为推动绿色航空发展，美国能源部自2019年便针对轻质高效全电推进系统研发开始布局，在相关计划里制定了严苛指标，集结多机构探索多技术路径，分阶段推进概念设计与样机验证，以期共同支撑未来航空电推进技术发展。截至目前，已有数个项目取得了阶段性成果。

针对绿色航空发展，美国能源部（DOE）在2019年年底发布了集成驱动的航空级协同冷却电机（ASCEND）计划，重点开发新型轻质超高效电机、电子驱动器和相关热管理系统（统称为“全电推进系统”），助力单通道、150～200座的客机实现净零碳排放。

计划概况

ASCEND计划由美国能源部预先研究计划局（ARPA-E）负责管理。ARPA-E是美国能源部在2007年成立的创新研究机构，借鉴了美国国防预先研究计划局（DARPA）的经验模式，开展能源领域的具有高风险、高影响力特征的创新活动，聚焦从基础研究与开发到初步验证阶段的工作，资助克服“死亡之谷”阶段的技术难题。

ASCEND计划为全电推进系统设定的指标是：功率密度≥12kW/kg、效率≥93%；研制出世界上功率密度最高的电机。该要求超出了当时最先进的技术能力，特别需要在电机和电力电子领域进行创新（计划具体研究项目情况如表1所示，涉及的主要技术与研究机构如图1所示）。ARPA-E同期还启动了低碳高效电推进航空增程器（REEACH）计划，资金4200万美元，旨在开发能量储存和发电技术，将燃料转化为电能，效率超过70%。两个研究计划共同支持未来电动航空，旨在实现超过60%的总效率（见图2）。

表1   ASCEND计划具体研究项目

ASCEND计划主要分为两个实施阶段：第一阶段（2021—2022年）旨在降低技术风险，开展电机、电子驱动器及其集成的概念设计和仿真模拟，以及子系统/组件级验证，以支持性能预测所提出的关键支撑技术；第二阶段（2023—2024年）旨在开发、制造全电推进系统的缩比样机（≥250kW），开展试验测试，并注意与飞机制造商的协同（表2为该阶段各机构研究的功率级别）。最初计划投资3500万美元，但目前已超4600万美元，且部分项目已策划到2026年，但也有部分项目未能进入第二阶段。

表2   ASCEND计划中第二阶段各机构研究的功率级别

计划的研究项目与内容

航空推进用集成冷却与驱动的高功率密度双转子永磁电机

先进磁体实验室公司在2009—2014年曾获得美国能源部和美国国家航空航天局（NASA）的资助，开发用于风力发电机和航空涡轮电航空的超导电机；2015年开始致力于开发高功率密度永磁电机。该项目涉及的系统主要参数如表3所示。

表3   电机系统的主要参数

项目主要涉及的关键技术包括以下几种。

空芯定子绕组双转子电机。基于先进磁体实验室公司正在研发的“连续定向磁通”（PM-360TM）磁体的高功率密度永磁双转子；永磁体形成理想的海尔贝克（Halbach）阵列，将磁场很好地控制在电机内，实现高磁负载，且无需传统电机的铁芯；采用“透明线圈”技术的定子，能直接冷却，允许高电流密度定子线圈。

高功率密度碳化硅（SiC）转换器。为提高冗余，减少直流支撑电容及增强容错能力，使用双逆变器配置；采用二电平拓扑结构、6片SiC模块、优化的冷却板。先进磁体实验室公司还将研发具有高开关频率（>25kHz）的高效三电平SiC转换器，可集成到电机外壳上；并与佛罗里达州立大学先进电力系统中心合作，研发用于驱动和控制电机的高功率密度转换器。

共用闭环冷却系统。电机和转换器集成，最大限度地降低压降及冷却剂用量。液体冷却剂带走电机和转换器的热量，在换热器内与涵道风扇的气流换热降温，再由液体泵送入电机，实现闭环冷却（见图3）。

用于窄体飞机的电动适航轻型集成式热增强动力系统

GE全球研发中心开发了1型2MW的集成式全电动飞机的动力系统，并验证了1型660kW的全尺寸原型机。创新的设计和制造技术将显著减轻质量，提高功率密度，同时保持很高的电能与机械能转换效率。该系统的主要参数如表4所示。

表4   集成式全电动飞机动力系统的主要参数

项目主要涉及的关键技术包括：高压、直驱、同步永磁电机，使用超临界CO₂（sCO₂）和高温高电压绝缘对绕组进行嵌入式冷却；完全集成到电机中的模块化逆变器，以减少高温、低损SiC逆变器模块的组件数量；用于电机和逆变器冷却的超紧凑热管理系统（见图4）。

先进电推进系统

霍尼韦尔公司和马里兰大学提议研发一种新型的高压、高效率、高功率密度的先进电推进系统，峰值功率500kW，能直接驱动推进器，无需再放大扭矩，从而减轻质量、降低成本和缩小体积，并提高可靠性。电机及其驱动器作为主要部件将高度集成以获得更好的性能，并共用一个底盘和冷却系统。该系统的主要参数如表5所示。

表5   先进电推进系统的主要参数

项目主要涉及的关键技术包括以下几种。

高效的创新热管理系统。利用飞机推进器的高速气体流经集成在AEPS外壳中的新型散热器来冷却电力电子设备与电机。散热器通过使用新颖的流量分配结构以及降低对流阻力来最大限度地降低热阻。

电力电子设备。使用高压、高功率、SiC基、多相、多级的逆变器，并采用专为符合电晕和局部放电要求而设计的架构。

高效电机。采用多级/多槽的Halbach阵列、复合材料转子结构，具有很好的高温绝缘特性，这些关键创新可以在不影响效率的情况下减轻整机的质量，增大电机效率以及热导率和电导率。

高功率密度电机和驱动器的低温热管理

超级技术研究公司计划设计和验证数兆瓦、高效、高功率密度的集成电推进电机、电驱动和热管理系统，以满足未来混合电推进单通道客机的性能要求。项目结合了先进的高性能感应电机和驱动系统以及用于协同冷却的新型先进热管理技术，可使用低温液化天然气作为发电能源，并采用大型热电池冷却系统，在商用窄体飞机的所有不同飞行阶段提供超紧凑、轻质和高效的热管理系统功能。若技术成功，该系统的电机能以比现有传统非低温电机更高的功率密度运行，并且接近低温超导电机的功率密度。该系统的主要参数如表6所示。

表6   高功率密度电机和驱动器的低温热管理系统的主要参数

项目主要涉及的关键技术包括：采用液化天然气作燃料，能同时冷却电机，还可使用液氩或其他低温液体冷却剂；未来的潜力是以液氢为燃料，能直接冷却电机，或利用氢氦换热器冷却；电机的定子和转子采用铝材料（铝合金或超导铝）。

采用结合了先进冷却和模块化集成电力电子的增材制造绕组的高功率密度电机

马凯特大学与合作伙伴正在开发用于航空航天推进的下一代集成电推进系统。目标是能在额定功率、速度和系统电压等方面具有可扩展性（可缩放性），预计能在宽范围的应用领域产生积极影响，从而实现下一代混合电推进/全电推进。该系统的主要参数如表7所示。

表7   集成电推进系统的主要参数

项目主要涉及的关键技术包括以下几种。

新型增材制造的空心线圈直接冷却定子绕组。

模块化电力电子器件与电机紧密集成，显著提高功率密度，避免长电缆、滤波器及相互连接，从而提高系统效率并减少电磁干扰问题。宽带隙的氮化镓（GaN）器件，用于实现高效率和更高的开关频率，以直接驱动具有低电感值的单个线圈，从而提高系统功率密度。每个电力电子模块都将被集成，这种模块化方法将提高系统的容错能力和可靠性。

电机和电力电子模块将共享热管理系统。

超导电机和低温冷却转换器的发动机

雷神技术研究中心将与田纳西大学、超级技术研究公司、俄亥俄州立大学和太平洋西北国家实验室合作，研发1种功率为2.5MW、转速为5000r/min的发动机，采用新型超导电机和低温冷却逆变器，用于飞机电推进，可实现93%以上的效率和12.5kW/kg的功率。

系统包括低温冷却的航空级全超导同步电机、基于新型宽带隙半导体元器件的功率转换器和先进的磁热自适应低温冷却器。低温冷却利用零碳液体燃料实现。这种协同方法可提供极高的功率密度并优化系统的整体性能。项目在2023年3月取消，实施了一年半时间。

超轻、集成、可靠、航空级、采用先进冷却技术的协同优化电机和转换器

雷神技术研究中心提出超轻、集成、可靠、航空级、采用先进冷却技术的协同优化电机和转换器来改进电功率到轴功率的传动系统（见图5），并验证涡轮发电分布式推进系统的可行性。该系统的主要参数如表8所示。

表8   ULTRA-COMPACT系统的主要参数

项目主要涉及的关键技术包括：新型高速永磁电机；基于串并联多级SiC的电机驱动拓扑；使用轻质复合材料的高功率密度变速箱；集成式、主动控制的热管理系统，可直接向电机、变速箱和转换器提供冷却液。

航空用下一代轴向电机的多物理协同设计

得克萨斯农工大学重点开展了用于飞机的轻型超高效电推进系统的设计、制造和试验。每个子系统都设计得能与其他子系统紧密集成，以最大限度地减轻质量。项目将采用协同设计方法优化系统的多物理性能。系统将通过测试关键组件样件进行广泛的建模和验证。然后将优化、制造和试验测试一个完整的250kW原型机。系统的主要参数如表9所列示。

表9   得克萨斯农工大学电机系统的主要参数

项目主要涉及的关键技术包括：采用轻质碳纤维增强结构材料的轴向磁通电机；GaN多级电平逆变器，原型机采用了SiC材料；导热纳米复合电绝缘材料；两相微通道热管理系统，带有沸石热能储存以吸收起飞时产生的过多热量；碳纤维增强结构。

基于磁通转换的未来飞机用全电推进系统

加州大学圣克鲁斯分校提出了一种新型全电推进系统，带有高温超导场线圈的磁通转换电机，比传统设计更小更轻，且在热管理方面有巨大优势。

电子设备基于最先进的SiC多电平逆变器技术，能简便地连接到中压电源并降低电机的电磁噪声和绝缘应力。使用宽带隙半导体元器件的初步设计表明能够达到必要的功率密度。使用固体或润滑油冷却剂的新型低温系统能将高温超导场线圈固定冷却在60K。电驱动系统使用传统的空气冷却。项目在2023年6月取消，实施了2年时间。

大型电动飞机推进系统的第二代电机

莱特电气公司将设计1型高效率、高扭矩密度的电推进系统，结合集成冷却、电力电子和转子设计等方面的创新，设计将在不牺牲安全性或使用现有制造技术的前提下研发一型高性能电机，计划使用挑战性很强的槽内冷却方案，并结合效率可能超过99.5%的高频逆变器。该系统的主要参数如表10所示。

表10   莱特电气公司电机系统的主要参数

项目主要涉及的关键技术包括：带Halbach转子的高频定子；高频、软开关驱动；共用热管理。

莱特电气公司研制的2.5MW的大功率电机能在800V、1200V时分别提供2MW、2.5MW的峰值功率，以满足不同的应用要求，可用于直接驱动涵道风扇，或通过单级变速箱为螺旋桨提供动力，抑或作为4MW级涡轮发电机的发电机组。公司自2022年以来一直在测试电机和扩建实验室，目前已完成高空测试，并在2025年开始了地面测试。

结束语

无论从绿色转型还是从敏捷运输的角度，电推进都是未来航空领域的重要方向，当前的各种小型电动飞机百花齐放，但用于干支线的大中型电动飞机均停留在纸面或实验室。要满足干支线电动飞机的长航时、大载荷的运输需求，核心还在于电推进系统，有待于高功率密度电机、高效热管理、高压电气架构和电子器件等关键技术突破。美国政府将这些关键技术攻关委托给若干专业科研机构，采取不同的技术路线进行探索，取得了较大技术进展，其研发重点、组织模式与应用进展值得持续关注。

  （李炎，中国航发湖南动力机械研究所，工程师，主要从事航空发动机总体性能研究）