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混合动力推进系统与飞机数字化设计现状与展望*

摘要：本文总结了国内外针对混合动力推进系统及飞机发展专门开发的数字化设计工具，归纳了

其相应设计方法及特点。综合来看，为了满足混合动力飞机的设计需求，集成高精度电系统和热能管理

系统模型，建立针对性的性能评估体系、飞机与发动机设计的数据耦合交互、研究设计与安全性分析相

统一的建模方法、基于人工智能方法提高优化设计管理能力是目前面向其特点的关键发展方向，并为其

后续的实验验证、适航条例制定等工程应用提供重要的技术支撑和设计依据。

关键词：混合动力推进系统设计；混合动力飞机设计；多学科优化设计；混合动力评价体系；综述

于环境改善的需求，航空业的普及，乘坐飞机在21世

1引言

纪成为了大众在面对长途旅行时的首选，客机可以

混合动力推进系统及飞机具有节能、减排、降提供高效、快速和安全的运输，这是任何其他长途旅

噪、低运营成本等潜力，国内外对这一领域的研究正行方式都无法比拟的。低污染、低噪声、高性价比、高

逐渐从概念设计过渡到应用研究。与传统推进系统燃油效率和更大设计灵活度是航空业持续关注的重

的设计不同，混合动力推进系统为动力系统机械解点需求。此外，航空旅行由于其灵活的容量和路线，

耦提供条件的同时，也增加了系统复杂性和设计自低廉的基础设施成本和不受地理障碍的限制，已使航

由度，使其在多学科设计、评价体系建立、飞机发动空业发展进一步迅速扩张，同时进一步刺激了航空业

机一体化设计等方面有着更为复杂、苛刻的需求。节能、减排和降低成本的需求。但是以涡轮风扇发动

在过去的15年中，在飞机推进系统的设计中加入电机为代表的传统动力系统由于燃烧温度已接近化学

推进的考量逐渐进入大众视野，激发了各大科研单极限，涡轮材料限制和冷却的高代价使得传统航空发

位和航空公司对于新概念航空技术的想象力。混合动机的热效率提升空间有限，其性能提升已逐步逼近

动力推进受到了其在海洋推进、汽车工业等相邻领了渐近线。由于传统航空发动机涵道比变化范围小，

域的启发，被认为在航空航天领域也有着广阔的应非设计点工况下部件性能下降严重，使得其设计无法

用前景。在发展初期的5年内，关于混合动力的专业兼顾宽速域、大空域的需求，因此必须考虑更具革命

论文每年仅以个位数量级在发表，从2015年开始，相性的进步，才能达到社会和市场对航空发动机进步

关的论文数量增长显著，每年增量约30篇，学术界和的需求。因此美国在2008年提出针对2035年技术

工业界对这一热点的关注可见一斑。［1］

条件的‘N+3’目标；欧洲制定了针对航空业节能减

［2］

混合动力引发公众兴趣的重要原因是：首先，由排的发展策略；中国政府也自2009年起宣布了一系

*收稿日期：2022-11-30；修订日期：2023-10-06。

第45卷第3期混合动力推进系统与飞机数字化设计现状与展望2024年

列有关遏制温室气体排放的措施，2020年做出了“双为特定概念的飞机设计提供定制化服务。通过对

［3-7］设计模块的重复使用节省了设计人员不必要付出

碳”战略的重大部署。针对减碳，甚至零碳的航空

设计目标，多种具有低排放特性的新概念飞行器的的重复劳动，