机电热一体化：固旋翼垂直起降混电飞行器关键技术发展路径、现实挑战与适航认证展望

 

垂直起降（VTOL）飞行器的发展历史是一部动力系统不断演进的历史。自二战末期德国工程师首次提出垂直起降概念以来，人类在这一领域的探索从未停止。从早期依赖复杂机械结构的“重型油动”方案，到英国“鹞式”战斗机的成功实践，再到当今电动垂直起降飞行器（eVTOL）的蓬勃发展，动力系统的革新始终是推动该领域进步的核心驱动力。然而，传统燃油动力垂直起降飞行器面临着噪音大、成本高、效费比低以及环境兼容性差等固有缺陷，而纯电动方案则受制于当前电池能量密度的瓶颈，导致“纯电动飞机很重”，续航和载重能力受限。

 

在此背景下，混合电推进技术应运而生，成为连接传统燃油动力与未来纯电动力的关键桥梁。混合电推进系统通过对二次能源系统的优化，不仅能够提高能源的综合利用效率，还兼具电推进独有的“尺寸独立性”优势——即允许将多个螺旋桨分布式布局，而不会引起显著的效率和重量变化。这一特性使得固旋翼垂直起降混电飞行器能够完美融合固定翼飞机的高速巡航性能与旋翼飞行器的垂直起降能力，适用于包括垂直起降、过渡、巡航和着陆在内的全场景飞行任务。全球航空界已认识到其巨大潜力，美国空军“敏捷至上”项目等国家级研究计划已明确将探索重点转向混合电推进系统。这一技术路径被视为在电池能量密度取得根本性突破前，提升飞行器综合性能最具现实可行性的方案，尤其适用于对续航、载重及任务灵活性有较高要求的通用航空与特种任务领域。

 

一、串联式混电的架构优势与节能机理

固旋翼垂直起降混电飞行器的推进系统设计，其核心在于能源与动力的高效、灵活匹配。主流的系统架构可分为串联式与并联式。研究表明，串联式混合电推进（S-HEP）系统因其独特优势，更适用于固旋翼垂直起降飞行器。在该架构中，内燃机（ICE）与螺旋桨完全解耦：内燃机驱动发电机产生电能，电能与储能电池的输出一并汇入动力管理系统，最终驱动分布式的电动机带动螺旋桨或旋翼。这种“油发电-电驱动”的模式，带来了两大根本性的设计自由与节能机理。

第一是动力源与需求解耦带来的效率最优。串联架构使得内燃机从直接应对复杂多变的飞行功率需求中解放出来，可以持续稳定地在其最佳燃油经济区（BSFC最优区间）运行。飞行器仅需配备一台满足巡航功率需求的、相对较小功率的内燃机-发电机组。而在垂直起飞、爬升等高功率需求的阶段，额外的峰值功率则由高功率密度的电池组提供补充。这种“小发-大电”的组合，显著提高了内燃机的平均负荷率，从源头上降低了燃油消耗。研究案例表明，相比传统纯内燃机推进，串联混电系统可降低超过11.7%的燃油消耗。

第二是电推进的尺寸独立性带来的布局革命。电能作为一种易于传输和分配的二次能源，使得驱动多个分布式螺旋桨/旋翼在工程上变得简单高效。对于固旋翼飞行器而言，这意味着可以独立设计并优化用于垂直起降的分布式旋翼系统和用于巡航飞行的固定翼螺旋桨系统。例如，在旋翼模式（垂直起降）下，可以布置四组或更多旋翼，由高功率电机独立驱动，提供安全冗余；在固定翼模式（巡航）下，则由专门的推进电机驱动尾部或机头的螺旋桨，实现高效前飞。这种分布式推进（DP）不仅提升了系统的故障安全冗余和操控鲁棒性，还能通过吹气增升等效应改善机翼的气动特性，并有效分散噪声源，降低整体噪音水平。系统的核心是智能化的功率管理单元，它根据飞行阶段、剩余能量和效率最优原则，实时决策内燃机与电池之间的功率流分配，是节能潜力得以实现的大脑。

 

二、设计流程与方法的迭代优化

固旋翼混电垂直起降飞行器的推进系统设计是一个典型的多变量、多约束、多目标协同优化问题。其设计流程超越了传统飞机以“功重比”（P/W）和“翼载荷”（W/S）为核心的初步确定方法，必须同时考虑固定翼巡航与旋翼垂直起降两种截然不同的飞行模态，以及内燃机、发电机、电池、电动机等多能量源的匹配。一个系统的设计流程通常始于顶层任务需求，并遵循“顶层设计-区间构造-参数匹配-迭代校验”的闭环逻辑。

首先，基于飞行器的顶层设计要求（如最大起飞重量MTOM、航程、巡航速度、有效载荷等）和初始的MTOM估计值，构建混合系统的设计区间。与传统固定翼飞机设计不同，固旋翼飞行器在设计固定翼模式时，无需考虑地面起飞滑跑距离约束，但必须强化对巡航速度、爬升率和失速速度的约束。通过分析这些性能约束，可以初步确定满足固定翼巡航模式所需的功率边界。

 

其次，设计流程进入双模态动力系统参数初始匹配阶段。先由固定翼巡航的功率需求，确定内燃机-发电机组（发电单元）的功率和重量参数。这一设计的核心理念是，发电单元的功率只需满足巡航这一持续时间最长的基础功率需求。随后，将此发电功率代入垂直起降过程的高功率需求关系式中，计算出旋翼模式下电动机和旋翼所需补充的峰值功率，进而确定电驱动系统的参数。

接着，结合具体的飞行任务剖面（包含垂直起飞、爬升、巡航、下降、悬停、垂直着陆等各个阶段的时间与功率需求），进行完整的能量核算，计算出完成整个任务所需的燃油重量和电池能量（重量）。将发电系统、电驱系统、电池和燃油的重量，连同机体结构、航电、有效载荷等重量相加，便得到一次迭代后的MTOM估算值。

由于各子系统重量与总重MTOM相互耦合（例如，总重增加会导致所需升力/推力增加，进而可能要求更大的动力系统），因此必须进行多次迭代计算。每一次迭代后获得的新MTOM将作为下一次迭代的输入，直至计算结果收敛。收敛后，还需对最终确定的推进系统参数进行“能量运行检验”，重点核查电池在峰值功率输出时的放电倍率是否过载、内燃机是否始终工作在高效区间等。若存在过载，则需调整电池质量分数或系统功率分配策略，重新迭代。

最终，在推进系统设计区间内，可以引入功率混合度作为关键调节变量，针对不同的优化目标（如最小化MTOM或最小化燃油消耗）进行权衡分析，为不同应用场景（如注重载荷的物流无人机或注重航程的侦察无人机）提供最优的设计依据。

 

三、国内外研究进程与技术突破

全球范围内，混合电推进技术已成为航空科技竞争的前沿热点，在固旋翼垂直起降飞行器这一细分领域，产学研各界均取得了实质性进展。

国际研究动态呈现“军民并举、多方探索”的特点。美国在该领域处于领先地位，其国家航空航天局（NASA）早期便开展了相关概念研究，如“海雀”概念机。近年来，NASA通过“创新先进概念（NIAC）”计划等渠道持续资助前瞻性研究，例如伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校正在进行的“氢混合动力航空可持续系统”（Hy2PASS）项目，旨在探索融合液氢燃气轮机与氢燃料电池的全新混合动力架构。在军用领域，美国空军“敏捷至上”项目已从早期验证纯电eVTOL转向重点探索混合电推进形式，旨在将其用于战术投送、特战救援等场景。在工业界，以Joby Aviation为代表的公司已推出军用eVTOL原型机，并积极探索氢电混合动力以延长航程。学术界方面，德国亚琛工业大学的Finger等人系统研究了通用混电航空飞机的初步确定方法，提出了经典的迭代设计方法论。韩国建国大学和诸多欧美研究团队也针对电动及混电垂直起降飞行器的总体设计、参数匹配和能量管理策略进行了大量深入的研究。

中国的研究进展则展现出“快速追赶、重点突破、自主创新”的态势。在总体设计与方法论层面，国防科技大学、北京航空航天大学等研究团队针对固旋翼/固定翼垂直起降混电飞行器的推进系统设计，提出了完整的、基于性能约束和任务剖面的匹配设计与参数辨识方法，并进行了充分的案例验证。在核心部件与系统集成方面，中国科研机构取得了令人瞩目的成就。中国科学院宁波材料技术与工程研究所牵头，联合多家单位成功研制了120kW涡电混合动力系统，并完成了地面运转试验，验证了系统的高效性与可靠性，其整合后的系统能量密度可达纯电池的3倍以上。在整机验证方面，2025年7月，由沈阳航空航天大学辽宁通用航空研究院杨凤田院士团队自主研发的我国首款四座“电电混合动力”飞机RX4M成功首飞。该机创新性地采用锂电池与氢燃料电池组合的能源系统，打破了传统锂电池的能量密度制约，实现了最大起飞重量1400公斤、航程400公里的性能指标，其核心零部件全部实现国产化。这些突破标志着中国在绿色混合动力航空领域，正从理论方法研究走向工程实践与型号验证，形成了较为完整的技术链条。

 

四、从利基市场到城市空中交通分析

固旋翼垂直起降混电飞行器的技术特性，决定了其将在多个市场领域找到精准的应用定位，与纯电动eVTOL、传统直升机和倾转旋翼机构成互补共存的未来航空器格局。

在当前及近期，其主要应用将聚焦于对航程、载荷或特殊作业能力有明确要求的专业领域，即所谓的“利基市场”。

军用与特种任务：混合动力提供的长航时、大载荷能力，使其非常适合用于边境巡逻、海上监视、通信中继、特种部队渗透/撤离等军事任务。其低噪音、低红外特征也提升了战场生存能力。美国空军的相关探索已充分证明了其军事价值。

工业级无人机作业：在电力巡线、管道巡检、农林植保、地理测绘等领域，混电飞行器相比多旋翼纯电动无人机，具备更长的续航时间和更大的任务半径；相比固定翼无人机，又无需跑道，部署灵活。其经济性优势明显，有望成为工业级无人机的高端主力型号。

中短途特种物流与应急救援：在岛际运输、山区物资投送、医疗急救物品快速转运等场景中，混电飞行器能够克服地形限制，提供比直升机成本更低、比地面交通更快捷的解决方案。

从中长期看，随着城市空中交通（UAM）概念的成熟和低空经济的深化，固旋翼混电飞行器有望在高端或特定城市场景中分得一杯羹。虽然轻型的纯电动eVTOL因其结构简单、维护方便、噪音极低，被认为是UAM大众化出行的理想载体，但其航程通常限制在百公里左右。对于城市群之间的高端商务通勤、机场到远郊区县的快速接驳等对航程有更高要求（如150-400公里）的细分市场，混电推进方案提供了可行的技术路径。它能够在不建设沿途充电基础设施的情况下，实现更远的点对点飞行，是纯电技术完全成熟前的重要过渡和补充方案。

根据技术分析，物理定律和当前技术水平决定了，受限于电池和混电系统本身的重量，纯电及混电eVTOL在可预见的未来将主要聚焦于3吨以下的市场。而4吨以上的中大型运输和作业任务，仍将是传统涡轮轴直升机凭借其无可匹敌的可靠性、安全性和吊运能力所主导的领域。因此，固旋翼混电飞行器的市场是独特的，它填补了轻型纯电飞行器与传统重型直升机之间的能力空白。

 

五、混电与纯电推进系统的深度比较

混电与纯电推进系统是电动航空的两条主要技术路线，其差异根植于能量来源与存储方式的根本不同，从而导致了一系列性能和适用性上的分野。

能量来源与密度是核心区别。纯电系统完全依赖机载电池储能，其性能上限受制于当前电池的质量能量密度（约250-350 Wh/kg）。航空燃油的质量能量密度则高达约12000 Wh/kg，两者相差超过30倍。混电系统巧妙地将高能量密度的燃油与高功率密度的电池结合：燃油通过内燃机转化为持续的基础电力，电池则提供瞬时的峰值功率。这使得混电系统在整机能量密度上具有巨大优势，中科院宁波材料所的研究表明其系统能量密度可达纯电池系统的3倍以上。这直接转化为混电飞行器在航程和有效载荷上的显著优势，使其能够执行更长时间、更远距离或载重更大的任务。

系统复杂性与维护成本各有利弊。纯电推进系统结构相对简单，主要包含电池、电机、电控和螺旋桨，运动部件少，理论上具有高可靠性和低维护需求的特点。而混电系统集成了传统的内燃机、发电机和复杂的功率管理与热管理系统，系统复杂度和零部件数量大幅增加，对设计、集成和制造工艺提出了更高要求，也带来了更高的初期研发成本和潜在的维护工作量。然而，从全生命周期运营成本看，混电系统通过燃油的高能量密度和优化运行策略，降低了单位距离的能源成本，尤其对于高频次、长航时的运营场景，其经济性优势可能逐渐显现。

环保特性与适用场景不同。纯电飞行器在运行阶段实现零碳排放和极低噪音，是城市环境应用的理想选择。混电飞行器虽然仍排放二氧化碳，但由于内燃机始终工作在高效区间，其总体排放和油耗相比同等能力的传统燃油飞行器显著降低。同时，分布式电推进本身也具有降噪优势。因此，混电系统是在当前电池技术条件下，为实现较长航程和较大载重，同时兼顾一定环保效益而采取的 “折中但务实”的技术方案。它适用于对环保有要求但航程载荷优先级更高的城际交通、特种作业等场景，而纯电系统更适用于对环保和噪音极度敏感的城内密集区域运营。

 

六、案例：增程式发电配套系统技术解读

在混合电推进的工程化实践中，增程式发电配套系统作为一种典型的串联式混和动力架构，因其控制策略相对清晰、易于实现效率最优而受到关注。以国内相关企业（如湖南泰德航空技术有限公司）的研发实践为例，此类系统的核心技术聚焦于高效率燃油发电、智能能量管理与系统轻量化集成。

其核心技术首先体现在高功重比的涡轮发电单元。为了最大限度提升系统整体效率并减轻重量，先进系统倾向于采用高速涡轮发动机（如微型燃气轮机或高效重油活塞发动机）直连高速永磁同步发电机。这种组合能够实现超过30%的发电效率，且功重比远优于传统组合。系统通过精确的电子控制，使涡轮发动机恒定运行在最佳工况点附近，不受飞行负载瞬时波动的影响，这是实现节油的根本。

其次是多端口智能功率管理技术。该系统核心是一个高效的多端口电机控制器与能量路由器。它需要实时处理来自发电机、电池组以及电推进系统（多个电机）的复杂双向功率流。其智能算法基于飞行阶段、电池荷电状态（SOC）和任务需求，动态决定何时由发电机单独供电、何时由发电机和电池共同供电、何时由发电机在供电的同时为电池充电（“增程”模式的由来）。在垂直起飞等峰值功率阶段，它能无缝协调电池输出最大功率以补充发电机功率的不足；在巡航阶段，则可能控制发电机输出略高于推进需求的功率，为电池回充，以备下一阶段使用。

第三是先进的热管理与系统集成技术。混电系统集成了发电（高温）、电力电子（中温）和电池（对温度敏感）等多个热源与热管理需求。高效的热管理系统通过一体化设计的油冷回路，确保系统在各环境条件下高效、安全、可靠运行。最终，通过机电热一体化设计，将发电模块、控制模块和储能模块高度集成，形成紧凑、轻量化的“增程器”单元，便于在飞行器上安装与维护。

 

七、未来展望与技术挑战

展望未来，固旋翼垂直起降混电飞行器推进系统的发展将沿着 “性能提升、绿色深化、智能融合” 三大主轴演进，同时也面临着一系列亟待攻克的技术挑战。

性能提升的路径在于核心部件的持续突破。下一代高能量密度电池（如固态电池）是行业共同的期盼，它将直接提升混电系统中电池的贡献度，甚至推动系统向“更大电、更小油”的方向演进。同时，高效、轻量化、低排放的内燃机（包括先进重油活塞发动机、微型燃气轮机，以及燃烧氢/可持续航空燃料的发动机）是提升系统整体效率与环保性的关键。电机和电力电子器件则需要向更高功率密度、更高效率发展，以进一步减轻电驱动系统的重量。

 

绿色深化的方向是燃料的脱碳化。混合动力架构为使用各种新型绿色燃料提供了便利的平台。当前的研究热点已从传统的航空煤油转向氢燃料和可持续航空燃料（SAF）。例如，NASA资助的Hy2PASS项目旨在探索液氢燃气轮机与氢燃料电池的混合，代表了这一前沿方向。国内RX4M飞机采用的“锂电池-氢燃料电池”电电混合，也是一种创新的零排放混合动力形式。这些探索旨在保留混电系统长航程优势的同时，最终实现飞行过程的零碳排放。

智能融合的趋势体现在与飞行控制的深度一体化。未来的混电推进系统将不再是独立的动力单元，而是与飞控系统、任务系统深度集成的“智能能量与动力系统”。人工智能算法将被用于预测任务能量需求，并实时优化内燃机启停策略、电池充放电策略，甚至通过调节动力分配来辅助飞行姿态控制。飞行器将向着更加自主化、智能化的方向发展。

然而，前进的道路上挑战重重。系统复杂度与可靠性的平衡是首要工程难题，多能量源、多部件的集成对系统安全冗余设计、故障诊断与隔离提出了极高要求。经济性挑战依然存在，高昂的研发与制造成本需要通过大规模量产和市场应用来摊薄。最后，针对这种新型复杂动力系统的适航审定标准仍需建立和完善，这需要监管机构与工业界的紧密合作。

综上所述，固旋翼垂直起降混电飞行器推进系统作为一种承前启后的创新技术，在理论方法、核心部件和整机验证方面均已取得扎实进展。它虽非航空动力终极解决方案，但在未来二三十年的航空技术演进版图中，必将扮演至关重要的角色，为实现更高效、更绿色、更灵活的空中出行与作业提供关键的技术支撑。

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