当前，电动飞行器发展迅速，但其航程、航时等依然受到电池技术的制约。混合动力可摆脱这一制约，成为驱动电动飞行器的另一个现实选择。本文旨在梳理航空纯电动力、传动动力和混合动力的特点，揭示出混合动力的相对优势，并将对这一动力的发展趋势进行展望。
1. 混合动力可打破纯电动力的局限
相对于传统发动机，用电机作为推进器具有多种优势。一是电能源利用率可高达92%，转速、功率适用范围宽。二是电机推进系统结构简单，振动小，噪声低，响应快。三是电能传输简单，推进系统安装位置灵活，易于实现分布式推进，增加系统效率。
然而，纯电动力飞行器在航速、航程上还受限于当前的电池技术水平。以锂电池为例，其能量密度低于0.35千瓦·时/千克，成组后低于0.25千瓦·时/千克。而燃油的能量密度为12千瓦·时/千克，即便发动机只有30%左右的效率，依然可以实现3.6千瓦·时/千克的等效能量密度。此外，由于飞行器有对瞬时大功率的需求，还需要考虑能源系统的功率密度等问题。由此可见，纯电动力电动飞行器的航速航时较为受限。下图为电池能量密度发展趋势。
而研究发现，在电池能量密度为0.2千瓦时/千克，发电系统的功率密度为0.5千瓦/千克时，串联式混合动力与纯电动力等效时的巡航时间为23分钟。这意味着，当航时小于23分钟时，纯电动力更为经济。当超过23分钟后，使用串联式混合动力可以增加航程。此时，燃油的高能量密度带来的收益，将弥补并超过混合动力所增加的重量带来的损失。
可见，采用燃油发电和电池组混合动力，可以兼顾飞行器大功率放电和长时间巡航的多种需求。串联式混合动力系统更加适合低巡航功率、长航时飞行的飞行器。
2. 串联式混合动力系统工作原理
常见混合动力系统构型包括串联式和并联式两种，本文重点介绍前者。
下图为串联式混合动力系统架构示意图。可以看到，串联式混合动力系统由发动机、发电机、储能系统、电推进系统（电动螺旋桨或者电动涵道）等组成，可以实现发动机与螺旋桨之间的转速解耦。也即：发动机仅用于发电产生电能，电池作为储能元件完成能量的吸收、储存和释放，螺旋桨完全由电动机驱动。因此，串联式混合动力系统可细分为：发电子系统（由发动机、变速箱和发电机组成，又称为增程器）、储能系统（动力电池）和推进子系统（由电动机、减速器和螺旋桨组成）。
其中，电池既可以放电为电动机供能，也可由发电机充电。由此，串联式混合动力系统的工作模式可以归纳为如下四种。
纯发动机模式：发动机驱动发电机发电，进而驱动电动机带动螺旋桨旋转，全程电池既不充电也不放电，螺旋桨功耗完全来源于发动机。纯电动模式：电池放电驱动电动机输出功率，带动螺旋桨旋转，全程发动机不工作，螺旋桨功耗完全来源于电池放电。电池充电模式：发动机驱动发电机发电，产生的电能一部分驱动电动机输出动力，另一部分储存在电池中。电池放电模式：发动机驱动发电机发电，同时电池放电，两者产生的电能一同驱动电动机输出动力。
3. 串联式混合动力系统主要特点
相较于传统发动机，串联式混合动力系统具有以下优势：
第一，分布式结构。由于电机具有相对尺度近似无关的特性，即一个大功率电机系统分解为多个小功率电机系统后，整个系统的功率密度和效率基本不变。因此，可以以分布式小功率电动机驱动小直径螺旋桨、风扇或旋翼的方式，取代大直径螺旋桨、风扇或旋翼。这将有效提高等效涵道比，提高发动机热效率，有效增加航程、降低噪声。此外，小尺寸螺旋桨、风扇或旋翼，更易与机体融合，可大幅度改善飞行器整体气动效率。分布式结构还可在发电子系统、电推进子系统、储能装置之间省去机械传输结构，为飞行器结构布局带来极大便利。
第二，能量存储与控制。发电机可利用发动机剩余功率发电并储存，为飞行器机载设备提供更丰沛的供电能力。推进系统的能量控制更为灵活，容错性能更好。经能量管理系统调节，发动机可保持在高效率、低油耗、排放少的绿色工作状态。此外，由于储能系统可提供起飞状态所需的部分功率且电池具备高倍率放电特征，因而所需发动机功率较传统构型发动机更小。
此外，在纯电动动力模式下，飞行器自身噪声可大幅降低，可有效改善飞行器对周边环境的噪声影响。
下图为传统发动机（左）和混合动力发动机（右）工作区域平均效率比较。传统发动机为15%~20%，混合动力发动机为30%~36%。
需要指出的是，由于需要增加发电机、电动机和能源管理控制装置，串联式混合动力系统的重量有所增加，并且因在运行过程中需要转换能量，发动机输出能量会有一定损失。
但整体来看，串联式混合动力系统虽然略重，但可较大提升飞行器总体效能。随着自身功率密度和系统效率的不断提高，串联式混合动力系统有望成为电动飞行器最为可靠和现实的动力系统。
4. 航空串联式混合动力系统用发动机
目前，航空串联式混合动力系统用发动机有三类。如下图所示，分别为活塞发动机（左）、涡轮发动机（中）和氢燃料电池发动机（右）。
活塞发动机在满足功率需求不超过300千瓦左右的轻型低速飞行器方面具有独特优势。一方面，该型发动机经济性好，油耗低，成本亲民；另一方面，其结构简单，易于维护修理。但因噪音和振动较大使用受限。涡轮发动机更适用于长途高空飞机。其压缩效率高于活塞发动机，且可高功率输出。当动力系统需求功率大于300千瓦时，涡轮发动机更有优势。氢燃料电池发动机不产生温室气体排放，环保性好。且因使用氢燃料电池，能量转化效率高。但储氢技术和氢发生器的功率密度水平尚不能满足实际需要。
针对起飞重量在一吨以内的中小型无人机，串联式混合动力活塞发动机的油耗具有显著优势。针对起飞重量两吨以上的飞行器，串联式混合动力涡轮发动机的功重比具有显著优势。
而就eVTOL来说，在巡航阶段以固定翼飞行时，无需较高巡航功率。此时采用较小机载发电系统即可满足巡航功率需求。而起降阶段的功率需求是巡航阶段功率需求的三倍以上。此时可通过电池组补充发电满足功率需求。由此可见，在整个飞行轨迹内，串联式混合动力系统与eVTOL需求匹配度更高。eVTOL采用串联式混合动力系统更具优势。下图为处于起飞阶段（左）和巡航阶段（右）的eVTOL。
5. 当前混动eVTOL发展情况
目前，国内外主要在研eVTOL以纯电动力为主。由于逐步发现现有电池技术带来的局限性，部分制造商已关注并研发混合动力eVTOL。美国Joby公司是混合动力eVTOL先驱。2024年7月，Joby公司代号为S4的eVTOL完成了523英里（842公里）的不间断飞行，验证了串联式混合动力氢电池发动机在电动飞行器特别是eVTOL上的巨大应用潜力。
追梦空天科技公司是中国混合动力eVTOL领跑者，已完成70千瓦级串联式混合动力活塞发动机的试制验证。该型发动机的功重比达到0.7千瓦/千克，耗油率为0.35公斤/千瓦时，已完成最大起飞重量为640公斤的垂直起降无人机的试飞验证工作。其中，无人机的最大飞行速度为320公里/小时，巡航速度为240公里/小时，航程可达800至1,000公里。用以驱动最大起飞重量达数吨级的电动飞行器的400千瓦级乃至兆瓦级串联式混合动力涡轮发动机，也正在研发当中。
作者：王向阳
清华大学航空发动机研究院副研究员，追梦空天科技联合创始人。主要从事eVTOL研发、航空混合动力系统与eVTOL飞行器飞推综合控制研究。
