低空飛行器三大關鍵系統之一：動力子系統建德短途運輸航線開通
作者: 小李 2025-06-29 01:15:33
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飛行器三大關鍵系統之一：動力子系統2025-06-2809:12·長三角G60激光聯盟人生旅行走走停停長三角G60激光聯盟陳長軍轉載熱忱歡迎參加我們在2025年9月23-25日舉辦的第三屆深圳eVTOL展和激光在低空經濟中的應用大會（9月24日）題圖|來自網絡DJI無人機圖片整理編輯|走走停停的Jason轉載引用請注明原出處，內容僅供交流學習，不做任何商業用途，不代表任何投資建議。如有侵權請聯系后臺刪除。點這里查看往期低空經濟系列內容產業之【低空經濟】—低空經濟概述及全球發展概況（內含產業鏈布局和企業圖譜)產業之【低空經濟】—“AI+低空飛行器”賦能各行各業（低空經濟系列2）產業之【低空經濟】—工業級無人機（低空經濟系列3）倘若把低空飛行器當做一個人，那么它的各個關鍵系統可以類比為：軀干（機身）、四肢（機翼）、心臟（動力）、大腦（飛控系統與AI）、五官（各類傳感器與任務載荷）、五臟六腑與神經血管（航電、機電等機載系統）。我們把這些關鍵的系統分為三大類：動力子系統、航電與飛控子系統以及飛機平臺與機電子系統。動力子系統包括三大類：內燃機動力推進系統、電力推進系統和混合動力推進系統。內燃機動力推進系統包括：活塞/渦軸發動機等內燃機、起發供電系統和螺旋槳；電力推進系統包括：電池、電機、電控（其中，電池、電機和電控簡稱為“三電”系統）和螺旋槳；混合動力系統可以認為是內燃機動力推進系統和電力推進系統的組合，其包括：活塞/渦軸發動機等內燃機、起發供電系統、“三電”系統和螺旋槳。航電與飛控子系統包括：飛控系統（含飛控計算機、舵機控制機）、導航設備、衛星通信設備、自組網通信設備、光電吊艙、數字微光相機、激光雷達測量系統產品等。飛機平臺與機電子系統包括：機體結構、燃油系統、起落架系統、隔振系統、航空照明產品等。本期內容，我們首先詳細剖析介紹三大關鍵系統之一的動力子系統。動力子系統如上所述，目前主流的無人機動力系統包括三種：內燃機動力推進系統、電力推進系統和混合動力推進系統。內燃機動力推進系統以活塞、渦軸、渦扇、渦噴等類型內燃機作為動力源，通過汽油、重油、氫燃料等燃料的燃燒產生能量，再通過驅動螺旋槳轉動（活塞、渦軸、渦槳）或高速排出的氣流（渦扇、渦噴）產生推力，為無人機提供動力。同時，內燃機通過起發供電系統給電池和其他機載系統供電。中小型內燃機動力推進無人機以采用活塞、渦噴發動機為主，大型內燃機動力推進無人機根據使用環境的不同，分別采用活塞、渦軸、渦槳、渦扇等類型發動機。廣義上的直升機動力系統還包括傳動系統（含減速器和傳動軸）。電力推進系統由螺旋槳/涵道風扇、電機、電控、線束、電池集成，為飛機提供動力，與傳統發動機相比容易改善飛機的氣動布局和安全冗余。混合動力推進系統正成為航空動力發展的重要方向，它將燃油（或汽油、重油、氫燃料）與電力結合，通過內燃機與電動機聯合驅動，提高效率并降低排放。1.航空活塞發動機航空活塞發動機作為航空動力系統的核心組件之一，擁有悠久的歷史和廣泛的應用。隨著航空技術的不斷進步，航空活塞發動機在設計理念、材料應用和燃料多樣性（燃油、汽油、重油、氫燃料）等方面持續創新，滿足了從通用航空到無人機領域的多樣化需求。國產航瑞DB416航空重油活塞發動機如下圖所示。航空活塞發動機的歷史和典型應用航空活塞發動機的歷史可以追溯到航空工業的萌芽階段。在早期航空動力系統中，航空活塞發動機以其相對簡單的結構和制造工藝成為主流。20世紀初，萊特兄弟首創的“輕量化四缸發動機”成功驅動了人類歷史上的首次飛行，奠定了航空活塞發動機的基礎。二戰時期，隨著航空技術的發展，航空活塞發動機在功率和可靠性方面取得了飛躍式進步，如V型發動機和星型發動機廣泛應用于戰斗機和轟炸機。現代階段，在渦輪發動機逐漸成為主流后，航空活塞發動機的市場轉向無人機、輕型飛機及通用航空領域，其技術進一步優化。航空活塞發動機因其高效、靈活和經濟的特點，廣泛應用于以下領域應急救援：為無人直升機提供動力，用于物流運輸、搶險救災、森林滅火、海上救援、島礁投送等任務；通用航空：小型飛機和輕型運動飛機廣泛采用航空活塞發動機，其具有較高的經濟性和較低的維修成本，成為許多飛行器的首選。未來，航空活塞發動機將朝著集成化、混合動力技術、氫能應用、智能化和數字化以及輕量化與高效能材料等方向綜合發展。集成化發展：一體化動力模塊的設計理念將燃油系統、點火系統、冷卻系統和傳感器緊密集成于單一模塊中，既簡化了整體結構，又大幅提升了維護效率與系統性能的一致性。同時，先進的螺旋槳驅動系統進行全面升級，通過可變螺距設計與電子控制優化，實現發動機與螺旋槳的協同標定，從而推動整體系統性能的提升，而不再局限于傳統的單一發動機優化。混合動力技術：其一方面是燃油與電力結合，即通過內燃機和電動機的聯合驅動，提高效率并降低排放。另一方面是再生制動與能量回收，即通過電動系統回收著陸時的動能并存儲，用于下一次起飛。氫能應用：氫內燃機是一種通過直接燃燒氫氣來釋放能量的動力裝置。氫氣以其高能量密度和清潔燃燒特性，在航空活塞發動機中展現出巨大的潛力。為了適應氫氣獨特的燃燒特性，氫內燃機需要優化燃燒室設計、增強點火系統的可靠性，并匹配高壓供氫系統，確保燃燒效率和飛行安全。智能化與數字化：通過傳感器網絡和先進的人工智能算法，發動機能夠實現實時狀態監測與故障預測，主動規避潛在風險，提升運行安全性。同時，基于數據鏈路的遠程監控和智能控制功能，可以對發動機性能進行精確調節，以適應復雜多變的飛行任務需求。大數據分析和數字孿生技術的結合，為發動機設計優化，健康管理和性能提升提供了強有力的支撐。輕量化與高效能材料：新型復合材料，如碳纖維復合材料和鈦合金，因其優異的強度重量比和耐疲勞性能，顯著減輕了發動機的整體質量，同時提升了結構強度和抗震能力，為飛機的燃油效率和航程帶來了直接效益。此外，表面涂層技術的進步，特別是在高溫耐磨涂層和抗腐蝕涂層的開發上，大幅提高了關鍵零部件在嚴苛環境下的耐久性和可靠性。2.起發供電系統起發供電系統由電機、電控、配電、線束和電池組成，完成對發動機的起動和在發動機拖動下發電的功能。起動過程為：起動電源給控制器提供28V直流電源，由控制器將28V直流電源轉換成三相交流電，驅動電機起動發動機，不同發動機應采用不同的控制策略，使得整個起動過程平穩絲滑，起動效率高。發動過程為：發動機起動成功后，電機為控制器提供三相交流電，控制器將三相交流電整流成幅值隨轉速變化的直流電，再由DC-DC（直流-直流轉換器）環節將電壓穩定在28V，有時考慮線損穩定在29V，輸出電壓質量應滿足GJB181B-2012《飛機供電特性》的要求。3.螺旋槳作為低空經濟重要的飛行場景，低空應用場景要求飛行器在較低的飛行馬赫數下具備較高的推進效率，且具備良好的低速特性。而主流的推進方式之一就是螺旋槳推進，因螺旋槳在低速飛行條件下具備超高的推進等效涵道比，使其成為低空經濟中最受關注的推進方式之一。其中，以eVTOL為代表的低空飛行器便廣泛采用螺旋槳作為其核心推進部件。與固定翼對飛行速度的要求不同，螺旋槳通過槳葉旋轉便產生與飛行方向相匹配的氣動力，能輕易實現飛行器的垂直起降、懸停及低速飛行。而當飛行速度進一步增加時，螺旋槳可與固定翼配合，令固定翼完全承擔升力，而槳葉產生的氣動力僅用于克服飛行阻力，從而高效提升巡航效率。螺旋槳的高效氣動設計和復合材料的應用，滿足低空經濟對高效、環保和經濟的需求。通過基于飛行工況的剖面翼型、扭轉角、槳葉數量等設計，可以實現高升阻比、低噪聲污染的設計目標。與傳統金屬材料相比，玻璃纖維、碳纖維等復合材料在保證或提高螺旋槳力學特性的同時，進一步實現了螺旋槳的輕量化設計，對低空經濟飛行器的安全與經濟性具有重要意義。4.電池與新能源電動車用電池相比，eVTOL用電池在安全性、能量密度、功率密度等方面有著更高的要求。安全性：美國航空無線電技術委員會（RTCA）發布的RTCADO-311修訂版A-2017《可充電鋰電池及電池系統最低操作性能標準》中明確規定：當單個電芯發生熱失控時，電池系統必須確保不會產生碎片釋放和火焰逸出，同時排放物的逸出需符合聲明的排放類別。能量密度：目前，eVTOL用電池電芯的能量密度已到285Wh/kg，通常續航200~300Km的eVTOL需要150~200KWh的電池組（質量通常在600~800kg）。如果需要進一步提升續航時間或獲得更多商載質量，則必須進一步提升電池的能量密度來減輕自身負重，減少體積占比。功率密度：eVTOL實現垂直起降所需的電池功率密度遠高于在地面行駛的同等質量電車的電池功率密度。根據國外相關機構研究，eVTOL與電車的放電功率需求存在明顯差異。復合翼或傾轉旋翼構型的eVTOL在航行時會有幾個階段，包括：起飛懸停、爬升、巡航、下降、降落懸停等。在巡航期間放電倍率通常處于1C~2C，但在起飛和降落時都需要極高的功率輸出，通常放電倍率達到約3C~5C。考慮到飛機下降時電池處于低電量狀態，此時進行高倍率放電對電池的要求更苛刻（低電量時電池電壓降低，需輸出更高電流支持輸出功率。）此外，考慮到緊急迫降情況，如其中一個電池包失效，則剩余電池包就需承擔整體的動力輸出，電池需要在低電量情況下做到高功率放電，由此可見eVTOL對于電池功率密度具有更苛刻和全面的要求。5.電機與電控作為eVTOL的核心部件之一，推進系統是制約該新型飛行器發展的關鍵因素，發展輕質化、高可靠性推進電機系統是實現跨越式發展、突破關鍵瓶頸的重要方向。永磁電機具有高功率密度、高效率的特點，契合eVTOL電力推進技術需求，可構成一種極具發展潛力的電力推進系統。eVTOL用永磁推進系統發展需要高轉矩/功率密度、高可靠性與高安全性等特殊要求，重點圍繞永磁推進電機輕質化拓撲結構、全域損耗分布特性與高效熱管理技術，位置冗余及多通道協同智能控制技術等關鍵基礎科學問題開展技術研究，建立適用于eVTOL的輕質化永磁推進電機系統綜合設計理論。探求eVTOL推進系統高可靠性、高安全性要求下的輕質化永磁推進電機拓撲結構，是實現eVTOL動力裝置輕量化設計的前提與基礎。兼顧高電磁符合運行狀態下的散熱要求和高電壓體制下的高防護等級要求的高效熱管理方法，是保障推進系統在全域載荷范圍內安全可靠運行的核心與關鍵。探明電氣隔離型多通道架構推進系統的故障運行模態、實現弱耦合下各個通道協同運行及高效容錯，是實現推進系統高效、高可靠、高安全運行的重要基礎。6.電動航空未來發展方向：混合動力驅動由于純電力推進系統由供電系統和電力推進系統組成，不需要燃油發動機，廣泛被eVTOL等新興電動航空廠商使用。純電力推進系統所帶來的明顯優點如下：①推動航空綠色發展，應對全球環境挑戰；②相比燃油動力系統，電力推進系統架構更簡化，為預測和排除故障帶來便利，并拓展了飛行器設計的自由度；③電力推進系統架構多采用分布式，理論上更具安全冗余；④分布式電力推進系統可將動力分散到飛行器的各個主要結構上，并改變機體周圍流場，提高氣動性能。但是，純電力推進系統的eVTOL在商載和續航里程方面存在著明顯的短板。限制其商載和續航里程的關鍵問題在于電池的功率密度和能量密度不足。另外，飛行器與純電動飛行汽車不同，對電池的可靠性要求更嚴格，尤其是在供電失效或故障等極端情況下對安全性要求更加苛刻。類似油電混合動力汽車架構可實現對純電動飛行汽車的增程，燃油發動機與電動機共同作用的油電混合推進系統也可用于eVTOL，稱為油電混合動eVTOL或混動eVTOL，國外優勢稱其為HVTOL或HeVTOL。其中的發動機，可以使用活塞發動機，也可以使用渦輪發動機。根據發動機是否直接提供推進動力，油電混合推進系統可再分為并聯式架構和串聯式架構。并聯式架構：發動機與電動機通過傳動裝置共同驅動螺旋槳。發動機在最佳工況點附近運行，電動機用來提供不足的功率，當發動機輸出功率大于飛行所需時，電動機作為發電機運行吸收多余能量。系統效率較高，燃油消耗較少。但由于發動機通過傳動裝置直接耦合到飛機螺旋槳驅動軸上，傳動裝置的存在限制了效率的進一步提高。串聯式架構：發動機不直接提供動力，只驅動發電機提供電能，能實現發動機與電動機的解耦，使得發動機能夠始終在最佳工況點附近穩定運轉，效率高，排放性能好。混合動力也不僅僅是油電混合動力，也可以是氫電混合動力。作為復雜的多學科問題，混動系統的總體優化設計和能量管理策略是決定飛行器性能水平的關鍵。需要從飛行器典型剖面出發對動力系統的設計進行需求分解，再從動力系統設計的功能、性能和安全性角度出發，搭建完整的飛行器構型、重量、功耗計算模型，實現架構設計、重量集成、功耗需求、控制策略等分析能力。相比純電動飛行器，混動系統中采用的發動機在散熱、減震、降噪等方面也給飛行器設計帶來了一定挑戰，這方面相比傳統燃油動力、機械傳動仍會有更好的表現。長三角G60激光聯盟陳長軍轉載熱忱歡迎參加我們在2025年9月23-25日舉辦的第三屆深圳eVTOL展和激光在低空經濟中的應用大會（9月24日）
起動過程為：起動電源給控制器提供28V直流電源，由控制器將28V直流電源轉換成三相交流電，驅動電機起動發動機，不同發動機應采用不同的控制策略，使得整個起動過程平穩絲滑，起動效率高。發動過程為：發動機起動成功后，電機為控制器提供三相交流電，控制器將三相交流電整流成幅值隨轉速變化的直流電，再由DC-DC（直流-直流轉換器）環節將電壓穩定在28V，有時考慮線損穩定在29V，輸出電壓質量應滿足GJB181B-2012《飛機供電特性》的要求。3.螺旋槳作為低空經濟重要的飛行場景，低空應用場景要求飛行器在較低的飛行馬赫數下具備較高的推進效率，且具備良好的低速特性。而主流的推進方式之一就是螺旋槳推進，因螺旋槳在低速飛行條件下具備超高的推進等效涵道比，使其成為低空經濟中最受關注的推進方式之一。其中，以eVTOL為代表的低空飛行器便廣泛采用螺旋槳作為其核心推進部件。與固定翼對飛行速度的要求不同，螺旋槳通過槳葉旋轉便產生與飛行方向相匹配的氣動力，能輕易實現飛行器的垂直起降、懸停及低速飛行。而當飛行速度進一步增加時，螺旋槳可與固定翼配合，令固定翼完全承擔升力，而槳葉產生的氣動力僅用于克服飛行阻力，從而高效提升巡航效率。螺旋槳的高效氣動設計和復合材料的應用，滿足低空經濟對高效、環保和經濟的需求。通過基于飛行工況的剖面翼型、扭轉角、槳葉數量等設計，可以實現高升阻比、低噪聲污染的設計目標。與傳統金屬材料相比，玻璃纖維、碳纖維等復合材料在保證或提高螺旋槳力學特性的同時，進一步實現了螺旋槳的輕量化設計，對低空經濟飛行器的安全與經濟性具有重要意義。4.電池與新能源電動車用電池相比，eVTOL用電池在安全性、能量密度、功率密度等方面有著更高的要求。安全性：美國航空無線電技術委員會（RTCA）發布的RTCADO-311修訂版A-2017《可充電鋰電池及電池系統最低操作性能標準》中明確規定：當單個電芯發生熱失控時，電池系統必須確保不會產生碎片釋放和火焰逸出，同時排放物的逸出需符合聲明的排放類別。能量密度：目前，eVTOL用電池電芯的能量密度已到285Wh/kg，通常續航200~300Km的eVTOL需要150~200KWh的電池組（質量通常在600~800kg）。如果需要進一步提升續航時間或獲得更多商載質量，則必須進一步提升電池的能量密度來減輕自身負重，減少體積占比。功率密度：eVTOL實現垂直起降所需的電池功率密度遠高于在地面行駛的同等質量電車的電池功率密度。根據國外相關機構研究，eVTOL與電車的放電功率需求存在明顯差異。復合翼或傾轉旋翼構型的eVTOL在航行時會有幾個階段，包括：起飛懸停、爬升、巡航、下降、降落懸停等。在巡航期間放電倍率通常處于1C~2C，但在起飛和降落時都需要極高的功率輸出，通常放電倍率達到約3C~5C。考慮到飛機下降時電池處于低電量狀態，此時進行高倍率放電對電池的要求更苛刻（低電量時電池電壓降低，需輸出更高電流支持輸出功率。）此外，考慮到緊急迫降情況，如其中一個電池包失效，則剩余電池包就需承擔整體的動力輸出，電池需要在低電量情況下做到高功率放電，由此可見eVTOL對于電池功率密度具有更苛刻和全面的要求。5.電機與電控作為eVTOL的核心部件之一，推進系統是制約該新型飛行器發展的關鍵因素，發展輕質化、高可靠性推進電機系統是實現跨越式發展、突破關鍵瓶頸的重要方向。永磁電機具有高功率密度、高效率的特點，契合eVTOL電力推進技術需求，可構成一種極具發展潛力的電力推進系統。eVTOL用永磁推進系統發展需要高轉矩/功率密度、高可靠性與高安全性等特殊要求，重點圍繞永磁推進電機輕質化拓撲結構、全域損耗分布特性與高效熱管理技術，位置冗余及多通道協同智能控制技術等關鍵基礎科學問題開展技術研究，建立適用于eVTOL的輕質化永磁推進電機系統綜合設計理論。探求eVTOL推進系統高可靠性、高安全性要求下的輕質化永磁推進電機拓撲結構，是實現eVTOL動力裝置輕量化設計的前提與基礎。兼顧高電磁符合運行狀態下的散熱要求和高電壓體制下的高防護等級要求的高效熱管理方法，是保障推進系統在全域載荷范圍內安全可靠運行的核心與關鍵。探明電氣隔離型多通道架構推進系統的故障運行模態、實現弱耦合下各個通道協同運行及高效容錯，是實現推進系統高效、高可靠、高安全運行的重要基礎。6.電動航空未來發展方向：混合動力驅動由于純電力推進系統由供電系統和電力推進系統組成，不需要燃油發動機，廣泛被eVTOL等新興電動航空廠商使用。純電力推進系統所帶來的明顯優點如下：①推動航空綠色發展，應對全球環境挑戰；②相比燃油動力系統，電力推進系統架構更簡化，為預測和排除故障帶來便利，并拓展了飛行器設計的自由度；③電力推進系統架構多采用分布式，理論上更具安全冗余；④分布式電力推進系統可將動力分散到飛行器的各個主要結構上，并改變機體周圍流場，提高氣動性能。但是，純電力推進系統的eVTOL在商載和續航里程方面存在著明顯的短板。限制其商載和續航里程的關鍵問題在于電池的功率密度和能量密度不足。另外，飛行器與純電動飛行汽車不同，對電池的可靠性要求更嚴格，尤其是在供電失效或故障等極端情況下對安全性要求更加苛刻。類似油電混合動力汽車架構可實現對純電動飛行汽車的增程，燃油發動機與電動機共同作用的油電混合推進系統也可用于eVTOL，稱為油電混合動eVTOL或混動eVTOL，國外優勢稱其為HVTOL或HeVTOL。其中的發動機，可以使用活塞發動機，也可以使用渦輪發動機。根據發動機是否直接提供推進動力，油電混合推進系統可再分為并聯式架構和串聯式架構。并聯式架構：發動機與電動機通過傳動裝置共同驅動螺旋槳。發動機在最佳工況點附近運行，電動機用來提供不足的功率，當發動機輸出功率大于飛行所需時，電動機作為發電機運行吸收多余能量。系統效率較高，燃油消耗較少。但由于發動機通過傳動裝置直接耦合到飛機螺旋槳驅動軸上，傳動裝置的存在限制了效率的進一步提高。串聯式架構：發動機不直接提供動力，只驅動發電機提供電能，能實現發動機與電動機的解耦，使得發動機能夠始終在最佳工況點附近穩定運轉，效率高，排放性能好。混合動力也不僅僅是油電混合動力，也可以是氫電混合動力。作為復雜的多學科問題，混動系統的總體優化設計和能量管理策略是決定飛行器性能水平的關鍵。需要從飛行器典型剖面出發對動力系統的設計進行需求分解，再從動力系統設計的功能、性能和安全性角度出發，搭建完整的飛行器構型、重量、功耗計算模型，實現架構設計、重量集成、功耗需求、控制策略等分析能力。相比純電動飛行器，混動系統中采用的發動機在散熱、減震、降噪等方面也給飛行器設計帶來了一定挑戰，這方面相比傳統燃油動力、機械傳動仍會有更好的表現。長三角G60激光聯盟陳長軍轉載熱忱歡迎參加我們在2025年9月23-25日舉辦的第三屆深圳eVTOL展和激光在低空經濟中的應用大會（9月24日）