飞推一体化设计范式：分布式混合电推进飞行器气动-结构-声学多学科耦合机理与优化方法研究

 

航空动力系统的演进始终与能源利用效率、环境友好性及飞行器性能的跃升紧密相连。进入21世纪，全球航空运输业的快速增长与其带来的碳排放、噪音污染等问题形成了尖锐矛盾，促使国际社会与航空工业界共同寻求绿色转型的突破口。在这一时代背景下，混合电推进系统（Hybrid Electric Propulsion System， HEPS）应运而生，被视为连接传统化石燃料动力与未来纯电驱动的关键桥梁。

一、混合电推进系统的发展历程及时代背景

从技术发展脉络来看，航空电推进并非全新概念，但其大规模应用长期受制于电池能量密度与电机功率密度等核心瓶颈。早期探索主要集中于小型通用航空器或验证机，例如法国Cri-Cri双翼电动飞机等。真正的转折点出现在2010年前后，随着电力电子技术、高能量密度锂电池和先进复合材料的进步，使得为更大型飞行器提供可行的电动力成为可能。美国国家航空航天局（NASA）在这一时期扮演了关键角色，其发布的“N+3代”航空器环境目标（要求耗油率降低70%、氮氧化物排放降低80%、噪声大幅降低）明确指出，分布式混合电推进系统与翼身融合布局等创新设计是实现这些苛刻目标的唯一可行途径。

推动技术发展的核心驱动力来自双重压力。在环保规制方面，国际民航组织（ICAO）与欧盟“航迹2050”等计划设定了明确的减排降噪路线图，迫使制造商寻求革命性解决方案。在经济与性能需求方面，航空公司对降低燃油成本的永恒追求，以及市场对短距/垂直起降（STOL/VTOL）、低噪音运营的新需求（如城市空中交通），都要求动力系统具备更高的效率、灵活性和可靠性。混合电推进系统通过将燃气涡轮发动机的高功率密度、长航程优势与电推进系统的高效率、低排放、控制灵活特性相结合，完美回应了这些需求。

从军事视角审视，混合电推进系统的意义同样深远。下一代作战平台对电力提取能力的需求呈指数级增长，无论是为先进雷达、电子战系统供电，还是驱动激光等定向能武器，传统涡扇发动机已力不从心。混合电推进系统不仅能提供充沛电力，其分布式布局带来的冗余性、低红外特征以及实现短距/垂直起降的潜力，将直接提升作战平台的生存力、部署灵活性和任务效能。因此，美欧等航空强国均从国家战略层面，通过一系列长期科研计划（如NASA的SFW、AAVP，欧盟的Clean Sky 2等）持续投入，牵引该技术从概念走向工程现实。

 

二、分布式电推进飞行器的发展历程

分布式电推进技术的发展，是一个从气动效益理论探索，到部件技术攻关，再到集成验证机试飞的循序渐进过程。其发展历程紧密围绕着一个核心目标：通过推进系统与机体结构的深度一体化融合，突破传统飞机设计的效率极限。

早期的研究侧重于理论分析与缩比验证。NASA的“前缘异步螺旋桨技术”（LEAPTech）项目是这一阶段的代表。研究人员在一段改造的卡车顶上安装了一个搭载18台电动马达的缩比机翼，进行地面滑跑测试，实地验证了多个小直径螺旋桨沿翼前缘分布，能够显著增加机翼的有效升力系数，并延迟失速迎角。这项研究为后来的X-57验证机奠定了直接的技术基础。与此同时，针对未来大型亚声速客机的概念研究也在同步展开。波音公司在NASA“亚声速超绿色研究”（Sugar）计划下提出的“Sugar Volt”概念机，以及NASA自身提出的涡轮电分布式推进（TeDP）系统驱动的N3-X翼身融合体概念机，都描绘了利用分布式电推进实现革命性节能减排（油耗降低70%以上）的宏伟蓝图。N3-X概念尤为激进，它设想用两台翼尖安装的超导涡轴发动机驱动发电机，为嵌入机身尾部的十多个超导电动推进器供电，几乎完全重构了飞机的形态。

随着高功率密度永磁电机、先进锂电池和数字电控技术的成熟，DEP技术进入了全尺寸验证机研制阶段。X-57项目是这一阶段的里程碑。该项目系统性地验证了DEP飞机的设计、集成与测试全流程。从最初的基础性能测试（第一阶段），到安装电力系统和巡航电机（第二阶段），再到换装大展弦比复合材料机翼（第三阶段），最后完成全DEP布局整合（第四阶段），X-57项目为DEP技术的适航取证和安全性评估积累了宝贵的数据和经验。在欧洲，Clean Sky 2计划下的缩比飞行演示器（DEP-SFD）项目则采用了另一种务实路径。该项目基于一款现有小型飞机平台，通过改装搭载6台电机螺旋桨的DEP机翼，在2022年至2024年间成功进行了飞行测试，将相关技术的技术就绪度提升至了TRL 5级，其主要目标是降低DEP技术在动态响应和操稳特性方面的工程风险，并验证了该构型可实现20%的航段油耗降低与15%的重量减轻。

近年来，DEP技术的发展重点从单纯的飞行验证，转向面向具体市场应用的产品化研制和系统深度优化。这包括为eVTOL设计紧凑高效的混合动力系统，研究 DEP飞机的电网稳定性与能量管理策略，以及利用多学科设计优化（MDO）工具对飞机总体进行一体化设计。发展历程表明，DEP已从一个具有潜力的气动概念，成长为一套涵盖气动、结构、动力、电气、控制等多学科的完整技术体系，正稳步迈向商业应用。

三、当前电动飞行器的类型与特征

当前，采用电动机驱动的航空器主要沿着两条技术路径发展，分别对应不同的应用场景与性能特点，构成了电动航空的早期生态。

第一类是基于传统构型的固定翼电动飞机。这类飞机通常由现有轻型活塞动力飞机改装而来，用电动马达和电池组直接替换原有的内燃机与燃油系统。一个标志性的案例是美国安飞（Ampaire）公司在塞斯纳337“天空大师”基础上改装的混合电推进验证机。更前沿的探索则聚焦于分布式电推进（DEP）布局。NASA的X-57“麦克斯韦”验证机是这一方向的典范。X-57在改装自泰克南P2006T的平台上，采用了极具创新性的“DEP+大展弦比机翼”设计：原始的两台活塞发动机被移除，取而代之的是两台功率各60千瓦、位于翼尖的巡航电机，以及沿机翼前缘分布的12台小型升力电机（每台功率9千瓦）。这种设计在巡航时利用翼尖螺旋桨削弱涡流以减少诱导阻力，在起降时则通过前缘螺旋桨吹吸机翼上表面产生额外升力，从而允许使用更高效率但低速性能较差的大展弦比机翼，综合提升气动效率。此类飞机的主要目标是通用航空市场，追求节能减排、降低运营成本，并验证DEP技术的可行性。

第二类是电动垂直起降飞行器。eVTOL彻底摆脱了对跑道的依赖，是构建未来城市空中交通（UAM）网络的理想载具。其构型多样，包括多旋翼、复合翼（倾转旋翼/机翼）、升力-巡航式等。例如，法国公司研发的电动直升机原型机，即专注于实现垂直起降与悬停能力。eVTOL的动力系统普遍采用多电机分布式布局，以获得所需的控制冗余与安全可靠性。与固定翼电动飞机相比，eVTOL在起降和悬停阶段需要巨大的瞬时功率，对电池的峰值放电能力（C倍率）和电机的功率密度提出了极高要求，但其巡航速度通常低于固定翼飞机。eVTOL的蓬勃发展，直接推动了高功率密度电机、先进飞控以及紧凑型混合动力系统的技术进步。

综合比较，固定翼电动飞机在航程、速度与载重方面具有天然优势，适合区域性点对点运输；而eVTOL则在起降灵活性与空间接入能力上无可匹敌，瞄准的是城市内或城际短途客运。目前的技术发展呈现出融合趋势：一方面，eVTOL通过采用复合翼等构型努力提升巡航效率以扩大航程；另一方面，固定翼飞机也通过分布式推进技术增强短距起降能力。未来的“可垂直起降的固定翼飞机”正是这一融合趋势的终极体现，它将结合两者的优点，而分布式混合电推进系统正是实现这一目标的核心技术途径。

四、核心构造与工作原理剖析

分布式混合电推进系统（DHEPS）是一种高度集成的复杂系统，其核心思想在于解耦“能量产生”与“推力产生”，并通过电气网络实现能量的灵活分配与高效利用。从构造上，它主要由三大子系统构成：发电子系统、储能子系统和推进子系统，三者通过电力管理分配系统（包括配电总线、变流器、控制器等）有机连接。

发电子系统是系统的“心脏”，通常由一台或多台核心燃气涡轮发动机（涡轴或涡桨）驱动发电机组成。在串联构型中，燃气涡轮发动机完全脱离推进任务，以恒定最优转速运行于最高效率点，专职发电。这种设计使得发动机可以设计得更小、更高效，且不受飞行状态干扰。在并联构型中，电机与发动机通过机械轴连接，可充当电动机（助力模式）或发电机（发电/回收模式），动态调节发动机负载，使其在更宽的工况范围内接近高效区。

储能子系统，目前主要是高比能锂电池组，扮演着“功率缓冲池”和“能量蓄水池”的双重角色。在起飞、爬升等高功率需求阶段，电池与发电机并联输出，提供峰值功率，确保飞行性能，并允许发电机保持较小尺寸。在巡航或下降阶段，电池可以储存发电机多余的电能，或在再生制动（如螺旋桨风车状态）时回收能量。针对eVTOL等对脉冲功率要求极高的应用，混合储能系统（HESS）成为研究热点，即用超导电容或高功率锂电池与高能量锂电池组合，分别应对瞬时高功率和持续能量需求，以延长电池寿命并优化系统重量。

推进子系统是系统的“四肢”，由分布在机翼或机身的多台电动马达及其驱动的螺旋桨/涵道风扇构成。DEP布局的优越性正源于此：多个小直径推进器可以更柔和、更均匀地加速更大面积的机翼表面气流，从而高效地吸入并再加速机身的边界层，将原本耗散的摩擦阻力转化为部分推力，这是实现“边界层抽吸”（BLS）效益、大幅降低等效阻力的物理基础。同时，通过独立、精确地控制每个电机的转速和扭矩，可以实现推力矢量化和差动控制，从而替代或简化部分传统舵面，增强飞行控制能力，并为短距/垂直起降提供动力升力。

其工作原理可简述为：燃气涡轮发动机以高热效率状态将燃料化学能转化为机械能，驱动发电机产生电能。电能与储能电池输出的电能汇集于高压直流母线。电力管理系统根据飞行阶段、功率需求和能量状态（SOC），智能调度各电源的输出比例。电能最终通过逆变器驱动分布于机体各处的电机，电机将电能转化为机械能，驱动螺旋桨产生推力。整个过程通过先进的控制算法，始终追求全任务剖面下的综合能源利用效率最优化，同时确保系统的安全稳定运行。

五、关键技术研究现状

分布式混合电推进技术的成熟与落地，依赖于一系列关键技术的突破与集成。当前的研究热点主要集中在下述几个方面。

5.1 推进系统分布式布局与飞发一体化设计技术

DEP布局并非简单地将多个电机装上机翼，其核心是气动与推进的深度耦合。研究重点在于如何优化推进器的数量、尺寸、位置和转向，以最大化气动收益。例如，螺旋桨滑流对机翼局部流动的激励可以抑制流动分离，但也会增加翼根等区域的局部载荷与振动。研究采用计算流体力学与风洞试验相结合的方法，精确模拟滑流-机翼干扰，优化机翼弯扭分布与推进器布局，以实现减阻增升。NASA对X-57机翼的仿真研究即属此类。

更进一步的是飞发一体化设计。分布式的小尺寸电机和螺旋桨为飞机总体设计带来了前所未有的自由度。推进器可以被嵌入机翼或机身内部，与结构共形，大幅降低安装阻力与噪声。这种一体化设计也带来了挑战，如结构传力路径的重构、电机散热与机翼除冰系统的集成、以及维护可达性等。欧盟DEP-SFD项目在其实验中就对短舱设计和机翼结构修改进行了细致优化。

5.2 混合电推进系统的构型选型与部件匹配设计

系统构型选择（串联、并联或串并联混合）是设计的起点，取决于飞行器的任务需求（航程、速度、起降方式等）。串联构型因其结构简单、燃气涡轮工况稳定、易于实现超大等效涵道比，在支线客机和长航时无人机中备受青睐。并联构型则因其能保留涡扇/涡桨发动机的高速推力特性，适用于对速度有要求的干线飞机或军用飞机。

部件匹配与尺寸设计（Sizing）是核心技术环节。它不是一个简单的功率叠加过程，而是一个涉及能量流与重量迭代的复杂优化问题。研究人员提出基于任务剖面分析的方法：首先根据飞行任务（如80公里eVTOL城市空中出租车任务）绘制全过程的功率-时间需求曲线，识别出峰值功率（起飞/悬停）和持续功率（巡航）需求。然后，以此为依据，协同确定发动机-发电机的额定功率、电池的能量与功率容量、以及电机的峰值/持续功率。目标是在满足性能的前提下，使整个动力系统的重量最小化。研究表明，电池的重量能量密度和电机/发电机的功率密度是影响系统重量的最敏感参数。

5.3 混合电推进系统能源管理与综合控制技术

能源管理策略是混合电推进系统的“大脑”，其智能水平直接决定能效优势能否实现。基本策略包括恒温器式控制（让发动机在高效区恒定输出，多余或不足功率由电池平衡）和功率跟随式控制（发动机功率实时跟随总需求变化）。当前研究已超越这些基础策略，向基于优化和预测的智能管理发展。

研究的复杂性体现在多个层面：一是多时间尺度动态，需要同时处理电机毫秒级的转矩响应、电池秒级的功率支撑和发动机分钟级的油耗优化。二是多物理域耦合，电气系统的电压波动、电池的发热与老化、电机的电磁与热特性相互影响。三是全任务剖面优化，需要根据已知的飞行计划，全局优化能量在燃油和电池之间的分配，例如在巡航段为电池充电以备降落时使用，实现全程油耗最低。

为实现高效管理，先进的电力电子变换器拓扑结构（如交错式非反相Buck-Boost变换器）被研究用于高效、可靠地连接电池、超电容和直流母线，并管理剧烈的脉冲功率。同时，固态断路器、故障隔离与重构技术也在发展，以确保复杂电网在单点或多点故障下的供电安全与连续性，这是适航安全的基本要求。

 

六、重难点问题及技术应对方法

尽管前景广阔，但分布式混合电推进系统在迈向工程应用的道路上仍面临一系列严峻挑战，需要从技术层面寻求系统的解决方案。

6.1 基于复杂系统优化控制的能源管理策略

能源管理的核心难点在于系统的高度非线性、强耦合性和不确定性。飞行任务可能临时变更，电池性能会随温度、老化度变化，这些都给最优能量分配带来扰动。应对此挑战，研究正从规则型策略转向优化型策略。例如，采用随机模型预测控制（SMPC）框架，在滚动优化的过程中显式地考虑未来功率需求的不确定性分布，从而生成鲁棒性更强的控制指令。另一种思路是利用强化学习（RL）方法，让能源管理控制器通过与高保真系统模型或仿真环境的交互，自主学习在复杂多变条件下最大化能效（或最小化等效油耗）的策略，其优势在于能处理难以精确建模的动态过程。

6.2 基于历史大数据驱动的最优能量分配预测

精确的功率需求预测是优化能源管理的前提。对于eVTOL这类在复杂城市环境中运行的航空器，其功率需求与飞行轨迹、气象条件（如风速、温度）、空域管制指令等密切相关。应对方法是构建大数据驱动的预测模型。通过采集大量历史飞行数据（包括时间、位置、高度、速度、天气等），利用机器学习算法（如长短期记忆网络LSTM、图神经网络GNN）训练出高精度的未来航段功率需求预测模型。结合飞行计划，该模型可为能源管理系统提供前瞻性的输入，从而实现从“实时响应”到“预见性优化”的跃升，进一步提升整体能效。

6.3 高功率密度、高安全性电推进系统样机设计与集成

这是最根本的工程技术挑战，主要体现在：第一，动力电池的能量与功率密度矛盾及热安全问题。航空器要求电池同时具备高比能（长航程）和高比功率（大推力），这本身是矛盾的。更严峻的是，在密闭机舱和高放电倍率工况下，电池热失控风险剧增。研究从材料和系统两个层面入手：材料层面，研发固态电池、锂金属电池等下一代化学体系；系统层面，设计高效的液冷/相变冷却系统，并开发基于多传感器融合的电池健康状态在线评估与早期预警算法，从失效机理上预防热失控。第二，高功率密度电机系统的热管理与电磁兼容。兆瓦级电机及其控制器产生巨大热量和电磁干扰。研究聚焦于高强度永磁材料、高频低损软磁材料的应用，以及直接油冷、蒸发冷却等先进散热技术。在电磁兼容方面，需对全机电缆布局、屏蔽设计、接地策略进行精细化仿真与测试，以满足严苛的航空电磁环境要求。

6.4 系统可靠性与适航验证方法

分布式系统带来了冗余性，也带来了复杂性。成百上千个电力电子部件、数十公里长的线缆，其可靠性模型与故障传播路径与传统飞机截然不同。应对方法是发展基于概率风险评估（PRA）和数字孪生的可靠性设计与验证体系。通过构建涵盖电气、热、机械多物理场的飞机系统数字孪生体，可以在虚拟空间中模拟各种正常与故障工况，预测系统响应，提前发现设计缺陷，并生成海量的故障-安全数据，为适航当局制定新的审定标准（如针对电推进系统的专用条件）提供科学依据，从而降低实际试飞风险和取证成本。

 

七、国内外研发成果、试飞情况与技术对比

全球范围内，分布式混合电推进技术已进入“百花齐放”的竞争与合作发展阶段，各国根据自身技术基础和市场定位，选择了不同的研发路径并取得了阶段性成果。

美国凭借其深厚的航空与科技基础，采取了“前沿概念牵引”与“多层次验证”并进的策略。NASA作为国家研发中枢，不仅提出了N3-X、STARC-ABL等一系列前瞻性概念，更通过X-57项目系统性地验证了DEP技术从部件到集成的全链条。其建立的电推进飞机试验台（NEAT）、混合电集成系统试验台（HEIST）等大型地面设施，为兆瓦级系统测试提供了独一无二的能力。工业界方面，波音、通用电气（GE）等巨头通过与NASA合作或自主立项，深入探索适用于支线和干线飞机的混合电推进方案。在eVTOL领域，Joby Aviation、Archer等初创公司吸引了巨额投资，其采用DEP技术的原型机已进行大量试飞，走在商业化前沿。美国的技术优势体现在超前的系统概念设计能力、完备的地面试验验证设施以及活跃的风险投资生态。

欧洲则强调跨国合作与系统性降低工程风险。空客、罗尔斯·罗伊斯（罗罗）、西门子（其航空业务后并入罗罗）组成的联盟是核心力量。空客早期通过E-Fan纯电飞机积累经验，后续重点发展针对100座级客机的混合电推进概念。欧盟通过“清洁航空”（Clean Aviation）等大型联合技术计划，资助了如DEP-SFD这样的缩比飞行演示器项目，其目标非常务实：快速、低成本地将DEP技术提升到较高的技术就绪度，为2035年左右投入使用的产品扫清障碍。欧洲的优势在于其强大的航空系统集成能力、严谨的工程化流程以及通过联合计划有效整合了跨国的研发资源。

 

中国在该领域属于快速跟进并寻求突破的后来者。研发力量主要集中在高校（如北京航空航天大学、南京航空航天大学）、国家级科研机构（如中国航空发动机研究院）和新兴科技企业。北航等高校在DEP飞机总体设计、气动优化和能量管理算法等方面发表了大量高质量学术成果，进行了深入的理论研究与仿真分析。工业实践上，国内已成功研制并试飞了多种轻型混合电推进无人机验证平台。新兴企业如鸿鹏航空动力，则专注于推进系统的产品化，其重油活塞发动机已获得欧洲航空安全局适航认证，并致力于开发混合动力系统，以适航和低成本作为市场切入点。中国的研究展现了从理论到工程实践的快速转化能力，并在电池、电机等供应链环节具有潜在优势。目前的主要挑战在于缺乏类似X-57或DEP-SFD这样标志性、系统级的大型飞行验证项目，以及在大功率超导电机、高安全航空电池等最前沿核心部件方面的原创性突破仍需加强。

国内外技术发展呈现出清晰的差异格局：美欧领跑系统集成与验证，聚焦于2030-2035年时间节点的产品应用；中国则在基础研究与应用开发上齐头并进，并凭借在电动汽车产业链中积累的电池、电控技术，寻求在通用航空和无人机领域的弯道超车机会。未来，这场关于未来航空动力的竞赛，将取决于谁能在保障绝对安全的前提下，率先解决能量密度、系统成本与适航取证这三大终极命题。

 

八、总结与分析

分布式混合电推进系统经过十余年的快速发展，已从最初的概念研究和缩比验证阶段，逐步迈入全尺寸原型机试飞与早期商业化应用探索的新时期。这项技术的核心价值在于通过推进系统与机体结构的深度耦合，以及化学能与电能的高效协同，系统性地突破了传统飞机设计的效率瓶颈。

当前分布式动力推进飞行器大多以纯电池提供能量，受当前较低的电池能量密度限制，这类飞行器的续航能力往往非常有限。混合电推进技术通过对二次能源系统的优化，在提高能源的利用效率的基础上，还可以满足推进系统分布式布局的要求。利用油转电的混合动力系统设计，分布式混合电推进飞行器融合了旋翼和固定翼的优势，使该类飞行器具有较高的巡航效率、较快的飞行速度，以及非常敏捷的起降能力，从而可以应付较为复杂的应用场景是近年来飞行器领域的研究热点之一。

与纯电动力系统相比，串联式混电系统新增加了一个由发动机、发电机、能量管理系统组成的主动力单元，而电池仅作为辅助动力单元在高功率需求状态下进行辅助供电。受益于燃油较高的储能密度，串联式混动系统的引入，大幅提升分布式动力推进飞行器的续航能力，而且不会引起起飞总重大幅度增加，但与此同时，其自身所引入的重量和能耗也可能对飞机设计产生较大影响。因此必须对系统组成和能源管理进行优化设计。

从技术体系角度看，当前发展呈现出多层次并行的特征。在基础理论层面，针对分布式推进的气动增益机制（如边界层抽吸、推力增强效应）、混合动力系统的能量优化原理等已建立较为完善的分析模型。在关键技术层面，高功率密度永磁电机（功率密度普遍达到5-10kW/kg）、先进航空锂电池（能量密度达250-300Wh/kg级）及高可靠性电力电子设备已实现工程化，为系统集成奠定了基础。在系统集成与验证层面，以NASA X-57、欧洲DEP-SFD为代表的一系列飞行演示验证项目，成功验证了分布式电推进在提升气动效率、降低噪声和实现短距起降方面的显著优势，并将相关技术的技术就绪度提升至TRL 5-6级。

当前技术方案主要沿着两条应用路径分化发展：一是面向下一代窄体客机/支线客机的“涡轮发电+分布式电动推进”方案（如NASA的STARC-ABL概念），其目标是实现亚声速民航运输的颠覆性节能减排；二是面向城市空中交通与通用航空的“活塞/涡轴发电+分布式垂直推进”方案，致力于打造具备垂直/短距起降能力的新型交通工具。这两条路径共同推动着超导电机技术、智能化能源管理和飞发一体化设计等前沿方向的进步。

然而，技术发展仍面临严峻挑战。储能系统的能量密度限制仍是制约航程的根本因素，现有混合电推进系统的等效能量密度虽优于纯电系统，但仍远低于纯喷气燃料。系统复杂性与可靠性矛盾突出，电力系统的故障模式、热管理、电磁兼容及适航审定方法均比传统机械传动系统复杂一个量级。此外，全生命周期经济性尚不明朗，高昂的研发成本、未经验证的维护体系以及目前仍处高位的电池成本，使其与传统动力飞机相比尚未形成明显的市场竞争力。

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