- 15年只专注于开关磁阻电机一种电机
作为航空业“第三时代”的重要标志，能够明显提高能源利用效率、降低噪声和减少排放，在航空业绿色转型上远高于常规航空发动机技术进步带来的收益。
航空动力系统的电气化发展途径，按照电能是否提供全部推力可分为全电推进和混合电推进两种形式。考虑到当前全电推进中动力电池的单位体积内的包含的能量已成为制约电推进技术发展应用的最大瓶颈，用“发电装置+电动机”的混合电推进模式代替全电推进模式将是当下航空电气化发展最为可行的方案之一。
在航空业，电推进技术的探索由来已久。相对于传统的燃油动力技术，电推进技术具备如下优势：
电推进动力系统架构较燃油动力更简化，为预测和排除一些故障带来便利，同时拓展了飞行器设计的自由度
分布式电推进可将动力分散到飞行器的各个主要结构上，并改变机体周围流场，提高气动性能。
图：不一样的电推进飞机，来源：亿航智能、时的科技、Lilium、沃飞长空等公司官网
按照飞机推力的来源及垂起方式等可将电推进飞机分类为全电垂直起降飞机（eVTOL）、全电传统起降飞机和混合电推进飞机等，下表展示了三类电推进飞机2020年至2030年在航程、座级和功率上的发展趋势：
结合上表及相关研究，全电推进中动力电池的单位体积内的包含的能量已成为制约电推进技术发展应用的最大瓶颈。当前电池单体电芯的单位体积内的包含的能量顶配水平在300Wh/kg左右，难以满足eVTOL独特的任务剖面以及苛刻的运行环境的要求。尽管有分析认为，到2030年单位体积内的包含的能量超过500Wh/kg的锂电池有望实现大规模工业应用，但也远低于燃料的单位体积内的包含的能量（约12000Wh/kg）。
混合电推进系统通过将传统燃油发动机与电动机相结合，充分的发挥两者的优势，从而有效解决纯电飞行器的续航、充电和载荷等问题。在续航方面，燃油发动机可以在飞行过程中持续发电，为电动机提供电力补充，大大延长了飞行器的续航里程。
当前，按照电能在混合动力中的使用方法不一样，混合电推进系统可大致分为串联式混合电推进系统和并联式混合电推进系统，两种联接方式的主要区别是发动机是否与推进系统联接：
● 基本原理：串联式混合动力推进技术架构如下图所示，图中C，G，T分别代表燃气涡轮发动机的压气机、燃烧室以及涡轮三大部件。使用燃气涡轮发动机带动发电机产生电能，通过电缆连接电动机，电动机与涵道风扇或旋翼或螺旋桨机械连接产生推力，电池作为辅助能源在功率需求较大的飞行阶段为推进提供额外能量来源，在巡航或下降等功率需求较小的飞行阶段，燃气涡轮发动机可以始终工作在高效率区，部分功率用于驱动涵道风扇或旋翼或螺旋桨，多余功率用于为电池充电。串联式混合动力一般会用分布式推进，一台燃气涡轮发动机带动多个螺旋桨或小型电动风扇。通过能量管理系统实现能量分配和高效利用。
图：串联式涡轮-电动混合动力推进系统示意图；来源：《航空燃气涡轮-电混合动力系统关键技术分析》
● 特点：在串联式混合电推进系统中燃气涡轮发动机只负责带动发电机产生电能，所有推力均来源于电动机驱动的螺旋桨或风扇，由于可以在一定程度上完成较大的等效涵道比，因此油耗性能十分优异。但电驱推进的排气速度较低，导致动力系统高度速度特性较差。
● 应用方向：串联式混合电推进系统一般应用于垂直起降、通用航空、低速无人机以及支线客机等对飞行速度要求不高的飞行器。
下图分别为美国实验系统宇航公司ESAero的“ECO-150支线客机概念图”和NASA的“X-57 Maxwell飞机概念图”，两种方案均采取串联式混合电推进技术，目标是降低巡航耗油率和Nox的排放。
● 基本原理：并联式混合电推进系统基本构成如下图所示。在传统双转子涡扇发动机的基础上，通过在高低压轴上耦合设计内置式起动发电机，实现高功率电能的产生与利用。基于电机与发电机的可逆向工作原理，在发动机起动阶段，起动发电机在发动机稳定工作前作为电起动机工作，带动发动机转子到一定转速后喷油点火，使发动机进入稳定工作状态；在发动机稳定工作阶段，电动机转换为发电机，提取高低压轴功率向飞机用电设备供电。外置储能系统可以依据不同飞行阶段的功率需求来做能量补充或存储，在不同飞行阶段，通过燃油与电能的综合调配，实现能量的高效利用，以此来降低油耗，提升航程或留空时间。
图：并联式涡轮-电动混合动力推进系统示意图；来源：《航空燃气涡轮-电混合动力系统关键技术分析》
● 特点：并联式混合电推进系统通过在燃气涡轮发动机的轴上并联电机，能够调节发动机在不同飞行工况下的功率，在高功率需求阶段电机作为助力，短时间提升发动机推力性能，在功率需求较低阶段电机转换为发电机进行功率提取。由于构型与涡扇发动机基本一致，因此并联式混合电推进系统具备较好的高度和速度推力特性，同时油耗率比传统发动机有所降低。
● 应用方向：并联式混合电推进系统适宜应用于中高速无人机、公务机以及干线客机等对飞行速度有一定要求的飞行器。
航空燃气涡轮-电混合动力系统是在传统燃气涡轮发动机基础上，以大功率的电能产生与利用为鲜明特征的全新架构航空动力系统。与传统燃气涡轮发动机相比，其主要性能和应用优势包括以下几点：
混合动力推进系统中存在燃油、电能两种不同的能量形式，电池作为电能存储装置，在飞行过程中能够更好的起到“能量缓存”的作用，在起飞、爬升等功率需求较高的阶段，电池可当作辅助能量来源共同输出功率，从而满足较大的推进功率需求；在巡航阶段，燃气涡轮发动机可以工作在最优效率点，多余的功率可以存储进入电池。在下降阶段，推进功率需求逐步降低，一方面能够采用电池存储燃机多余功率，另一方面也可以关闭燃气涡轮发动机，直接采取电池提供较小的推进功率。通过飞行任务剖面的综合能量优化管理，可降低任务循环的综合燃油消耗量。
图：混合动力系统全剖面能量优化利用示意图，来源：《航空燃气涡轮-电混合动力系统关键技术分析》
提升传统燃气涡轮发动机的热效率与单位推力，唯一方式是大幅度提高发动机热力循环参数（高涡轮前温度、高总压比等），高温、高负荷对发动机的部件设计及结构材料强度等提出了极高的要求，制约了燃气涡轮发动机性能的逐步提升。混合动力系统能够均衡飞行器在起飞、爬升以及巡航段所需的功率，优化燃气涡轮发动机的设计参数，储能系统可在发动机功率不足时提供补充能源或在功率过剩时吸纳多余功率，一方面能够让燃气涡轮核心机始终处于高效工作点，另一方面也减小了燃气涡轮核心机高功率工作范围，使得无需采用较高的热力循环参数设计便可满足飞行器的推力和油耗需求，以此来降低了发动机设计难度、制造成本及后期维护成本。
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%。
图：传统发动机（左）和混合动力发动机（右）工作区域对比，来源：公众号《向哥谈无人机与低空产业》
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，总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。这将有效提升等效涵道比，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。
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，以下列举国内外的一些典型混动飞行器案例：
纯电eVTOL头部企业JOBY通过收购一家氢能航空公司，也已进行提前布局。2024年7月11日，美国电动航空上市公司Joby宣布氢电版的S4eVTOL验证机在6月底的测试中一次性飞行了523英里（约841公里）。据介绍，该验证机集成了液态氢燃料箱和燃料电池系统，搭载了40公斤液氢，降落时还剩余10%。
2023年11月完成ChaparralC1机型的首飞，这款全自主的混合动力eVTOL货运飞机，采用自研的混合电推进系统，航程可达300英里（约483公里），有效负载300磅（136公斤）。该公司先后拿到包括“敏捷至上”项目在内的多个军方合同，累计融资近1亿美元，投资方包括洛克希德马丁等。
Electra.aero公司由约翰·兰福德(JohnLangford)创立，他是美国极光公司（Aurora）创始人和前CEO、美国航空航天协会（AIAA）现任主席。极光公司2017年被波音公司收购后，兰福德于2020年初离开极光公司创立了Electra公司，与多名麻省理工的航空航天系教授合作研制了该机的基本设计。
Electra设计为11座超短距起降的涡轮混合电动飞机，可搭载9名乘客，2名飞行员，设计航程500英里（约805公里），巡航速度200英里/小时（约322公里/小时），将具有短至150英尺（约46米）的地面滑跑距离，使其能够在长度约为300英尺（约91米）的短着陆跑道上运行。
至2023年末，Electra Aero已经从25个客户获得了超过1100架订单，包括直升机包机服务企业Bristow等，2022年1月，洛克希德马丁风险投资投资了该公司。
美国NASA提出了2050年前的航空混合电推进系统总体设计，先后支持并开展了多个研究计划来支持相关企业和机构开展混合电推进技术探索，预计2035年安装混合动力推进系统的飞行器将投入市场。
NASA为满足2035年耗油率降低70%，氮氧化物排放降低80%，噪声比国际民用航空组织（International Civil Aviation Organization，ICAO）第三阶段标准降低81dB的远大目标，开展了大量混合分布式研究工作，并取得了重要进展。对于未来宽体客机，NASA探索了全复合材料、层流、翼身融合体的N3-X飞机概念，如下图所示，其最突出的特点是采用了燃气涡轮-电混合分布式推进系统。该系统属于串联式混合电推进系统，将产生推进力的装置与产生动力的装置分开，由两台安装在翼腹的涡轴发动机驱动超导发电机产生电能，并驱动15台嵌入机身的超导电动推进器产生推力。
中国航发集团、应流股份、宗申动力、鸿鹏航空等在60-120kW级方面完成了混动系统关测试/试飞，在200-1000kW级方面开展了方案设计、样机试制与台架测试工作。清华大学、北京理工大学等科研院所也进行了多年的研究探索，并取得了丰硕成果，以下为部分案例展示：
中国航发湖南动力机械研究所（简称“608所”）联合山河科技有限公司，基于阿若拉SA60L轻型运动飞机，开展80kW级串联混合电推进系统技术探讨研究与验证。该系统通过80kW级燃气涡轮发电系统产生电能，与3.5kWh的动力电池串联，驱动电机带动螺旋桨产生推力。该系统于2022年3月完成飞行演示验证：
图：80kW级混合动力系统装SA60L飞机进行飞行试验；来源：《航空动力期刊》
由清华团队创办的追梦空天科技公司已完成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0.7kW/kg，耗油率为0.35kg/kWh，已完成最大起飞重量为640kg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。
值得一提的是，除了油电混动方案外，追梦空天团队还在积极探索液氢混合动力电推进方案，并于2025年1月9日完成国内首型吨级混动倾转eVTOL搭载液氢的飞行验证，由此也验证了混合电推进方案中对于不同燃料的适配友好性。
翊飞航空科技公司的创始团队具备美国赛斯纳、北航无人机、丰鸟无人机等国内外知名航空企业北京，公司针对支线/下沉航空物流市场需求研发的ES1000电动短距起降无人运输机已进入制造环节。该机最大商载1500公斤，标准航程1200公里，计划采用600~800kW级涡轮混合动力与分布式电推进方案，具备优秀能力的短距起降能力，起降滑跑距离约100米，并可在非铺装道面跑道起降。
该飞机纯电版验证机已完成总装，计划在2025年陆续完成纯电版和混动版的首飞。
混合电推进技术作为航空业的创新技术，尽管具备前述优势，同时也已具备工程化经验，但仍面临如下挑战，亟待突破：
● 结构复杂：混合电推进系统融合了传统燃油发动机、发电机、电池、电动机等多个子系统，各部件之间的连接和协同工作机制复杂，导致系统的整体设计、安装和调试难度大幅增加；
● 集成挑战：不同部件来自不同技术领域，其物理特性、工作参数和控制逻辑差异大，要实现高效集成，使各部件在不同飞行工况下都能协同工作，达到最优性能，面临诸多技术难题。如航空发动机与质子交换膜燃料电池耦合时，因燃料电池工作温区窄，而航空发动机进气参数变化大，两者协同匹配工作难度大。
▶ 研发方向及突破点：采用模型预测控制、多目标优化等先进控制策略，实现各子系统的协同优化控制；运用多物理场耦合仿真技术，在设计阶段对系统来进行全面的性能评估和优化。
● 转换损失：在混合电推进系统中，能量需在多种形式间转换，如燃油化学能先转化为机械能，再转化为电能，最后又转化为机械能驱动螺旋桨，每次转换都会有能量损失，降低了系统整体效率
● 传输损耗：电能在传输过程中，由于电线电阻、电磁干扰等因素，也会产生能量损耗。尤其是在分布式电推进系统中，电机分布在机翼或机身各处，电能传输距离长，传输损耗更明显。
▶ 研发方向及突破点：探索新型材料和制造工艺，降低能量转换装置的内阻和损耗；采用分布式能源管理系统，根据飞行工况实时优化能量分配，减少传输距离和损失。
● 重量问题：为满足飞机的航程和性能要求，混合电推进系统要配备较大容量的电池和其他相关设备，这会使飞机的重量明显地增加。而飞机重量增加会导致油耗上升、飞行性能直线下降，增加运营成本。
● 空间占用：混合电推进系统的各个部件体积较大，需要在飞机有限的空间内合理地布局，这对飞机的结构设计和内部空间利用提出了更加高的要求。如电池组通常体积较大，如何在不影响飞机气动性能和客舱空间的前提下，合理安置电池组是一个挑战。
▶ 研发方向及突破点：研发高能量密度的电池、轻量化的电机和发电机等部件；优化系统布局，采用紧凑化设计，提高空间利用率。
● 认证难度大：混合电推进技术路线差异大，目前缺乏针对性的适航条款和标准规范，使得适航认证难度较高。
● 标准制定滞后：航空业技术发展迅速，混合电推进系统不停地改进革新，但有关标准规范的制定相对滞后，无法及时跟上技术发展步伐，给新技术的应用和推广带来障碍。
▶ 突破点：热情参加适航标准的制定和修订工作，推动建立统一的适航认证体系；开展适航验证技术探讨研究，积累数据和经验，为系统的认证提供技术支持。
根据以上分析，参考新能源车产业纯电和混动长期并存的态势，我们大家都认为，在动力电池性能达到理想状态之前，混合电推进系统将成为飞行器实现长续航能力的优选方案，未来混动和纯电路线也将长期并存。
政策方面，2024年03月27日，工信部等四部门联合发布的《通用航空装备创新应用实施方案（2024-2030年）》，标志着通航领域的顶层设计出台。其中涉及动力方案的表述包括：1）明确以电动化为主攻方向，兼顾混合动力、氢动力、可持续燃料动力等技术路线）建设“干-支-末”无人机配送网络；推进大中型固定翼飞机；支持加快支线物流、末端配送无人机研制生产并投入运营。3）持续推动100-200马力活塞发动机批量交付，实现市场规模应用。4）开展400kW以下混合推进系统研制。
表：《通用航空装备创新应用实施方案（2024-2030 年）》 摘要；来源：中国政府网、招商证券
基于以上分析，从股权投资角度，我们梳理了混合电推进系统相关的产业链投资图谱如下：
图：混合电推进系统相关的产业链投资图谱；来源：国投泰康股权投资业务总部研究
同时基于相关行业研究、市场调查与研究、企业走访等工作，就混合电推进产业链相关的飞行器整机和产业链上游分别提出如下投资思路：
● 严选下游应用方向：应选择具备明确市场需求、商业化路径清晰、具备较高的技术壁垒的方向，总体原则包括“先载货后载人、先隔离后融合、军民两用”等；
● 注重适航符合性设计：飞行器从设计之初就最大限度地考虑适航符合性，根据有关要求正向研发设计；
● 强调团队背景和技术储备：航空产业对技术和实践的要求比较高，拟投标的公司应具备技术、工艺、供应链、市场、公司治理等复合型能力；在技术方面，考虑到混合电推进系统的特殊性，应着重关注创始团队在：混合动力系统总体性能设计与分析建模、飞发一体化设计与分析和能量综合管理控制技术方面的技术储备及实操经验。
● 货运无人机：市场需求明确，技术成熟度较高，商业化路径清晰，尤其关注具备军民两用特性的产品。
● 聚焦关键技术：国内外混合电推进系统的关键技术探讨研究方向最重要的包含如下方面：
(1) 混合动力系统总体性能优化设计技术：全新动力构型相关的建模与分析技术、飞发一体化设计技术、分布式控制架构设计技术；
(2) 航空用高功率燃气涡轮发电技术：核心难点在于高温材料、热效率极限、动态控制与轻量化设计；
(3) 高功率密度电机系统：是混合分布式推进系统的核心部件，其能量转化效率、功重比等性能直接影响混合动力系统的性能收益；
(4) 高功率电驱及电控系统：重点解决大功率电能的产生、传输、调配以及利用等一系列关键问题；
(5) 热管理系统及热回收系统：新一代飞行器在引入大量电气化设备后，电器元件的散热与热防护成为新的问题。
● 挖掘具备平台化能力的通用技术及工艺：基于上述关键技术，挖掘具备上述关键技术的平台化扩展能力和通用技术，同时下游应用广泛的企业。
● 高功率密度发电系统：作为提供电能的系统，发电系统对混合电推进系统很重要，着重关注兆瓦级的传统涡轮发电机及半超导、全超导发电机技术，核心参数包括功率密度及能源转换效率等；
● 高功率密度电机：电机是混合电推进系统的核心动力部件，具备高功率密度、高效率、轻量化设计，同时适应航空领域的高转速和高可靠性要求的高功率密度电机市场需求明确，其中：永磁电机、超导电机等技术方向具有高成长性；
● 轻量化材料及工艺：轻量化材料（如碳纤维复合材料、钛合金）可明显降低飞行器重量，是提升飞行器性能的关键，技术附加值高，着重关注具备碳纤维复材、钛合金等全产业链布局能力，具备平台化通用技术及工艺的相关标的。
在全球交通变革与科学技术创新的浪潮中，混合电推进系统为新一代飞行器的发展开辟了崭新的道路。它不仅有效解决了纯电飞行器面临的续航、载荷和充电等关键痛点，更以其独特的技术优势，为飞行器在物流配送、城市空中交通、应急救援及军用等领域的广泛应用提供了可能。从投资视角来看，无论是整机制造商、核心子系统研发企业，还是核心零部件供应商，都蕴含着巨大的投资潜力，有望在行业的加快速度进行发展中收获丰厚的回报。
1.《航空燃气涡轮-电混合电推进系统关键技术分析》伏宇，刘昭威，郑天慧，王鹏
2.《分布式电推进飞机电力系统研究综述》孔祥浩，张卓然，陆嘉伟，李进才，于立
3.《混动eVTOL：电动垂起中坚力量，低空经济重要支撑》追梦空天创始人蔡文宽
