在低空经济基础篇1中，我引用了油管上的Animagraffs栏目对航空发动机的基本构造做出了大致的梳理。相信很多人会问，eVTOL（electric vertical takeoff and landing）既然是用电，为什么要介绍航空发动机？
实际上，eVTOL相较于传统飞行器最的最典型特征并不是是否用电，而是采用了分布式驱动系统（distributed propulsion，DP）。什么叫分布式驱动系统？简言之即飞行器的推力分布在飞行器上的一个或多个推进器上，根据维基百科，Distributed propulsion is an arrangement in which the propulsive and related air flows are distributed over the aerodynamic surfaces of an aircraft，目的在于提升飞行器的空气动力优势，推力以及结构效率 。
（图：分布式推进系统示意）
根据以上信息，至少可以提出4个问题：
1.为什么eVTOL会用到分布式推进系统？（分布式推进系统的概念）
2.分布式推进系统的优势是什么？
3.既然它有这么多优势，为什么常见的传统飞行器很少用分布式推进系统？
4.航空发动机在分布式推进系统中的角色是什么？
1.分布式推进系统的概念
分布式推进系统是指飞行器推力由位于整个航空器上的一组推进器产生，目的是提高系统级效率或为飞行器某方面性能改善发挥有利作用，因此，分布式的本质是将集中的能量源发生器产生的能量，分配给多个分布式的推进器，从民航飞行器发展使用的角度来看，之所以会考虑分布式推进是由于目前民用涡扇发动机涵道比已经接近10，而受制于结构和部件的限制，涵道比很难继续提高，而分布式推进系统突破了传统涡扇发动机的结构和部件匹配限制，因而可以获得更高的涵道比。
（图：ESAero公司ECO-150概念机）
分布式推进的一种典型的应用形式为通过不同功率传输方法由一个或多个电源驱动的分布式推进器，也即分布式电动推进（distributed electrical propulsion，DEP），而用电源驱动的原因在于电动推进的尺度独立性（scale independce），即在不需要付出代价的情况下将推进装置分布在整个机体上以实现集成优势，如无论电动机和控制器是否分散为１kw、10kw 或100kw 的电动机，它们的功率重量比和效率基本不变，而尺度独立性不是活塞式发动机或涡轮发动机的特征，因为使用化石燃料的发动机尺寸缩小，其功率（推力）重量比、效率和可靠性都会受到很大影响。
（图：分布式电推系统示意）
（图：Joby S4 分布式电推系统）
2.分布式推进系统的优势
固定翼航空器具有高的巡航飞行气动效率和电推进系统易于实现矢量推力或推力转向，因此DEP技术的应用主要集中于固定翼飞机。使用DEP的优势主要体现在：
（1）结构简单。下图展示了R44（一种民用直升机）和eVTOL的旋翼结构对比，可以看出分布式推进系统所需的动力总成系统的体积更小、质量更轻，而这意味着较低的维修保养的需求和成本。
（图：Joby S4 分布式电推系统）
（2）eVTOL若要满足城市/城际交通场景的需求，需满足具备低噪音要求。城市/城际交通场景需要飞行器具备低噪音特性，而DEP利用推进-气动耦合效应大幅改善飞机空气动力特性，减小机翼面积从而降低飞机结构重量，推进器无高压涡轮叶片且通过功率的分散可进一步减缩气动噪声总声压级。相关研究显示，若允许的噪声降低约10分贝时，8螺旋桨的情况表现最好。
（图：evtol噪音显著低于传统直升机）
（图：分贝对比，传统通航飞机 vs Joby）
（图：普通活塞驱动和Joby推进器噪音产生对比：单个大电机带动的螺旋桨桨尖速度依然是接近音速的，螺旋桨的气动噪声并没有降低）
（3）提供安全冗余。分布式推进器结合推力矢量技术可为航空器提供直接力控制从而降低飞机对尾翼和操纵舵面的依赖，多推进器的冗余能为飞机提供更可靠的推力保障，因而较传统电动飞机具有更高的气动效率、载运能力、环保性以及在飞行控制与推力提供方面的鲁棒性。在电机故障造成的推力损失的情况下，可通过检测电机故障，预测控制器恢复巡航飞行高度，将推力重新分配到正常运行的电机上。
（4）动力系统高能效。能量利用率可达90%-95%，传统内燃机在30%-40%
（图：传统推进装置与电推进装置）
（5）更适合垂直起降。采用DEP能够更加适用于垂直起降，主要是因为在大展弦比后缘布置的矢量喷管能够提供升力、围绕机翼形成超级环流，确保短距起降能力，而保障垂直起降能力，在寸土寸金的城市/城际交通场景应用中是必不可少的属性。
3.为什么很少见到传统飞行器用分布式推进系统？
如果和传统飞机相比，采用分布式电推的飞行器利用了电动机相对尺寸近似无关的特性，即将大功率电动机系统分解为总功率相等的多个小功率电动机系统分布在机身各处以改善飞机飞行性能及提升容错性。但是为什么现实中基本见不到分布式推进的民航飞机，甚至是通用飞机？我查阅了相关资料，认为原因主要有2点：（1）在实现同样飞行功能的情况下，所生产的电动飞机质量过大，并且还需要额外的能量用来冷却工作部件，因此效率非常低下，且电推领域包括电动机、转换器、断路器、电池和冷却系统技术等方面还仍存在大量难题未得到解决；（2）若将DEP应用在大载重、长航程的飞行器上，目前电机、电池能量密度还达不到，而目前看到的eVTOL基本是短航程，小载重，因此能够看到DEP在eVTOL上的大量应用。
（图：电动飞机对供电容量的需求）
4.航空发动机在分布式推进系统中的角色
基于第3部分的讨论，在该部分就可以引出DEP的布局方案了。下图所示的DEP布局为3个混合电推进，2个涡轮电推进以及1个纯电推进布局，而在混合推进和涡轮推进中能够看到结构中有航空发动机进行参与，其作用根据并联式架构还是串联式架构体现为为：（1）并联式架构：发动机与电动机通过传动装置共同驱动螺旋桨；（2）串联式架构：串联式架构最主要的特点是发动机不直接提供动力，只驱动发电机提供电能，实现了发动机与电动机的解耦。而对于eVTOL动力系统混动的发展及应用以及并联式架构和串联式架构将在下一篇文章再进行分析。
（图：DEP的布局方案——串联混动）
参考资料：
黄俊．分布式电推进飞机设计技术综述[J].航空学报，2021
翁卢晖，姚太克，张玄,等.分布式电推进飞机双永磁电动机系统控制策略[J].航空动力学报，2023
张卓然, 于立, 李进才,等. 飞机电气化背景下的先进航空电机系统[J]. 南京航空航天大学学报, 2017
孔祥浩，张卓然，陆嘉伟，等．分布式电推进飞机电力系统研究综述[J].航空学报，2018
原文始发于微信公众号（宝哥研究室）：【低空经济进阶篇】eVTOL动力系统（上）——分布式推进系统解析
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