分布式推进系统研究综述

彭振宇　张丹玲

【摘  要】分布式推进系统具有经济性好、低污染、低噪声等优点。本文主要分析了分布式推进系统研制情况，梳理了关键技术，论述了当前阶段应开展的技术研究内容，为后续开展相关技术研究提供支撑。

【关键词】分布式;混合电推进;工质驱动

现代航空发动机各部件高效运转，导致提高发动机整机效率的成本极高、难度极大。随着飞机与航空发动机的技术发展，市场竞争的加剧以及环保要求的提高，飞机、发动机制造商和运营商在未来技术研究和产品研制方面也越来越多地聚焦于一些创新的甚至是颠覆性的技术方案上，以达到更经济、更环保和可持续发展的目标，分布式推进系统的概念便应运而生。

1 分布式推进系统概念及分类

传统飞机是通过发动机将燃料的化学能转化为机械能而产生动力，而分布式推进系统是将发动机的能量转化后，提供给分布在机翼或机身上的若干风扇、螺旋桨或者其他装置产生动力。分布式推进系统能够集成到机体结构上，优化机体周围的流场，大幅降低油耗、减少排放，同时能够减轻飞机的重量，降低阻力和噪声。

分布式推进系统有多种形式，目前绝大多数采用混合电推进系统，混合电推进系统是将发动机与电动机结合起来，共同作用的推进系统，具体来说，是指通过传统燃气涡轮发动机带动发电机发电，为电动机提供电力，并由电动机驱动分布在机翼或机身上的若干风扇或其他动力装置，提供全部或绝大部分推力（燃气涡轮发动机不提供或只提供部分推力）的一种新概念推进系统。

混合电推进系统主要分为四种形式，区分的主要原则为燃气涡轮发动机是否提供部分推力、推进系统是否使用电池。

第一种为燃气涡轮发动机带动发电机发电，由电动机驱动风扇/螺旋桨提供全部推力。

第二种为燃气涡轮发动机带动发电机发电，由电动机驱动风扇/螺旋桨提供部分推力，发动机提供部分推力。

第三种为燃气涡轮发动机带动发电机发电，由电动机为电池充电，由电池驱动风扇/螺旋桨提供全部推力。

第四种为燃气涡轮发动机带动发电机发电，由电动机和电池共同驱动风扇/螺旋桨提供全部推力。

与传统动力推进系统相比，混合电推进系统有以下优势：涡扇发动机对能量的利用效率仅为40%，而电推进系统对能量的利用率能够超过70%，混合电推进系统的能量利用率高;由于燃油能量密度比电高，并且电机比涡轮效率高，混合电推进系统采用燃气涡轮和电机相结合的推进方式具备提高系统整体效率的潜力，能够达到降低燃料消耗、减少排放的目的。

另一种分布式推进系统为利用工质驱动，通过发动机引气来驱动推进器，可以实现采用小涵道比涡扇发动机作为动力装置而耗油率和噪声水平远低于大涵道比涡扇发动机的综合效果。

2 国内外发展现状

2008年，在美国航空航天局的亚声速固定翼计划下开展的N+3项目中，某些团队为了达到N+3的目标，开始最早研制混合电推进技术。NASA团队在N+3项目下提出N3-X飞机概念，采用翼体融合体布局与涡轮电力分布式推进（TeDP）系统相结合的设计。该方案机体是由波音公司的N2A HWB结构衍生而来，去掉悬挂安装的涡扇发动机和垂直尾翼，取而代之的是在尾翼上表面安装发动机短舱，短舱内安装电动机驱动的风扇。涡轮发电机的主要功能是发电，并不产生推力。与波音777-200LR飞机相比，N3-X飞机能够在不影响有效载荷、航程或巡航速度的情况下，耗油率降低超过70～72%。2011年，NASA团队发现N3-X飞机燃料消耗对重量很敏感，于2011年5月提出N3-X新型层流飞机。与之前N3-X飞机不同的是该飞机采用的推进系统为涡扇发动机驱动的TeDP系统，推力由2个带有动力涡轮的涡扇发动机和分布式推进器产生。

波音公司与GE公司和PW公司合作探索了一系列的混合电力推进系统。其中，hFan推进系统方案能够在全燃气涡轮、全电或者混合模式下工作的混合电力推进方案具有更大的发展潜力。飞机在起飞和爬升时采用电池/燃气涡轮混合推进系统，巡航时采用燃气涡轮或电池，其中航程较近时主要由电池提供动力，航程较远时主要采用燃气涡轮提供动力。与波音737 和空客A320配装的CFM56发动机相比，hFan 涵道比达到了18，在燃气涡轮工作模式下，其耗油率降低28%;在電力工作模式下，可利用电池储能驱动，不需要消耗燃油。

空客公司在“航迹2050”计划目标下开展了基于分布式混合电推进的E-Airbus飞机方案。E-Airbus采用6台电动风扇，每个机翼上沿展向分布3台，并通过1个燃气动力单元（即涡扇发动机连接到发电机，以产生电力）为6台风扇（产生推力）提供电力和为电能存储装置充电，推进系统的等效涵道比预计将超过20。在起飞阶段，E-Airbus飞机所需的额外动力由电能储存装置提供;在巡航阶段，燃气动力单元将提供巡航动力，并带动发电机为电池充电;在初始下降阶段，燃气动力单元关闭，飞机为滑翔模式，之后涡扇发动机以风车状态起动，并产生电能;在降落阶段，燃气动力单元重新起动，提供过量的推力（备用推力）以备飞机所需。

2017年，赛峰集团在欧盟“航迹2050”计划目标下提出了电推进技术发展路线图，推进系统采用“分步走”的方式，到2030年，赛峰集团期望起飞、爬升和慢车推力的10%由混合推进系统的电力提供，大部分推力仍由常规涡扇发动机提供。2035年，在能量储备取得一定进展后，赛峰集团预测分布式混合电推进系统与边界层吸入相结合可实现20%～50%的推力由电力提供。2040年，采用氢能源将实现CO2零排放的100%电推进系统。

2017年8月，CIAM披露了俄罗斯第一个涡轮电推进飞机发动机的研制计划，并在莫斯科航展上展出了500kW级概念发动机模型。该发动机结构特点主要是燃气涡轮带动电机，电机再驱动六叶螺旋桨旋转，当燃气涡轮或电机发生故障时由备份电池提供动力。该发动机虽采用传统构型，但配电设计独特。为了减轻重量以及减少电磁场对其他电子设备的干扰，该发动机将采用俄罗斯“新创”公司提供的轻质半导体材料，这种材料重量轻，可在高能量下工作，也能减少电磁干扰，但还需要进一步的试验验证。

目前，国外已开展了大量的混合电推进系统技术探索，并采用了当代先进技术，国内尚未开展混合电推进技术研究，部分高校对相关技术进行了探索，但尚未开展有针对性的关键技术研究。因此，有必要尽早开展混合动力推进系统研制和关键技术攻关，实现跨越式发展。

3 分布式推进系统关键技术

3.1 混合电推进系统

1）高功率密度电动机技术;

2）高功率密度发电机技术;

3）超导电能传输技术;

4）高效、大容量功率变换器技术;

5）热管理技术;

6）系统推进技术。

3.2 工质驱动推进系统

1）发动机引气稳定性设计技术;

2）发动机引气控制规律设计技术;

3）系统推进技术。

4 结论

分布式推进系统尤其是混合电推进系统具有一定的潜力，可能成为未来飞机、发动机的发展方向之一。由于目前各国在电池组能量、电力系统设计复杂性、可靠性和安全性等方面尚未成熟，因此，避免走弯路，建议我国在设计初期，尽量选取载重量相对较小、对动力需求较低的飞机/发动机作为研究对象，减少由于电力需求过大带来的关键技术;在研制后期，综合技术逐渐成熟后，逐步提升推力等级，攻克电力系统设计关键技术，大幅提升我国航空动力设计水平。

参考文献：

[1] 张小伟.面向2030年的分布式混合电推进技术[C]//中国航空学会.2015年第二届中国航空科学技术大会论文集.北京：国防工业出版社，2015：330-334.

[2] 孔祥浩，张卓然，陆嘉伟，等.分布式电推进飞机动力系统研究综述[J].航空学报，2018.39（1）：8-12.

（作者单位：中国航发沈阳发动机研究所）