张扬军
汽车电动化发展促进了航空电动化，1903年莱特兄弟用活塞发动机实现了人类的第一次动力飞行，也是第一次航空飞行。随后，涡轮动力代替航空动力高速飞行揭开了第二次航空革命的序幕。现在的航空电动化又称为第三次航空技术革命，它为整个飞行器的设计带来革命性变化。
航空电动化的核心是涡轴、涡桨、涡扇，电动化发展为涡电动力，是目前中高速无人机、中重型飞行汽车、eVTOL（电动垂直起降飞行器或飞行汽车）等新一代装备的主导动力形式。
当前阶段，无人机和飞行汽车是电动化发展的突破口和引领者。相对于大型的电动飞机，无人机和飞行汽车的优势主要在于其研发技术难度小，需求功率大，而且与汽车产业的融合度比较高。目前，无人机和飞行汽车的功率等级需求在百千瓦级至兆瓦级，这样的航空涡电动力技术，将为航空未来十兆瓦级乃至更大功率等级的航空涡电动力发展奠定基础。
涡电动力主要由涡轮发电（涡轮机和电机耦合）、电动推进（分布式推进）和电池储能系统组成。电动化就是传统的燃油发电加上分布式推进，比如，我们现在乘坐的民航客机，按照NASA的数据可以节油70%，波音737MAX之所以出问题就是因为航空涡扇发动机的涵道比太大。虽然涵道比越大经济性越好，但如果飞机高度和叶片速度受限，就没办法再大。而分布式推进把径向涵道比变成横向涵道比，不仅大幅提高涵道比和经济性，还可以实现垂直起降。
现在的涡电动力是燃油驱动，但在“双碳”目标下涡电动力将发展为新能源的氢涡电动力。氢涡电涉及氢涡能和电动的交叉融合，即使在功率特别大的涡扇发动机中，氢涡扇发动机也会有中间电功率提取。因为涡电动力涉及飞机的整体融合，所以也会与电动结合，只不过大部分推力很可能是由于涡扇产生的，但还会取出一部分电变成分布式推进，所以涡电动力是航空新能源科技竞争的制高点。
涡电动力、航空发电机和气热学的主要基础是气动热力学。发动机气动热力学2.0是一门交叉学科，由涡轮机气动热力学、电动力电池热力学以及电化学热力学融合而成，是新一轮科技革命和产业变革下气动热力学新的学科增长点。
气动热力学发展大概可以分成三个阶段。第一阶段是涡轮动力，主要是热机，属于传统工程任务范畴；第二阶段是电工和化工融合的涡电发动机，因为有了电机，所以也就有了电化学动力；第三阶段将会进一步与人工智能结合，也就是气动热力学。换言之，热机是第一阶段，电动化是第二阶段，智能化是第三阶段。本文探讨的电动化属于第二阶段，它的研究前沿和核心重点主要是涡电动力的高功率密度和高效化发展。
当前，功率是涡电发动机研发面临的技术瓶颈，作为研究热点，涡电功率密度具体可以用涡轮发电系统的功重比，以及推进系统的推重比表征。电机影响涡电动力发电系统的功重比，是影响涡电动力功率密度的关键因素。因此，提高电机功率密度的同时也要解决散热难的问题。
因为发电机、推进电机都是和叶轮机连着，作为主要的工作介质，其产生的气流很大。为此，我们提出通过电机和叶轮机耦合发展电机、叶轮机一体化的设计方法，通过研究揭示电机产热、传热和叶轮机环量分布的耦合效应。由于通流主气流量非常大，靠传统的冷却电机散热显得左支右绌，通过电机、叶轮机一体化设计，利用叶轮机的通流强化电机散热，可以有效提高电机的功率密度。
我们在此基础上进行了创新，用平板热管耦合到电机的散热结构，实现电机和叶轮机结构一体化的嵌入式叶轮电机技术，达到了国际水平。这样的结构可以让电机内部的传热系数和外部的冷却气量均呈量级增长，解决涡电动力高功率密度、大功率散热难的问题。
基于这个技术，我们也研发了推重比达到5级的分布式电动风扇推进系统，电动风扇推进单元的最大功率可达百公斤级。推重比5级是什么概念？就是我们的电动风扇推进系统把国际上的指标提高了25%。这样一个百千瓦级的涡电动力的研发，促进了我国中高速、长航速无人机涡扇动力的电动化发展，有效支撑了中高速无人机兆瓦级涡电动力的研发，也为我国中重型飞行汽车高功率密度的百千瓦级涡电动力以及新一代特种车辆兆瓦级涡电动力研发奠定了坚实的基础。
当前，高效率的涡电动力可能代表了一个趋势。涡轮发电机最大的问题是发电和内燃机比效率低，现在的涡电动力效率是25%-40%。涡电动力的优势是功重比高，功率密度高，航空既要求高功率密度又要求高效率，所以涡电动力是主导的动力形式，高效化是涡电动力的一个重要发展方向。
研发新能源的涡电动力，主要为了解决“双高”的问题，既要求高功率密度又要求高效率。现在发布的很多飞行汽车主要面临载荷、航程的问题，实际上飞行动力决定飞行汽车能不能飞得起来、能飞多远、能不能飞得安全，希望新能源的涡电动力能引领带动我国新能源航空汽车技术跨界融合的高质量发展。目前，研发新能源的涡电动力专项主要包括四个内容：一是新理论，高效率的涡电动力气动热力学；二是新技术，包括变流路涡轮机械、热电堆燃料电池及变循环涡电动力；三是新动力，混合变循环的燃料电池，面向未来的高温混合变循环涡电动力；四是新应用，分别为飞行汽车eVTOL、新能源航空无人机和新能源汽车（重载车辆）。
当前的动力形式主要有两种，一是变循环涡电动力，二是混合变循环涡电动力。
第一，关于变循环涡电动力。涡轮发电机最大的特点和内燃机不一样，在部分负荷工况下效率很快降下来，通过变流路的涡轮机械创新结构，可以实现大流量和小流量多工作模式，有效提高涡电动力部分负荷的效率。其工作模式流量比可以大于等于3，通过对兆瓦级的涡电动力研究表明，在50%负荷的情况下，其效率可以提升近十个百分点。
第二，关于混合变循环涡电动力。热机和热机耦合称“负荷循环”，而热机和电化学耦合称“混合”，也叫作“混合变循环”，燃料电池就设计在这个循环里面。混合变循环主要通过热电堆燃料电池和变流涡轮机械，实现涡电动力的高效率和高功率的多模式工作。这涉及两个技术解决路径：一是由于燃料电池要的气量比较小，但涡轮机的气量非常大，因此，需要通过变流路解决流量不匹配的问题；二是涡轮机温度越高效率越好，但燃料电池的出温太低，不满足涡轮机，所以用热电堆燃料电池创新技术解决和涡电动力耦合的问题。
热电堆燃料电池不仅是燃料电池，把燃料转化为电能的同时要和涡轮进行高温放热，实现燃烧时的功能，需要满足涡电动力涡轮的高温要求。涡轮进来温度越高效率越高，但是还要考虑成本问题，特别是面向涡轮大众化和无人机的应用，所以将热电堆燃料电池温度设计在一千摄氏度左右，既有燃料电池能取电，同时还能实现高温放电。
总之，涡电动力也就是涡电发动机，涡轮发动机转变为涡电发动机是涡电动力的电动化发展，把涡轴、涡桨、涡扇统一起来，在当前阶段是中高速无人机和中重型飞行汽车等新一代装备的主导动力，也是航空新能源动力的创新发展方向。涡电动力的理论基础是涡电动力气动热力学，其研究前沿和核心重点是高功率密度和高效化发展。
（作者系清华大学教授、俄罗斯工程院外籍院士。本文根据作者在2023年新能源科学与交通电动化国际论坛上所做的演讲整理。）