当前主流飞行器动力方案包括燃油、纯电、混动以及氢能源四种，各具优势。传统燃油有载重大、航时长的优点；纯电是清洁能源，适配智能化，噪音小，但航时短、负载能力弱；混动拥有纯电的优势，同时弥补了续航短板；氢能仍在早期发展阶段，有望在大机型上率先应用。目前新兴厂商普遍布局纯电和混动路线。
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混动路线优势
1、顶层设计：电动化为主，兼顾混动、氢能等技术路线
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。2）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。
支线物流运输，混动更具可行性。空中载货运输路径分为干线、支线、末端三段，支线一般是 100-1000 公里，末端指 100 公里以内。支线场景混动或燃油更加合适，原因包括：1）航程较远；2）虽然发动机噪音大，但是多在郊区飞行，对居民影响有限。末端场景纯电更加适合，1）补能更加方便；2）噪音小不影响居民。
2、民用航空：混合电推进技术是电推进的重要组成部分
电推进技术是航空业重要发展方向，而混动是电推进的重要组成部分。在航空业，电推进技术的探索由来已久。其优势众多：1）推动航空业绿色发展，应对全球环境挑战；2）相比燃油动力，电推进动力系统架构更简化，为预测和排除故障带来便利，并拓展了飞行器设计的自由度；3）电推进的动力架构多采用分布式，理论上更具安全冗余；4）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。
与此同时，面临的问题包括：1）续航时间短，目前纯电动飞机极限航程普遍小于 300km，限制使用场景；2）众多新构型产生，技术应用不明朗，缺少相关设计标准规范，带来安全性挑战；3）技术路线差异大，导致适航认证难度较高，缺乏针对性的适航条款。
目前来看，技术方面有众多企业在积极探索，适航认证方面也有更规范的标准和经验；唯独在续航上，受制于三电的技术瓶颈，续航时间和功重比有待提升。基于此，在续航里程上占据优势的混合电推进技术成为重要的发展方向。
混合电推进，是指通过传统发动机带动发电机发电，为分布在机翼或机身的多个电机/螺旋桨提供电力，并由电机驱动螺旋桨提供绝大多数或全部推力（发动机可部分提供或不提供推力）的新型推进系统。此系统的设计可以提升飞行器单种动力在宽工况下的效率，因而能够大大提高飞行器的续航时间。
现有技术条件下，油电混合电推进能量密度优势明显。根据国防科技大学的文献，在包含发动机、发电机、储能电池等系统设计前提下，其能量密度约是纯电池的 3 倍以上，且混合电推进工作时，燃油不断消耗的情况下，混合电推进系统的综合能量密度还会进一步的提高，而电池的重量则不会随着电量的减少而减少。
受限于电池能量密度，纯电推进飞行器的航时问题短时间无法实现本质上飞跃。若能解决混合电推进系统的机械可靠性、稳定性以及优化其能源动态特性，混合电推进较纯电池动力具有非常可观的应用优势。
海外各国均开展航空混合电推进系统研究。美、欧洲、俄罗斯等国家将分布式混合电推进系统视为有潜力在 2030 年后投入使用的、极有前景的航空动力解决方案。如波音、GE、空客、西门子、罗罗等公司都已经在政府科研计划支持下开展混合电推进系统研究。
通用航空中多座级通勤领域，混动更具商业可行性。基于现有技术的全电垂直起降飞机，初步具备 1.5h 航时、200km 航程的能力，有望于 2025 年投入商业运营。而对于航程为 400km 以上，座级别为 6～19 座的通勤类飞机，全电动飞机商业化运营可能性很低，通过混合动力技术实现是最可行的方案。因此，基于电推进技术攻关和成熟度提升的角度，大型电力推进飞机中短期尚不具备商业可行性。然而，座级小于 19 座的混合电推进飞机已逐渐成型，可在未来解决部分航空器电动化过程中的“里程焦虑”问题。
3、无人机：油电混动升力巡航路线实力出众
油电混动升力巡航是无人机热门方案。大载重、长续航的无人机，目前业内主流采用油电混动升力巡航的路线。以纵横 CW100 大载重中型无人机、CW40长航时小型无人机为例，均采用油电混动的动力模式+升力巡航（复合翼）的构型。其中，升力桨是电动，分布式的电动升力桨高效实现了垂直起降；起飞后，升力桨关停，转为固定翼+活塞发动机推进。注意升力桨的电池是单独充电，因此两套动力系统之间既没有串联也没有并联；活塞发动机也搭配了发电机，但只用于机上电子设备供电，不给升力桨供电，类似于燃油车的小电瓶。同时，业内无人机串联式混合动力系统架构也很成熟。
从参数上看，CW100 任务载荷 25kg，带载续航能力 12 小时；CW 任务载荷9kg，带载续航能力 6-10 小时。目前业内纯电无人机续航时间在几十分钟到 2-4 小时不等，燃油/混动机型则可以做到十几小时，续航、载重优势突出。
固定翼+混动方案优势众多。基于国防科技大学空天科学学院研究，该构架结合了固定翼和旋翼的优点，具备优异的高速飞行能力及垂直起降性能，兼具转换过渡稳定、可控性强的特点，适用飞行场景更广泛。众多固定翼垂直起降飞行器结构中，较为常见的有尾座式垂直起降、固旋翼垂直起降、倾转旋翼式垂直起降。混电系统结合发动机和电动机，利用较高能量密度燃油和更高效的电能转换以达到更高的能量利用率。同时，电推进部件使得飞行器和推进系统的设计更具灵活性，与固定翼垂直起降飞行器的结构和飞行工况高度耦合。由于目前电池能量密度研究进展缓慢，设计出的纯电动飞机重量很大。因此，在电池能量密度得到突破前，应用混电系统在提升固定翼垂直起降式飞行器方面有巨大潜力。
4、eVTOL 续航里程受限，混动有望长期并存
eVTOL 纯电续航里程受限，混动 hVTOL 成为有效补充。受载重比影响，飞行器的续航焦虑比电动车更严峻。尤其是多旋翼方案，续航时间普遍较短，如亿航 EH216-S 续航 25min 或 30km，对使用场景和便利性限制较大。
目前，国内大多数整机厂选择走纯电技术路线，但航程普遍仅在 30-250km 左右。而海外众多 eVTOL 公司选择混动方案，可实现 400km 以上航程，如美国Elroy Air 公司的 Chaparral C1 续航 483km，韩国 Plana 公司的 CP-01 设计续航 500km。
混动技术有望与纯电长期并存。参考新能源车产业，纯电和混动长期并存，23年纯电和混动占比为 7:3，24 年 Q1 占比为 6:4。我们认为，在动力电池性能达到理想状态之前，混动技术将成为飞行器实现长续航里程的优选方案，未来混动和纯电路线将长期并存。
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混动方案
1、串联 vs.并联：串联更具适用性
混动垂直起降飞行器（也称 HVTOL），由发动机和电机结合驱动。依据发动机和电机的链接方式，可将混动类型划分为串联结构和并联结构。
串联结构：燃油发动机不直接工作，仅带动发电机供电。在串联结构下，发动机并不直接为飞机产生动力，而是驱动发电机用于电池供电，飞行器的直接动力完全来自电机。由于飞行器多采用分布式电驱动，即有数量众多的升力/推进桨，每个都由对应电机直驱，因此串联结构更加适用，因其不需要传动系统，结构简单，成本低，是主流方向。
并联结构：发动机和电机可共同作用于推进器。在并联结构下，发动机与电机通过机械联接接入驱动系统，两个动力源根据不同工作模式，分别进行驱动或者联合驱动。因此，并联式混合动力可在不同飞行阶段调节发动机功率，结合电机，可在短时间内提升推力性能，从而具备较优的飞行高度和速度推力。同时，综合调配燃油与电能，可高效利用能量，从而实现油耗的降低以及航程或滞空时间的提升。
串联式混电系统可使 ICE 始终工作在最优燃油经济区。其混电传动系统完全由电动机驱动螺旋桨运作，依据总性能要求决定电动机的尺寸。串联结构是由发电机通过交直流转换模块(AC/DC 模块)为推进系统供能或为电池充电，将 ICE与功率需求分离。功率不足时，电池将作为动力源进行补充。即从起飞到降落过程，可保持 ICE 稳定在最优燃油经济区。
串联式混电系统通常采用多螺旋桨/旋翼的分布式布局。其节能机理可以概括为两点：1) 只需采用小型 ICE 即可满足飞机的巡航需求，并由电池提供起飞、爬升等额外动力，从而提高 ICE 的负荷率；2) 使 ICE 始终工作在最优燃油经济区。
推进器可以通过功率的分散进一步降低气动噪声的总声级，多个推进器的冗余可以为飞机提供更可靠的推力支持，因此在飞行控制和推力提供方面比传统飞机具有更高的承载能力、环保性和稳健性。
2、活塞 vs 涡轮
活塞发动机为往复式内燃机。其工作原理为活塞承载燃气压力，在气缸中进行反复运动，通过带动螺旋桨高速转动而产生推力。另外，活塞发动机一般由多气缸组合构成以满足功率要求，从而带动曲轴和螺旋桨转动以产足够动力。活塞式发动机具有功重比低（1 千瓦/千克）的缺点，但也有耗油率低，构造成本低等优势，可在满足动力的情况下装载更多汽油或有效载荷。因此，活塞式发动机适用于功率需求为 200 千瓦内的通用飞机，已广泛用于支线航空物流运输、牧渔业飞行作业等领域。
涡轮发动机分为 4 种基本类型，即涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴发动机、涡轮喷气发动机和涡轮风扇发动机，分别简称涡桨/涡轴/涡喷/涡扇发动机。上述发动机均包含压气机、燃烧室以及驱动压气机的燃气涡轮三大部件，统称为航空燃气涡轮发动机。其中，涡轴/涡桨在低空领域有较好的使用场景，前者多用于直升机，后者多用于小型通航飞机；涡扇/涡喷主要用于民航及军用场景，详见附录。
涡桨发动机和涡轴发动机差异。两者具有较大的通用性，易于相互借鉴和派生，但它们的减速传动系统、螺旋桨和动力输出方式略有差异。涡桨多用于固定翼飞机如运输机，其发动机的推力由 95%的螺旋桨拉力+5%的排气口燃气推力组成。涡轴多用于直升机，几乎没有发动机的燃气推力，其燃气能量基本转化为机械轴功率。两种发动机均由螺旋桨和燃气轮机组成，螺旋桨由涡轮带动。其结构复杂、制造成本高，但也具备输出功率高、功重比高（4 千瓦/千克以上）等优点，广泛应用于中低速飞机以及有严格要求的巡逻、反潜或灭火等类型飞机。
活塞发动机适用于支线运输。相比活塞发动机，涡桨/涡轴发动机有功重比高、零部件数量少、噪音小等特点，具备较长滞空时间和较大任务半径。而活塞发动机更具有低耗油，体积小，适用性好，制造成本低，有效负载能力高等优势。通用航空所需飞行器会遵循“先货后人”的准则，目前 500-2000 公里范围内的支线航空运输有较大市场需求。
活塞发动机价格优势显著。价格方面，涡轴发动机价格较高，大致每 kw 对应1-2 万元，即 100kw 功率的涡轴发动机大约 100 万元甚至接近 200 万元，而活塞发动机仅 20-30 万，经济性优势显著。因此，活塞发动机适于空中跨城载货运输，主要是成本更低使得下游更容易实现商业化，其次是发动机虽噪音大，但是多在郊区飞行，对居民影响有限。
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混动 eVTOL 先锋：Elroy Air Chaparral C1
2023 年 11 月实现涡轮发电机混动 eVTOL 行业首飞。Elroy Air 于 2016 年在旧金山成立，起初计划开展空中出租车研制，后来转变到物流 eVTOL 方向。自成立以来，Elroy Air 已获得来自洛克希德·马丁、Shield Capital 等超过 8400 万美元的投资，并与美国军方、梅萨航空公司、布里斯托公司（Bristow）和联邦快递（FedEx）等建立合作关系。经历 7 年研发之后，Elroy Air 的涡轮发电机混动 eVTOL Chaparral C1 于 2023 年 11 月成功实现行业首飞。据 Elroy Air，目前公司积压订单价值超 30 亿美元。
有效载荷 136kg，续航 483 公里。Chaparral C1 不同于传统货运无人机和纯电eVTOL，其融合了分布式电动推进（DEP）和涡轮发电机电池架构，可实现有效载荷 136kg，续航达 483 公里，具备在没有充电基础设施的情况下执行远程货运任务的能力。Chaparral C1 配备自动装卸货系统，货物处理部分配置了一个模块化货物吊舱，整机具备全自主装卸货和飞行能力。应用方面，Chaparral C1 定位为致力于中程物流、人道主义援助运输和军事补给的自主飞行混动eVTOL。
采用分布式电推进系统+“涡轮发电机-电池”结构。Chaparral C1 由电池和150 千瓦涡轮发电机供电，航程显著大于纯电 eVTOL，达 483 公里，无需充电基础设施即可执行远程任务。1）涡轮发电机：Chaparral C1 的涡轮发电机系统是其动力系统的核心组成部分，位于机身头部，其利用涡轮发动机驱动发电机，从而产生电力供应给飞机的电动推进器，使得飞机在没有跑道的情况下进行垂直起降，并提供额外的动力和冗余，以确保飞行安全。2）高功率电池：Chaparral C1 配备高功率电池，可为飞机的电动推进器提供必要的电能，再结合涡轮发电机系统，使得 Chaparral C1 能够实现超过电池单独供电能力的长距离飞行。Chaparral C1 在起飞时电池和发电机的电力共同完成大功率负荷情况，起飞后 15 分钟发电机将电池充满电。
安全性方面，Chaparral C1 采用分布式电推进（DEP）系统，通过冗余功能为乘客/货物提供安全保障，飞机带有多组螺旋桨和电机，如果一个或多个螺旋桨或电机出现故障，其他运行中的螺旋桨和电机可使飞机安全着陆。
精选报告来源：银创智库
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