航空航天混合动力（7）航空航天分布式电推进系统

航空航天分布式电推进系统

• 1.概述

• 2.分布式电推进系统组成

• 3.关键技术

• 4.分布式电推进系统优势

• 5.国内外研究情况

• • 5.1 国外
  • 5.2 国内

• 6.分布式电推进系统应用场景

• • 6.1 航空领域
  • 6.2 航天领域

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1.概述

分布式推进系统是指飞行器推力由位于整个航空器上的一组推进器产生，目的是提高系统级效率或为飞行器某方面性能改善发挥有利作用，因此，分布式的本质是将集中的能量源发生器产生的能量，分配给多个分布式的推进器，从民航飞行器发展使用的角度来看，之所以会考虑分布式推进是由于目前民用涡扇发动机涵道比已经接近10，而受制于结构和部件的限制，涵道比很难继续提高，而分布式推进系统突破了传统涡扇发动机的结构和部件匹配限制，因而可以获得更高的涵道比。

分布式推进的一种典型的应用形式为通过不同功率传输方法由一个或多个电源驱动的分布式推进器，也即分布式电动推进（distributed electrical propulsion，DEP），而用电源驱动的原因在于电动推进的尺度独立性（scale independce），即在不需要付出代价的情况下将推进装置分布在整个机体上以实现集成优势，如无论电动机和控制器是否分散为１kw、10kw 或100kw 的电动机，它们的功率重量比和效率基本不变，而尺度独立性不是活塞式发动机或涡轮发动机的特征，因为使用化石燃料的发动机尺寸缩小，其功率（推力）重量比、效率和可靠性都会受到很大影响。

2.分布式电推进系统组成

供电系统：由太阳能电池板、燃料电池、储能电池、发电机等组成，为推进系统提供电能。太阳能电池板在航天器上广泛应用，将太阳能转化为电能；燃料电池通过电化学反应产生电能，能量密度较高；储能电池用于存储多余电能，在需要时释放。

推进系统：包含多个电动推进器，如涵道式风扇、螺旋桨等，不同类型的推进器适用于不同的航空航天场景。电动推进器将电能转化为机械能，产生推力推动飞行器前进。

能量管理与控制系统：负责监测和管理整个系统的能量流动，根据飞行任务和系统状态，合理分配电能到各个推进器和其他设备，确保系统高效、稳定运行。还能对推进器的工作状态进行精确控制，实现飞行器的姿态调整和轨道控制。

传动与连接系统：将电动推进器与飞行器的结构连接起来，传递动力和扭矩，确保推进器的推力能够有效地作用于飞行器。包括传动轴、联轴器、轴承等部件，需要具备高强度、轻量化和高可靠性。

辅助系统：如冷却系统，用于降低电动推进器、电机等设备在运行过程中产生的热量，保证其性能和寿命；还有保护系统，在系统出现过载、短路等故障时，及时切断电路，保护设备安全。

3.关键技术

高效电机技术：研发高功率密度、高效率、轻量化的电机，是提高分布式电推进系统性能的关键。例如高温超导电机，具有体积小、功率密度高和效率高等优势。

先进电力电子技术：包括功率转换器、逆变器、控制器等，能够实现电能的高效转换和精确控制，确保推进器的稳定运行和推力调节。

能量存储与管理技术：需要开发高能量密度的储能设备，如新型电池、超级电容器等，同时优化能量管理策略，提高能源利用效率，满足飞行器不同飞行阶段的能量需求。

分布式控制技术：通过先进的控制算法和通信技术，实现多个推进器之间的协同工作和精确控制，使飞行器具有良好的机动性和稳定性。

4.分布式电推进系统优势

高效环保：能使电能直接转化为动能，避免复杂的化学反应过程，能量转换效率高，通常可达到 90% 以上，且不使用燃油发动机螺旋桨，有效减少噪声和碳排放。能量利用率可达90%-95%，传统内燃机在30%-40%。

安全性高：多个推进器的分布式布局具有天然的冗余性，即使部分电机出现故障，其他电机仍可维持飞行器的飞行，提高了系统的可靠性和容错性。

布局灵活：推进器可根据飞行器的设计需求，灵活分布在不同位置，优化气动布局，提高飞行器的性能和飞行效率，还能通过推力差动产生额外的控制力矩，实现飞机的滚转、偏航和俯仰等机动动作。

维护成本低：相比传统的机械传动推进系统，结构简单，零部件数量减少，降低了制造和维护成本。

固定翼航空器具有高的巡航飞行气动效率和电推进系统易于实现矢量推力或推力转向，因此DEP技术的应用主要集中于固定翼飞机。

结构简单：下图展示了R44（一种民用直升机）和eVTOL的旋翼结构对比，可以看出分布式推进系统所需的动力总成系统的体积更小、质量更轻，而这意味着较低的维修保养的需求和成本。

5.国内外研究情况

5.1 国外

美国：在航空航天分布式电推进领域处于领先地位，国家航空航天局（NASA）等机构投入大量资源进行研究和开发。如 Joby Aviation 的 S2 和 S4 飞机，通过采用分布式推进系统，实现了垂直起降与长时间巡航的双重功能。

欧洲：众多科研机构和企业也在积极开展相关研究，在电动飞机和无人机的分布式电推进技术方面取得了不少成果，一些小型电动飞机和无人机已经开始进行商业化应用。

5.2 国内

科研机构和高校：如中国航天科技集团、北京航空航天大学、西北工业大学等，在分布式电推进技术的基础研究和关键技术攻关方面取得了一定进展，开展了关于高效电机、电力电子技术、能量管理系统等方面的研究工作。

企业：部分企业也开始涉足这一领域，在电动垂直起降飞行器（eVTOL）等产品的研发上取得了一些突破，推动了分布式电推进技术在民用航空领域的应用。

6.分布式电推进系统应用场景

6.1 航空领域

电动垂直起降飞行器（eVTOL）：城市空中交通是未来交通的一个重要发展方向，eVTOL 凭借其能够在城市环境中垂直起降和低空飞行的特点，有望缓解城市交通拥堵。分布式电推进系统可以为 eVTOL 提供多个独立的推进单元，实现垂直起降和水平飞行的高效转换，提高飞行的稳定性和安全性。例如，德国的 Volocopter 公司的产品就采用了分布式电推进技术，通过多个涵道风扇实现垂直起降和飞行控制。

通用航空飞机：在通用航空领域，分布式电推进系统可以为小型飞机提供更灵活的设计和更高的性能。可以将电机和螺旋桨分布在机翼或机身的不同位置，优化飞机的气动布局，降低阻力，提高燃油效率。一些新型的电动通用航空飞机，如以色列的 Eviation 公司的 Alice 飞机，采用分布式电推进系统，具有低噪音、低运营成本的优势，适用于短途客运和货运等任务。

无人机：分布式电推进在无人机领域应用广泛，多旋翼无人机就是典型的例子。通过多个电机和螺旋桨的组合，无人机可以实现灵活的姿态控制和稳定的飞行。在农业植保、物流配送、测绘等领域，分布式电推进无人机能够根据不同的任务需求，快速调整飞行姿态和航线，完成各种复杂的任务。

6.2 航天领域

卫星：对于卫星来说，分布式电推进系统可以用于卫星的姿态控制和轨道调整。传统的卫星通常采用化学推进系统或单个大型电推进器，而分布式电推进系统可以将多个小型电推进器分布在卫星的不同位置，通过精确控制每个推进器的推力，实现更灵活、更精确的姿态控制和轨道机动。例如，美国的 SpaceX 公司的星链卫星就采用了分布式电推进技术，以实现卫星的快速部署和轨道调整。

载人飞船：在载人飞船的返回和着陆阶段，分布式电推进系统可以提供精确的姿态控制和动力支持。通过在飞船的不同部位安装小型推进器，在返回过程中可以更好地控制飞船的姿态和下降速度，确保安全着陆。此外，在飞船的在轨运行阶段，分布式电推进系统也可以用于轨道维持和交会对接等任务。

深空探测器：在深空探测任务中，分布式电推进系统可以为探测器提供长期、稳定的推力。多个电推进器可以根据探测器的飞行轨迹和任务需求，协同工作，实现探测器的加速、减速和姿态调整。例如，美国宇航局（NASA）的 “黎明号” 探测器就采用了离子推进系统，这是一种分布式电推进技术，成功完成了对小行星灶神星和谷神星的探测任务。