已成为下一代飞机动力革命的核心方向。传统电机受限于功率密度与效率瓶颈，难以满足大型航空器对兆瓦级推进系统的严苛要求。高温超导（HTS）电机凭借其高功率密度、高效率、低损耗等优势，为航空电推进系统提供了突破性解决方案。本文系统梳理了面向电动航空的高温超导电机技术的研究进展，深入剖析了超导电动系统的核心原理与架构，分类阐述了超导电机的基本拓扑结构，详细探讨了超导电机本体的关键技术，综述了国内外典型应用案例，并对未来技术发展方向进行了展望。

 

第一章 引言：航空电推进与超导电机的必然融合

进入二十一世纪第三个十年，全球航空运输业面临的环境压力与日俱增。根据国际民航组织（ICAO）的统计，航空业贡献了全球约2.5%的人为二氧化碳排放量，且随着航空运输量的持续增长（年均增长率约5%），这一比例预计将在未来几十年内大幅上升。与此同时，传统航空发动机产生的氮氧化物（NOx）、硫化物以及细颗粒物排放对机场周边及高空环境的污染问题日益受到关注。在此背景下，欧盟“航迹2050”计划提出了至2050年将航空二氧化碳排放量削减75%、氮氧化物排放减少90%、噪声降低65%的宏伟目标，这标志着航空动力系统必须进行一场深刻的技术革命。

飞机电气化被认为是实现这一目标最具前景的路径。其核心在于将能量产生、分配与推进功能进行解耦，从而允许各子系统在其最优工况下独立运行，极大提升了整体能源利用效率。然而，航空电推进的规模化应用，特别是针对大型商用飞机（100座级以上），面临着根本性的“功率-重量”壁垒。传统电磁电机依赖于铜绕组和硅钢片铁芯，其功率密度受限于材料饱和磁密（约2.0 T）和绕组电流密度（通常低于10 A/mm²）。目前，最先进的航空级常规电机的功率密度约在2.5 kW/kg左右，这远低于现代高涵道比涡扇发动机核心机高达8 kW/kg的功率密度。这一差距意味着，若采用常规电机实现同等推力，推进系统的重量将变得不可接受，从而严重抵消电气化带来的效率增益。

高温超导材料的出现，为打破这一物理限制提供了可能。自1986年发现铜氧化物高温超导体以来，特别是第二代稀土钡铜氧（ReBCO）带材和镁二硼（MgB2）线材的工程化量产，使得在液氮温区（77 K）或更高温度下实现强电应用成为现实。高温超导电机利用超导绕组在直流状态下近乎为零的电阻特性，可承载比铜导线高出两个数量级的电流密度（超过100 A/mm²），从而产生高达数特斯拉的强磁场。这一特性带来了双重优势：其一，极高的气隙磁密大幅提升了电机的扭矩密度和功率密度；其二，强磁场允许减少甚至取消定子铁芯中的硅钢片用量，转而采用更轻的非磁性复合材料支撑绕组，进一步减轻了电机重量。研究表明，针对航空应用优化设计的高温超导电机，其功率密度有望突破10-15 kW/kg，这不仅能够匹配甚至超越传统热机的功率密度水平，而且其效率可超过99%，显著高于常规电机（典型效率95-97%）。

因此，高温超导电机已非一种替代性选项，而是实现大型飞机全电化或深度混合电推进的使能技术和必然选择。它将电推进系统的适用性从轻型通用航空飞机，拓展到了单通道乃至双通道干线客机，开启了绿色航空的新纪元。

 

第二章 超导电动系统核心原理及方案架构

超导电动系统的基本理念是利用高温超导材料构建高效、轻量的发电与电动机组，并结合先进能源管理策略，构成完整的航空电推进链。根据能源供给与动力耦合方式的不同，主要可分为纯电力超导电动推进系统与混合动力超导电动系统两大类。

2.1 纯电力超导电动推进系统

该系统完全依赖机载储能装置（如电池、燃料电池）或可再生能源（如太阳能）为超导电动机供电，驱动桨扇产生推力。其架构简洁，实现了完全的零排放。然而，受限于当前储能技术的能量密度与功率密度，该系统仅适用于轻型、短程通用航空飞机或无人机。例如，采用氢燃料电池与超导电机组合的方案，虽能实现零碳飞行，但储氢系统的体积与重量仍是重大挑战。因此，纯电系统在可预见的未来主要定位于支线或特殊用途航空器。

2.2 混合动力超导电动系统

为兼顾长航程与减排需求，混合动力系统结合了传统航空发动机的高能量密度与超导电系统的高效率、高功率密度优势，是现阶段大型飞机电推进的主流研究方向。其又可分为并联式与串联式两种架构。

并联式混合动力系统中，航空发动机与超导电动机通过机械传动装置（如齿轮箱）共同驱动同一桨扇。超导电机既可作电动机提供辅助推力，也可作发电机在发动机功率富余时回馈电能至储能单元。此架构的优点是能直接利用发动机的高功率输出能力应对起飞、爬升等高功率需求阶段。波音公司提出的“Sugar Volt”概念机即采用了通用电气研发的并联混合动力架构，探索了5.3 MW级超导电机与传统涡扇发动机的协同工作模式。然而，机械传动装置的引入增加了系统复杂性与重量，且存在功率耦合控制难度大、效率提升受限等问题。

串联式混合动力系统（亦称涡轮发电超导电动系统）被广泛认为是最具前景的大功率航空电推进方案。在该架构中，航空发动机（通常是高效燃气涡轮）完全与推进器解耦，其唯一功能是驱动一台超导发电机发电。所产生的电能，结合储能系统的补充，直接供给布置于飞机各处的多台超导电动机，驱动分布式涵道风扇产生推力。此方案的革命性优势在于：

效率最大化：燃气涡轮可始终运行在其最高效率的恒定工况点，不受飞行阶段推力变化的影响，燃油消耗显著降低。

设计灵活性：推进单元（电动机+风扇）可分布式布置于机翼、机身等处，通过“边界层抽吸”等效应提升整体气动效率，并降低噪声。

功率 scalability：通过增加发电机与电动机的数量和功率，可线性扩展系统总功率，适用于从支线客机到大型宽体机的各类平台。

NASA的N3-X概念机是此方案的典范，其设计采用两台涡轴发动机驱动总功率约50 MW的多台超导发电机，为机翼后缘分布的多个超导推进单元（总推进功率约35 MW）供电。

2.3 闭环液氢冷却与燃料一体化方案

一个尤为创新的概念是将液氢同时作为超导系统的冷却工质和涡轮发动机的燃料。液氢首先流经超导发电机和电动机的低温冷却系统，带走热量以维持超导态，吸热汽化后的氢气再被送入燃烧室作为清洁燃料。此方案不仅高效解决了超导设备的低温维持难题，更实现了能源载体的多功能一体化利用，代表了未来绿色航空动力系统的终极形态之一。

第三章 超导电机基本分类与拓扑结构

超导电机根据其功能可分为超导发电机和超导电动机；根据磁场方向与转子结构，又可细分为多种拓扑。

3.1 超导电机基本分类

按功能分：超导发电机（将机械能转换为电能）、超导电动机（将电能转换为机械能）。

按同步性分：超导同步电机（转子磁场与定子旋转磁场同步）、超导异步电机（又称感应电机，转子转速低于旋转磁场转速）。

按气隙磁场方向分：径向磁通电机（磁场沿半径方向穿过气隙，最为常见）、轴向磁通电机（磁场沿轴向穿过气隙，结构更扁平）。

按电枢绕组类型分：常规铜绕组电枢超导励磁电机、全超导电机（电枢与励磁绕组均采用超导材料）。

3.2 超导电动机拓扑结构

1. 径向间隙超导同步电动机

这是目前研究最广泛的拓扑。其转子励磁绕组由高温超导带材绕制，浸泡在低温容器（杜瓦）中，由旋转低温耦合器维持低温。定子通常采用常规铜绕组或低温非超导绕组。超导转子产生极强的直流励磁磁场（可达数特斯拉），穿过径向气隙与定子绕组产生的旋转磁场相互作用产生转矩。其优点在于技术相对成熟，功率密度高，调速性能好。挑战在于旋转密封、低温传递以及转子抗离心力的机械设计。

2. 轴向间隙超导同步电动机（盘式电机）

其磁场方向与电机轴平行，定转子沿轴向排列，呈盘状结构。超导励磁绕组可置于转子或定子上。这种结构磁路短，漏磁小，具有更高的转矩密度和更紧凑的轴向尺寸，尤其适合安装在翼尖或机身尾部的分布式推进吊舱内。然而，其轴向磁力巨大，对轴承和结构强度要求极高，冷却系统的布置也更为复杂。

3. 超导异步电动机

其转子通常为鼠笼式或带常规绕组的铁芯结构，无需滑环和电刷，结构坚固。定子绕组可采用超导材料，以降低铜损并提高气隙磁密。超导异步电机具有固有的启动转矩大、转速调节范围宽、对转子失步不敏感等优点，鲁棒性较强。但其功率因数和效率通常低于同步电机，且超导定子在交流工况下的交流损耗管理是一大难题。

3.3 超导发电机拓扑结构

1. 轴径向间隙超导同步发电机

这是超导发电机的经典构型，与前述径向超导同步电动机原理相同但能量流向相反。燃气涡轮直接驱动超导转子高速旋转（通常为数千至上万rpm），产生强大且稳定的直流磁场。定子三相电枢绕组切割磁力线发出交流电。该拓扑适用于作为涡轮发电单元的核心，关键技术在于高速旋转下超导绕组的动态稳定性与冷却。

2. 超导单极发电机

一种直流发电机。其超导励磁线圈产生轴向磁场，导电盘（转子）在磁场中旋转，通过径向电刷从盘轴和边缘引出直流电。结构简单，无换向器，可产生极低电压、超大电流的直流电，适合于某些特定配电架构或电解负载。但其电压低，功率转换系统复杂，且电刷存在磨损问题。

3. 超导爪极发电机

一种结构特殊的同步发电机。其定子为常规电枢绕组，转子由两个带爪形磁极的导磁端盖和位于中间的轴向超导励磁线圈组成。超导线圈固定不转，避免了旋转密封难题，仅爪极铁芯旋转。磁场路径复杂，漏磁较大，功率密度通常低于旋转励磁型，但其静止超导绕组的冷却系统设计大大简化，可靠性高。

4. 超导磁通切换发电机

一种定子永磁（或定子超导励磁）型电机。其电枢绕组和励磁源（永磁体或超导线圈）均置于定子，转子为凸极导磁铁芯，无任何绕组。当转子旋转时，定子齿部的磁通发生周期性切换，从而在电枢绕组中感应出电动势。该拓扑转子极为坚固，适合超高速运行。采用超导励磁线圈可进一步提升其功率密度。

5. 超导磁齿轮发电机

融合了磁齿轮与发电机功能的复合拓扑。它利用磁场调制原理，将高速、低转矩的涡轮转子运动，通过静止的调磁环，转换为低速、高转矩的发电机转子运动，从而可直接驱动发电机转子发电而无需机械齿轮箱。集成超导励磁可显著增强磁场，提高转矩密度和传输效率，实现高功率密度、无接触传动的发电，是极具潜力的紧凑型发电解决方案。

 

第四章 超导电机本体关键技术与特点

实现高性能航空超导电机，需要攻克一系列跨学科的关键技术挑战。

4.1 超导材料与绕组技术

第二代高温超导带材：目前以ReBCO（稀土钡铜氧）带材为主流，其在液氮温区（77 K）以上即可工作，临界电流密度高，机械性能较好。用于电机励磁绕组时，需解决带材在交变磁场下的各向异性、交流损耗、以及机械应力下的性能退化问题。

绕组工艺：超导绕组需采用特殊的绕制、绝缘和加固工艺。常见的线圈形式有跑道线圈、双饼线圈等。绕组必须能够承受巨大的电磁力（尤其是旋转时的离心力）和热循环应力。真空浸渍环氧树脂是实现力学稳定化和导热的常用方法。

电流引线：连接室温电源与低温超导线圈的过渡部件，是重要的热泄漏源。需采用分段式设计，结合高温超导段，以最小化传导热负荷。

4.2 超导电枢绕组技术挑战

若追求极致性能，采用全超导电枢（定子绕组也为超导），可大幅降低损耗、减轻重量。但超导材料在交变磁场和交流电流下会产生磁滞损耗、涡流损耗等交流损耗，导致发热，威胁超导态。因此，全超导电枢需使用极细丝化或条纹化的超导带材以减小损耗，并配以极其高效的低温冷却。目前技术难度极大，多数方案仍采用低温（非超导）铜绕组或铝绕组。

 

4.3 超导转子技术

转子是超导电机的核心和难点。

低温转子设计：超导线圈必须置于20K-40K的低温环境中。转子内部需集成高效低温冷却通道（如氦气循环冷却或传导冷却），并配备旋转密封接头，实现从静止制冷机向旋转部件的冷量传递。

电磁与机械设计：需在强磁场、高转速、极低温的耦合环境下，进行多物理场协同设计。转子结构材料（如杜瓦、支撑件）需同时具备高强度、低热导率和低磁化率（避免附加损耗）。

失超保护：当局部超导态被破坏（失超）时，电阻产热会迅速蔓延，必须配备灵敏的失超检测系统和快速的能量泄放电路，防止线圈烧毁。

4.4 低温系统技术

可靠、轻量、高效的低温系统是超导电机运行的基石。

制冷方式：航空应用优先追求轻量化和高可靠性。闭循环低温制冷机（如斯特林制冷机、GM制冷机）是主要选择，其可与电机高度集成。

热管理与绝热：需采用多层真空绝热、高性能辐射屏等技术，最大限度减少辐射和残余气体传导漏热。旋转部件与静止部件之间的热连接点是设计瓶颈。

系统集成与减重：低温系统的重量必须计入电机总功率密度核算。紧凑化、轻量化集成设计，以及利用飞机已有冷源（如液氢、燃油）是发展方向。

4.5 绝缘技术

超导电机的绝缘系统面临独特挑战：

低温绝缘材料：定转子绝缘材料必须在极低温下保持良好的电气强度、力学性能和粘结性能。常用材料包括聚酰亚胺薄膜、环氧树脂、玻璃纤维增强复合材料等。

循环应力耐受：电机经历剧烈的热循环（室温-低温）和电磁力循环，绝缘层易出现开裂、脱层，需具备优异的抗疲劳特性。

局部放电抑制：在低气压、低温环境下，局部放电特性与常温不同，需专门设计绝缘结构和工艺予以抑制。

 

第五章 国内外超导电机航空应用案例

5.1 国外典型案例

美国NASA/GE N3-X计划：如前所述，这是最雄心勃勃的涡轮-电超导分布式推进验证项目，旨在验证50MW级超导发电与推进系统的可行性。

美国波音“Sugar Volt”：较早探索并联混合动力架构，明确了兆瓦级超导电机在提升传统飞机燃油经济性方面的潜力。

欧洲“ASuMED”项目：由欧盟“地平线2020”资助，旨在开发一款基于镁 Diboride（MgB2）超导线的1 MW级航空用超导电机原型机，目标功率密度>5 kW/kg。

德国宇航中心（DLR）与空客合作：正在开展多项研究，评估不同超导电机拓扑在未来混合动力飞机上的适用性，并进行关键子系统测试。

日本经济产业省（METI）项目：支持国内企业与研究机构开发用于区域飞机（如100座级）的混合电推进系统，其中包含超导发电机和电动机的研发。

 

5.2 国内研究进展

我国在面向航空的超导电机技术领域已启动系统性布局。

国家层面科研计划：国家重点研发计划“可再生能源与氢能技术”等重点专项中，已部署针对航空超导电机关键技术的研究课题。

高校与研究机构：中国科学院电工研究所、清华大学、浙江大学、北京航空航天大学、西北工业大学等机构在超导电机电磁设计、低温系统、动力学分析等方面开展了大量基础与前沿研究，已成功研制出数百千瓦级超导电机实验样机。

企业参与：中国商飞、航空工业集团等相关单位正密切关注并参与前期研究，旨在将超导技术路线纳入未来国产大飞机的技术发展蓝图。国内超导材料企业（如上海超导、苏州新材料研究所等）在第二代高温超导带材的产业化方面也取得了长足进步，为工程应用提供了材料基础。

 

第六章 技术发展展望与结论

6.1 技术发展展望

面向电动航空的超导电机技术正从实验室走向工程验证，未来十年将是其发展的关键窗口期。主要发展趋势和攻关方向包括：

材料进步：开发更高临界电流密度、更强机械性能、更低交流损耗的下一代高温超导带材（如第三代超导材料），并降低成本。

拓扑创新：继续探索和优化适用于航空严苛环境的新型拓扑，如超导磁齿轮电机、部分超导电机等，以在性能、可靠性和复杂性间取得最佳平衡。

多物理场深度集成设计：发展融合电磁-热-力-流体耦合的精细化仿真平台，实现从部件到系统的协同优化设计，特别是轻量化低温系统与电机本体的深度融合。

高动态与容错控制：研究超导电机在复杂飞行工况下的高性能控制策略，以及绕组局部失超情况下的容错运行与保护技术。

系统级验证与适航：从单台兆瓦级样机研制，逐步走向与涡轮、储能、风扇集成的推进系统地面集成验证，并最终开展飞行测试。制定与超导航空动力系统相关的适航标准与规范是商业化的前提。

成本与可靠性工程：通过模块化设计、规模化生产和完善的维护体系，降低全生命周期成本，并满足航空业极端严格的可靠性要求。

6.2 结论

航空业向绿色、可持续发展转型的浪潮不可逆转，电推进是这一转型的核心技术路径。高温超导电机以其颠覆性的高功率密度和高效率潜力，已成为突破大型飞机电推进功率瓶颈最具希望的技术选择。尽管在超导材料、低温工程、系统集成等方面仍面临一系列科学与工程挑战，但国内外持续增加的研发投入和不断涌现的技术突破，正加速其从概念走向现实。

可以预见，超导电机将率先在混合电推进系统中崭露头角，特别是串联式涡轮发电架构，为下一代支线乃至单通道干线飞机提供革命性的动力解决方案。随着超导技术、电力电子和航空技术的不断融合与成熟，一个以超导电推进为标志的“清洁航空”新时代正在向我们走来。我国需把握这一战略性技术机遇，加强基础研究、材料研制和工程攻关的协同，力争在未来全球绿色航空产业链中占据主导地位。

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