航空航天混合动力（3）航空航天混合动力发动机概述
航空航天混合动力发动机概述
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- 混合动力系统的发动机类型及特点
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1.1 燃气轮机发电
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1.2 内燃机式活塞发动机发电
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1.3 涡轮轴式涡轮发电机
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1.4 燃Cell与电动联合系统
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1.5 太阳能与电动联合系统
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2.航空航天混合动力系统对发动机的要求
1.混合动力系统目前所用发动机类型及特点
1.1燃气涡轮发电
发动机类型：燃气涡轮发动机 + 电动机
燃气涡轮主要充当主动力源，并负责驱动发电机产生电能。电动机则有助于协助起飞和爬升阶段的任务，并在其中提供额外的推力。
优势主要体现在提高整个飞行过程中的能量使用效率上。具体来说，在巡航阶段通过采用更高效的燃气涡轮发动机技术，在保持飞行稳定的同时实现了更高的能效比；而当功率需求增加时，则采用电动推进系统来补充动力。
应用场景：商业航空、军用运输机、大型无人机
具体实例：波音公司的787梦幻客机，空客的A350 XWB
特点：该方法专为长途飞行设计，在整个飞行过程中可实现能量消耗的最优化，并能显著提升燃油经济性。
1.2活塞发动机发电
发动机类型：传统发动机（如活塞式发动机）+ 电动机
特点：发动机的主要功能是发电而非直接驱动飞机；所产生电能则供给电动机，并由这些电动机负责驱动螺旋桨或其他推进装置。
该种设计的优势在于能够实现更灵活的能量管理，并且可能使传统发动机采用较小尺寸以减轻重量并降低燃料消耗。
应用场景：城市空中交通（UAM）、短途飞行器、小型无人机
具体实例：Volocopter的VoloCity，Lilium Jet
特点：适用于短途和低速飞行，能够实现灵活的能量管理和低噪音运行。
1.3涡轴发动机发电
发动机类型：包括涡轮轴发动机以及电动机 特点：主要由涡轮轴发动机用于直升机或垂直起降飞行器。
电动机具备额外的推力能力，在垂直起降和悬停阶段表现尤为突出。该系统的主要优势体现在提升直升机的机动性和效率水平。
应用场景：直升机、垂直起降飞行器（VTOL）
具体实例：Sikorsky S-97 Raider，Bell Nexus
特点：适用于垂直起降和悬停任务，提高了直升机的机动性和效率。
1.4燃料电池-电动混合系统
发动机类型：燃料电池 + 电动机
特点： 燃料电池提供持续的电能，电动机负责驱动飞行器。
该系统具有零排放和高效率的特点。
适合长航程和长时间飞行任务。
应用场景：长途无人机、特殊任务飞行器、未来商业航空
具体实例：Hydrogen Aircraft Technology H2Fly，ZeroAvia ZA600
特点：适用于长航程和长时间飞行任务，具有零排放和高效率的特点。
1.5太阳能-电动混合系统
发动机类型：太阳能电池板 + 电动机
特点： 太阳能电池板将太阳能捕获并转换为电能存储于电池中；电动机被电池供电，并用于驱动飞行器；该系统特别适用于长时间持续飞行任务。
应用场景：高空长航时飞行器（HALE）、科研飞行器
具体实例：Solar Impulse 2，Zephyr S
该系统专为高空长航时飞行任务设计，在白天能够利用太阳能将其转化为电能并储存在电池里，并持续夜飞行。
2.航空航天混合动力系统对发动机的要求
- 高效率：
发动机须在不同工况下维持高效运转，在负荷变化频繁时展现出卓越性能。
原因：高效的发动机可以减少燃料消耗，延长飞行时间，降低运营成本。
- 轻量化：
要求：发动机及其相关组件必须尽可能轻，以减轻飞机的整体重量。
降低飞机重量不仅能够提升飞行载重能力，并且还能缩短起降 runway长度的同时也会减少燃油消耗。
- 可靠性：
要求：发动机必须具有高可靠性和长寿命，能够在极端环境下稳定运行。
原因：航空航天任务通常涵盖长时间运行以及复杂的作业条件，在任何情况下出现故障都可能带来严重的安全隐患。
紧凑布局：发动机的结构特征必须符合安装要求，并且不产生负面影响对飞机的空气动力学特性。
原因：紧凑的设计有助于优化飞机的布局，提高整体性能。
- 低噪音和低排放：
发动机应当尽可能地降低噪音排放，并特别针对城市空中交通和商业航空领域。
原因：改善车内环境质量不仅有助于提升乘客体验和乘坐舒适感，并且能够降低对环境的影响程度；同时该措施还符合环保法规的相关规定。
- 多模式运行：
要求：发动机需具备多样化的运行模式配置（纯电模式、混动模式、增程模式等），以便满足不同场景下的性能需求
原因：通过多模式运行策略的实施,能够显著提升系统在不同工作状态下的适应能力;以适应各个飞行阶段的具体要求.
- 快速反应：
要求：发动机需具备迅速适应负荷变化的能力，在起飞阶段、爬升阶段以及下降阶段尤其要表现出良好的快速反应特性。
原因：迅速反应能够增强飞行的安全性和稳定性，并保证各飞行阶段的能力
- 维护简便：
要求：发动机的设计应便于维护和检修，减少停机时间和维护成本。
原因：维护简便可以提高飞机的可用率，降低运营成本。
- 集成化控制：
发动机必须与飞机的各个相关系统紧密配合，并在电力系统、控制系统等关键领域实施充分整合以实现智能化的综合管理
原因：集成化控制可以提高系统的整体协调性和可靠性，简化操作流程。
- 热管理：
要求：发动机必须具有良好的热管理能力，确保在高功率输出时不会过热。
原因：有效的热管理可以延长发动机的使用寿命，提高安全性。