2023年航空電推進系統進展

■ 羅彧 / 中國航空發動機研究院

2023年，航空電推進領域一如既往地保持高速發展，各國對航空電推進系統的投入持續增加，各種技術和產品不斷涌現，呈現出群雄逐鹿的態勢，未來充滿機遇和挑戰。

電推進是未來航空業實現凈零排放目標的主要動力解決方案之一，是未來航空發動機行業的“藍?！?，近年來持續受到關注。美國、歐洲、俄羅斯、日本等國家和地區的研究機構和企業對電推進系統的技術和產品開發力度在持續加強，技術領先的航空發動機制造商和行業新進入者無不想在該領域方興未艾之時搶占制高點；同時，電推進配套基礎設施的建設也在不斷完善，以全面促進電推進技術、產品和產業的發展。電推進領域呈現出百花齊放的態勢。

新概念異彩紛呈

航空電推進系統本身就是一種新概念，在近年來的快速發展中，航空發動機制造商以電推進系統為核心又不斷研發出更新概念的技術和產品。

UAVHE公司測試RW1-300混合電推進系統

RW1-300混合電推進系統

2023年1月，西班牙無人機發動機制造商UAVHE公司發布其最新的混合電推進系統RW1-300C，該系統的特別之處在于其原動機是一臺汪克爾轉子發動機，系統的總輸出功率為48kW，恒速運行條件下非常高效，專為具有高電氣負載的固定翼無人機和電動垂直起降（eVTOL）飛機制造。RW1系列混合電推進系統可適配減速器和可變槳距螺旋槳，以及配裝有12∶1減速器的直升機,改進型RW1-300的系統性能得到優化提升。7月，UAVHE公司使用可持續航空燃料（SAF）對系統進行了測試。

Kite公司開發高效質輕的航空電動機

2023 年3 月，澳大利亞初創企業Kite 公司推出其首型產品KM-120 航空電動機，功率為120kW，旨在取代2 ～4 座輕型飛機的活塞式發動機。該電動機采用了Kite 公司的低損耗納米晶體磁性材料制造技術，電動機鐵芯采用了類似碳纖維的物質，由20μm 厚的納米晶體材料制成，與傳統電動機相比，功率損耗降低到原來的1/10，結構質量也更輕。

KM-120航空電動機

格林噴氣公司開發新型分布式電推進系統

2023年5月，英國格林噴氣公司推出其首型用于商用無人機的分布式電推進發動機IPM5，總質量為750g，最大推力為49N。IPM5發動機采用涵道風扇架構設計，與開放式螺旋槳葉片相比，既降低了噪聲，又提高了安全性。格林噴氣公司還克服了傳統涵道風扇面臨的質量和效率挑戰并獲得了相關專利，目前正在使用IPM5發動機的技術開發eVTOL和支線飛機電推進裝置。

GE公司開發創新的混合電推進系統

2023年10月，GE公司在成功完成美國能源部預先研究計劃局（ARPA-E）授予的燃料電池嵌入式發動機（FLyCLEEN）項目的設計階段后，再次獲得ARPA-E授予的450萬美元的資金，以進一步開發和驗證一個25kW的發電子系統。該系統集成了固體氧化物燃料電池（SOFC）和燃氣渦輪發動機，在燃料電池和燃氣渦輪發動機中都使用了SAF，一部分SAF轉化為合成燃氣供給燃料電池，其余的SAF則用于燃氣渦輪發動機。這種將兩者結合起來的新概念動力系統，可提高燃料效率和發動機推力。

萊特電氣公司開發大型全電推進飛機用航空電池

目前，航空用鋰離子電池的能量密度約為250W·h/kg，可適用于小型飛機，但不足以用于大型客機。2023年10月，美國萊特電氣公司宣布正在開發一種能量密度為1000W·h/kg的高能量密度電池，是傳統鋰電池能量密度的4倍，足以應用于100座級、航程1130 ～1290km的全電推進飛機。

新產品不斷涌現

目前，世界航空電推進領域還處在發展的初期階段，尚未形成像傳統發動機領域那種居于壟斷地位的航空發動機制造商，無論傳統的發動機領先企業還是初創企業，都在奮勇爭先開發電推進新產品和新技術，以期在未來的競爭中獲得相對優勢。

西科斯基公司和GE公司合作研制混合電推進驗證機

2023年3月，西科斯基公司和GE公司宣布合作開發一型全自主混合電推進驗證機（HEX），為一系列大型多功能軍民用先進空中交通（AAM）飛機儲備技術。HEX的目標航程超過926km、起飛質量為3175 ～3628kg，采用由CT7渦軸發動機驅動的混合電推進系統，該系統將大量借鑒GE公司目前在美國國家航空航天局（NASA）電氣化動力系統飛行驗證（EPFD）項目和美國陸軍應用研究合作渦軸電氣化應用項目（ARC-STEP）下開發的技術。

Maeve公司將開發全電推進支線客機

2023年4月，荷蘭Maeve公司宣布計劃開發一型全電推進支線客機Maeve 01，正從可行性階段進入概念設計階段。動力裝置采用翼吊布局，將配備8個翼吊螺旋槳，采用美國安普瑞斯公司提供的500W·h/kg電池。到2029年，Maeve 01客機的航程將達到460km，載客44人，由于其在設計尺寸上的可擴展性很強，隨著電池技術的進步，2032年的載客量預計將增加到52人，到2040年航程可延長到710km。

Maeve 01全電推進支線客機

羅羅公司研制電推進用小型燃氣渦輪發動機

2023年6月，羅羅公司研制了一型專門用于混合電推進系統的小型燃氣渦輪發動機，是其新型渦輪發電系統的一部分。羅羅公司的渦輪發電系統專為AAM市場而研制，包括應用于城市空中交通的eVTOL飛機和19座通勤飛機。該系統既適用于串聯混合電推進，也適用于并聯混合電推進。不僅能為電池充電，還能直接為電推進裝置提供能源，系統功率范圍可拓展到500 ～1200kW，可延長當前電推進飛機的航程，未來還可使用氫燃料進一步降低污染物的排放。

麻省理工學院開發1MW緊湊輕型電動機

2023年6月，麻省理工學院的研究人員開發出一款1MW的緊湊輕型電動機，由帶恒定磁鐵的圓柱形鼓筒轉子與帶螺旋銅導線的靜子組成，將新型鋁合金空氣冷卻換熱器置于靜子內部，圓柱形內部是由不大的空氣通道構成的蜂窩結構，復雜的幾何形狀需要采用3D打印。電動機質量為57.4kg，功率密度為17kW/kg，已超過了NASA為大型飛機電動機設定的閾值，這一突破將有助于開發非傳統結構的大型電推進飛機。

UEC研究基于VK-650V發動機

1MW緊湊輕型電動機

的混合電推進裝置

2023年8月，聯合發動機制造集團（UEC）在2023年俄羅斯工業展覽會上首次展示了一型功率為500kW的混合電推進裝置驗證機，其原動機采用VK-650V渦軸發動機?；旌想娡七M裝置是UEC科技戰略關鍵發展方向之一，2020年以來UEC一直在從事該領域的研究。

Heart 公司和BAE 系統公司合作開發電池系統

瑞典Heart公司和英國BAE系統公司將合作開發ES-30混合電推進飛機所需的電池系統，開發工作將在BAE系統公司位于紐約恩迪科特的工廠進行。ES-30飛機計劃于2026年首飛，2028年投入使用，質量為5t的電池放置在機身下方的一個特殊隔間中。當載客30人時，全電推進的航程為200km，混合電推進的航程為400km；若只載客25人，則航程可達800km。

既有產品、技術和基礎設施穩步發展

航空發動機制造商此前已經開展的電推進項目在2023年持續取得進展，并有多種產品實現了首次地面測試或首飛。

賽峰集團ENGINeUS XL電動機準備投入使用

2023年3月，賽峰集團ENGINeUS XL電動機在氣候實驗室中進行了高空試驗，達到可交付使用狀態。該電動機是ENGINeUS 500電動機系列中功率最大的產品，功率達到750kW，可擴展到1MW。當月，ENGINeUS電動機獲得歐洲航空安全局（EASA）頒發的設計機構批準（DOA）資質，通過DOA審批之后可從EASA獲得電動機審定合格證。

Dufour 公司混合電推進系統即將開展飛行測試

2023年3月，瑞士Dufour公司與Suter公司簽訂協議，Dufour公司選用Suter公司的TOA288發動機作為其eVTOL飛機Aero 2的混合電推進系統的關鍵子系統。TOA288發動機可使用汽油和航空燃油,功率為17.4kW。Aero 2飛機X2.3原型機的混合電推進系統計劃于2024年年初開始飛行測試，之前的X2.1全電推進原型機已經完成了飛行測試。

Aero 2飛機

美國空軍支持喬比公司發展eVTOL飛機

2023年4月，美國空軍敏捷至上項目向eVTOL飛機制造商喬比（Joby）公司授予總價值5500萬美元的9架S4飛機采購合同，這是敏捷至上項目首次簽署采購合同，也是eVTOL技術在軍用領域獲得的重大進展。敏捷至上項目旨在開展軍民合作，在美國聯邦航空局（FAA）適航審定程序之前，通過軍方先行測試，推動eVTOL相關技術發展與應用。2023年9月，喬比公司在加利福尼亞州愛德華空軍基地向美國空軍交付了首架eVTOL飛機S4，該機可載客4人，動力為6臺電動螺旋槳，每臺電動機峰值功率為236kW。公司計劃于2025年對S4飛機開展商業空中出租車運營認證。

S4電動垂直起降飛機

安派爾公司將與美國空軍合作開發兆瓦級混合電推進系統

2023年10月，安派爾（Ampaire）公司與美國空軍簽訂了一份價值125萬美元的合同，在美國空軍敏捷至上項目下開發兆瓦級混合電推進系統AMP-H570。公司還公開了與NASA的一份單獨的后續合同，基于現有技術開發一個更高效、更小型的新型混合電推進系統。

賽峰集團Tech TP技術驗證機首次試車

2023年2月，賽峰集團完成Tech TP混合電推進渦槳發動機技術驗證機的首次運行。Tech TP 是阿蒂丹3渦軸發動機的改型，包含了來自歐盟資助的清潔天空2（Clean Sky 2）計劃中的為新型渦槳發動機的電起動機-發電機和健康監控系統開發先進機電設備（ACHIEVE）項目的技術，將一個電起動-發電機集成在渦槳發動機的減速齒輪箱中，可以僅依靠電池動力滑行，或在飛行中提供助力以減小渦輪發動機的載荷。

雷神技術片公司完成STEPTech驗證機首次試車

2023年6月，雷神技術公司旗下普惠公司和柯林斯宇航公司聯合研制的可擴展渦輪電力傳動系統技術（STEP-Tech）驗證機完成首次試車和電氣系統集成測試。STEP-Tech驗證機是模塊化、可擴展的驗證平臺，加速了分布式推進概念原型機設計，可廣泛用于下一代飛行平臺，包括AAM飛機、高速eVTOL和翼身融合飛機。與當今最先進的支線渦槳發動機相比，驗證機的燃油效率提高了30%，二氧化碳排放降低了30%。雷神技術公司通過開展STEPTech項目和包含混合電推進的可持續噴水渦扇（SWITCH）項目，推進了公司電推進系統的研究進展。

賽峰集團電動機配裝eDA40全電推進飛機首飛

2023年7月，鉆石飛機公司的全電推進教練機eDA40在位于奧地利維也納新城的公司總部完成首飛，該飛機采用了賽峰集團的ENGINeUS電動機，并配備了電氣保護系統，這是賽峰集團這兩種產品在全電推進飛機上的首次應用。eDA40也是第一型獲得EASA和FAA認證的電推進飛機。

空客公司EcoPulse驗證機完成首飛

2023年12月，由空客公司、賽峰集團和大合（Daher）公司聯合開發的分布式混合電推進驗證機EcoPulse完成首飛。EcoPulse在大合TBM飛機的基礎上，配裝6個分布在機翼上的集成電動螺旋槳，由空客公司提供的電池和賽峰集團提供的渦輪-發電機供電。EcoPulse驗證機旨在評估集成分布式混合電推進系統的運行優勢，重點關注二氧化碳排放和噪聲水平的降低。

GE 公司追加投資建設電推進試驗設施

2023年5月，GE公司計劃投資2000萬美元在俄亥俄州代頓市的電力集成系統中心（EPISCenter）增加一個新的試車臺，用于混合電推進系統及部件的測試，該中心占地12820m2，于2013年在代頓大學校園內開放，當時投資了5300萬美元，后又追加投資2600萬美元；加上此次宣布的額外投資，使總計劃支出達到近1億美元。

EcoPulse混合電推進驗證機

新動向出乎意料

航空電推進領域整體形勢趨于加速發展，但也出現了不同選擇的新動向。NASA中止了X-57項目，而羅羅公司選擇了退出此前大力發展的電推進業務。

NASA終止X-57全電推進驗證機項目

2023 年2 月，NASA 的X-57 麥克斯韋（Maxwell）驗證機完成了首飛前試驗，對全電推進系統的巡航電動機控制器進行了熱試驗，達到了關鍵里程碑，原計劃于2023年實現首飛。但到6 月，NASA 卻宣布終止X-57 驗證機項目。NASA認為，項目研發的目標不是開發驗證機，而是研究分布式電推進系統的應用效果，開發電推進飛機技術，同時幫助制定未來航空器取證標準。雖然終止了X-57 項目，但是該項目的經驗，以及對電池技術的積累，仍然可以用在其他電推進飛機的項目研發中。該項目是NASA首個全電X 驗證機項目，2014 年開始子系統研制，2016 年獲得驗證機代號，2017 年正式發布，是NASA在2017 年公布的未來10 年航空新視界規劃的驗證機之一。

羅羅公司決定退出電推進領域

2023年12月，羅羅公司宣布出售電推進系統部門，并逐步放棄電推進業務，以加速利潤增長和簡化運營。公司2022年的營業收入為8.37億英鎊，2023目標收入在25 ～28億英鎊，這得益于疫情后的市場復蘇和對遠程飛機發動機需求的激增，出售電推進部門預計將帶來約15億英鎊的收入。2023年羅羅公司對電推進業務發展前景的觀點發生了明顯轉變：公司承認電推進飛機在短途運輸方面的潛力，但仍對其是否適合長途運輸持懷疑態度，而長途運輸是公司的主要業務；相反，羅羅公司設想的未來客機將由合成燃料驅動，特別是SAF，因此正在大力研發SAF；公司還在開發氫燃料發動機，通過多管齊下共同推動可持續航空發展。

結束語

2023年，世界電推進技術、產品和配套基礎建設都呈現出日新月異的發展趨勢，主要包括以下特點：一是根據對當前電推進技術和產品的分析，各國研究的重點主要集中在100座級以下飛機的動力系統，尤其是中小型支線飛機、通用飛機和eVTOL飛機，同時也在為電推進大型商用飛機做技術儲備；二是新概念的電推進系統更多是由新創公司和行業新進入者提出和開發，新進入者成為最具創造力的推動力量；三是電推進領域的新進入者不斷增加，新研產品層出不窮，沒有哪些企業或機構擁有壓倒性的壟斷優勢，這和傳統燃氣渦輪發動機市場由少數幾家制造商的少數產品系列壟斷形成鮮明對比，目前電推進處于戰略機遇期，競爭勝負猶未可知；四是無論是傳統動力企業，還是不斷增加的行業新進入者，都在穩步推動既有產品、技術或基礎設施的發展，并追加投資；五是一些機構和企業基于戰略定位，重新調整了自身的電推進發展策略，羅羅公司在前期不斷加大電推進領域投入的背景下，2023年年底突然發生轉折，重新聚焦遠程航空運輸的主業，而決定放棄暫時不能廣泛支持遠程大型客機發展的電推進業務，這和GE公司、普惠公司以及賽峰集團大力發展電推進技術的舉措形成鮮明對比。