作者：Lauren Nagel
分布式电推进（DEP）的发明旨在改进现代飞机：我们如何提高飞机的效率？改善其机动性？缩短起飞和着陆距离？
DEP概念有望在提高性能的同时降低燃油消耗，这在我们将航空业变得更加可持续发展的努力中，是一个极具吸引力的前景。
本文将介绍DEP的工作原理、优缺点以及值得关注的DEP飞机。此外，我们还将提供一种测试DEP系统的解决方案。所有内容均包含在下文中。
目录
- 什么是分布式电推进（DEP）
- 分布式电推进是如何工作的
- 分布式电推进有哪些优势
- 分布式电推进面临哪些挑战
- 值得关注的分布式电推进飞机
- 如何测试分布式电推进系统
1. 什么是分布式电推进（DEP）
分布式电推进（DEP）描述的是一种推力由3个或更多电力驱动的推进器共同产生的推进系统。在许多DEP概念中，电推进器（风扇或螺旋桨）平行分布在沿飞机机翼等气动表面上。
DEP系统可以是全电动的，即电机由电池供电；也可以是混合动力，即电机由涡轮发电机供电。
许多知名机构都在研发DEP概念，其中包括像NASA这样的巨头，他们正在积极测试不同的DEP设计 [1]。
目前还没有普遍认可的DEP定义，除了必须具备多个电推进器这一基本要求。
图1：Vertical Aerospace VX4在飞行测试中（来源：business wire)
2. 分布式电推进是如何工作的
分布式电推进是一个不断发展的概念，没有两架DEP飞机是完全相同的。尽管如此，大多数DEP飞机往往属于以下两大类之一：a) 全电DEP飞机，b) 混合动力涡轮电力DEP飞机。
1. 全电DEP飞机：
在全电DEP飞机中，高能量密度的机载电池作为主要电源。电池驱动多个电机，每个电机分别连接一个推进器（风扇或螺旋桨）。推进器产生飞机飞行所需的推力。
图2：全电DEP飞机布局
全电DEP飞机的例子包括Vertical Aerospace VX4、Joby Aviation的S4以及Archer的Midnight。
2. 混合动力涡轮电力DEP飞机
在混合动力涡轮电力DEP飞机中，电源是与发电机相连的气轮机发动机，发电机将涡轮产生的机械能转换为电能。电能传输至分布式电机，电机进而驱动推进器，产生所需推力。
图3：混合动力涡轮电力DEP飞机布局
混合动力涡轮电力DEP飞机的例子包括Electra Model EL-2“Goldfinch”以及空客的EcoPulse。
在DEP飞机中，这些部件的布局经过精心考虑，因为电源、推进器和气动表面共同发挥作用，以实现最佳性能。
3. DEP中的新兴技术
目前有几种新兴技术正在用于DEP飞机研究。ZeroAvia正在开发氢电发动机，利用氢燃料电池发电，进而驱动电机。这些燃料电池的副产品仅为水。
电池化学领域的进步也对DEP的发展起着至关重要的作用。固态电池有望提供400至500 Wh/kg的能量密度，而当今的锂离子电池仅为150至200 Wh/kg。除了固态电池具有更高的能量密度外，它们还更安全，因为不像液态电解液电池那样易燃。
然而，固态电池面临的最大挑战是循环寿命。电池的循环寿命是指在性能下降前可完成的充电和放电循环次数。Lyten最近展示了一款固态锂硫电池，为一款3D打印无人机供电，使其能够以高达86 mph的速度连续飞行超过三小时。
图4：Lyten的锂硫电池用于3D打印无人机（来源)
虽然这些技术仍处于早期开发阶段，但它们展示了替代电源如何有望将DEP飞机的航程和能力扩展到当前系统无法达到的程度。
在接下来的部分中，我们将更详细地讨论这些部件，以及它们带来的优势和挑战。
3. 分布式电推进的优势
分布式电推进系统具有以下几种潜在优势：
气动-推进耦合
将推进器集成到飞机的升力表面（如机翼前缘）中，会产生气动-推进耦合效应，这可以描述为气动力与推进力之间的协同相互作用。它主要以几种不同方式体现：
边界层吸入（BLI）是这一概念的一个例子，推进器吸入飞机表面边界层中流速较慢的空气。加速这些空气所需的能量较少，并可减少该表面产生的总阻力，从而使燃油效率提高多达8.5% [2]。
由EADS集团（空客、Astrium、Cassidian和Eurocopter）与罗尔斯罗伊斯合作设计的E-Thrust概念旨在通过安装在机翼后缘的推进器吸入边界层空气。
需要注意的是，边界层空气比自由流空气扭曲得多，因此需要更强大的螺旋桨或风扇来处理。
图5：空客E-Thrust DEP概念利用边界层吸入（来源)
尾流填充是一个更广泛的术语，用于描述旨在减少飞机尾流（飞机后方受扰动空气区域）所引起阻力的策略。在DEP飞机中，推进器的战略布局有助于实现尾流填充。例如，推进器可放置在飞机尾部附近，以在气流沿机身流过时重新注入能量。
重新引导机翼尖涡 是另一种已被研究的气动-推进耦合概念 [3]。该系统利用安装在机翼尖端的推进器单元，将涡流重新引导，以增强推进力并减少阻力。
推进控制飞机（PCA）
推进控制飞机（PCA）是一种通过调整推进器而非传统控制面来控制其运动（俯仰、滚转和偏航）的飞机。与使用推力矢量的喷气式飞机和火箭不同，PCA通常仅依赖于调整推力输出水平，而不是改变推力排气系统的实际形状。
DEP动力飞机是推进控制机动的理想候选者，因为每个推进器的推力都可以独立调整。这可能会提高燃油效率，因为每个推进器的推力都可以进行精细调节，以满足飞机的动力需求。
在大多数推进控制飞机中，推进式机动通常是一种与传统控制面并存的冗余设计。然而，DEP飞机可能会提供第一个并非如此的例子，从而允许减小传统控制面的尺寸和整机的重量。
一个例子是伊利诺伊大学航空航天工程系开发的Cirrus SR22T的21%比例模型，它通过8个涵道风扇进行了推进式控制改装 [3]。
图6：伊利诺伊大学分布式电推进控制的 Cirrus SR22T遥控飞机
旁通比
在飞机推进系统中，高旁通比是理想的，因为它们提供更高的推进效率和更低的噪音。在标准涡轮发动机中，旁通比是旁通流空气质量与进入发动机核心的空气质量之比。
在讨论某些类型的DEP系统时，我们还可以考虑“有效旁通比” [1]，它是进入涡轮 和推进器的空气质量与进入涡轮发动机核心的空气质量之比。这一原理存在于NASA的N3-X涡轮电力分布式推进（TeDP）飞机概念中 [4]，其中安装在机翼尖端的涡轮发电机为安装在飞机机身上的风扇所连接的电机供电（图6）。该概念的有效旁通比在29-36:1范围内 [5]，预计燃油消耗减少70% [6]。
图7：NASA的N3X涡轮电力分布式推进（TeDP）概念
上述改进带来的实际好处包括：
降低运营成本
有两个主要因素有助于降低运营成本：
- 更低的燃油成本：前几段描述的推进和气动优势有助于提高整体系统效率，从而减少燃油消耗并降低排放。
- 降低制造和维修成本：制造几个较小的部件，如小型电机和螺旋桨，可能比制造产生相同功率和推力的较少的大型单元更便宜。同样，当这些部件发生故障时，它们的更换成本也更低。
降低噪音
通常，电推进系统产生的噪音比同等燃油动力系统更小，这一点已得到多项研究的证实。例如，水土大学进行的一项研究指出，与传统的燃油动力飞机相比，由电机驱动的训练飞机噪音降低了30 dB [7]。
结合系统高旁通比带来的降噪效果，DEP动力飞机产生的噪音应该明显低于其他性能相似的飞机。
提升起飞和着陆性能
上述气动-推进耦合效应可以产生吹力升力效果，从而产生相对更高的有效升力系数，尤其是在低速时。低速下的这种升力增加可以显著缩短飞机的起飞和着陆距离，提供相当于短起降（STOL）的性能 [8]。
作为额外的好处，低速机动性也得到了改善。
提高冗余度和安全性
DEP系统在多个层面融入了冗余设计，这提高了飞机的整体安全性。如前所述，DEP推进器可用于操纵飞机，提供一层冗余，如果飞机任何控制面受损，这可能会非常有用。
此外，大量推进器的设计意味着没有单个单元在维持飞机飞行方面发挥唯一作用。在拥有8个或16个推进器的系统中，失去一个甚至几个推进器的动力不会对任务造成致命影响。 例如，NASA N3X配备了16个推进器，Electra的EL-2 Goldfinch有8个，而Archer的Midnight配备了12个，确保即使发生部分故障也能继续运行。
4. 分布式电推进面临的挑战
虽然分布式电推进具有许多潜在优势，但它也带来了一系列自身挑战：
集成与复杂性
使用电力或混合动力推进带来了额外的复杂性和集成挑战。
例如，必须管理电池和机载电子设备产生的热量，而冷却系统会同时增加飞机的重量和复杂性。
高压电的安全性分布也是需要解决的挑战，需要考虑绝缘、电磁干扰（EMI）以及所有部件的总重量。
标准部件的重新设计
虽然DEP设计提供了一定的效率，但需要进行一些设计更改才能实现这些效率。
例如，为了利用边界层吸入效应，必须设计并制造更坚固的风扇/螺旋桨，以承受粗糙边界层中的气流。
同样，虽然吹气升力等性能增强效应可以减小控制面尺寸，但还必须考虑如果DEP系统组件发生故障，需要哪些冗余设计来确保安全。
这些因素在物理和经济上与前一节讨论的运行要求降低形成了制衡。
可扩展性与功率需求
与其他电动飞机概念一样，可扩展性成为一个问题，因为电力供应在能量密度方面仍远不及传统燃料。即使是能量密度最高的电池 [9]，其能量密度也仅为航空燃油的一小部分（7%）。
上述讨论的TeDP等混合动力系统可能有助于填补这一差距，但这些系统还带来了额外且复杂的挑战（更不用说它们自身也会燃烧燃料）。同样，低温系统可以提供更高的功率输出，但这些系统较重，且按每公斤计算的整体效率较低。
虽然DEP动力飞行在较小规模上可能可行，无论是在飞机尺寸还是航程方面，但大型商用飞机的远距离飞行仍然不可行。
5. 值得关注的分布式电推进飞机
以下是已达到相当先进的发展阶段、并已成功试飞全尺寸飞机或缩尺模型的分布式电推进飞机概念列表。
Electra EL-2 Goldfinch
Electra的EL-2 Goldfinch是一款使用分布式电推进和混合电推进系统的eSTOL（电动短距起降）演示机。该飞机配备八台电机和吹气升力结构，以增加机翼升力并实现短距起降性能。2023年11月20日，EL-2 Goldfinch在飞行员Cody Allee的驾驶下完成了首次载人飞行。
图8：2023年11月20日试飞中的EL-2 Goldfinch（来源）
Airbus Eco-pulse
EcoPulse是一款由空客、达尔和赛峰共同开发的混合涡轮电力演示机。该飞机采用六台机翼安装的电推进器，由赛峰涡轮发电机供电，并基于改进的达尔TBM 900机身制造。EcoPulse于2023年11月29日在法国塔尔布斯成功完成了首次飞行。经过50次试飞和100飞行小时后，该项目于2024年12月结束，其主要发现预计将影响未来的DEP发展。
图9：2019年巴黎航空展上亮相的空客EcoPulse（来源）
Wisk第六代空中出租车
图10： Wisk准备开始飞行测试 来源
Joby Aviation的S4
丰田是Joby的重要投资者，利用其汽车制造专业知识支持了S4的开发，这是一款配备六台倾转式推进器的DEP系统eVTOL。2023年10月，Joby开始进行载人试飞，四名飞行员进行了包括悬停和向巡航过渡在内的评估。最近，Joby已开始在迪拜国际机场建设其首个垂直起降场，并计划在2025年底前推出空中出租车服务。
图11： 迪拜世界政府峰会上展示的S4（来源）
Archer的Midnight
Midnight是一款由Archer Aviation开发的eVTOL飞机，配备一个拥有12台螺旋桨的DEP系统——六台固定用于垂直起降，六台倾转用于向巡航过渡。这种设计通过冗余增强了安全性，同时确保了安静运行，巡航时仅产生45分贝的噪音。Archer已完成400多次试飞，正朝着FAA认证迈进，目标是在2025年开展商业运营。
图12：Archer的Midnight完成过渡飞行（来源）
Vertical Aerospace的Valo
Valo是VX4原型机的量产继任机型，配备一个拥有八台螺旋桨的DEP系统。在VX4飞行测试的基础上，Valo结合了更具空气动力学优势的设计、改进的电池布局，以及基于测试数据和航空公司反馈重新设计的机翼。该飞机可载四名乘客，航程最长可达100英里。Vertical的目标是在2028年获得认证，目前已获得来自美国航空和日本航空等大型航空公司的约1500份预订单。
图13：Vertical Aerospace的新型商用eVTOL飞机Valo（来源）
BETA Technologies Alia eVTOL
Alia A250是一款可载五名乘客的eVTOL飞机，其传统起降型号被称为CX300。它的最大速度为153节，设计航程为250海里。总部位于温哥华的Helijet International已订购四架，并有选项再订购四架。A250预计将在2026年获得FAA型号认证。
图14：Beta Technologies Alia A250 eVTOL飞机（来源）
如果您认为还有其他DEP概念应该加入此列表，请在评论中告知我们。
6. 如何测试分布式电推进系统
分布式电推进系统具有复杂性，因此测试对于安全开发至关重要。但您该如何测试DEP系统呢？
我们Tyto Robotics开发了一个用于测试最多8套动力系统的分布式电推进系统平台。它配备了测量8台电机和螺旋桨性能所需的硬件、软件和电子设备。
图15：分布式电推进测试平台
硬件和电子设备采用测力传感器和传感器的组合，来测量推进系统的推力、扭矩、转速、电压、电流、温度和功率。
这些测量数据用于计算电机和ESC效率、螺旋桨效率以及整体效率，可针对单个动力系统或最多八个动力系统的组合。
测试软件允许您手动、自动或使用我们的Python API来编写测试程序。我们还提供飞行回放功能，允许您将飞行控制器数据上传到软件中，并以您的油门点作为测试模板。
图16：分布式电推进测试软件图形用户界面
每个动力系统都可以进行映射并命名，以便轻松追踪数据。通过实时显示传入数据的实时图表，您可以快速判断哪些推进器比其他推进器更高效或效率更低。
如果您需要同时测试8个动力系统怎么办？给我们发送消息，我们将看看如何帮助您。
参考文献
[1] H. Kim, A. Perry, P. Ansell, "A Review of Distributed Electric Propulsion Concepts for Air Vehicle Technology", 2018 AIAA Propulsion and Energy Forum. https://www1.grc.nasa.gov/wp-content/uploads/2018EATS-Review-of-DEP-Hyun-D.-6.2018-4998.pdf
[2] NASA Glenn Research Center, "Boundary Layer Ingestion Propulsion". Accessed July 10, 2024. https://www1.grc.nasa.gov/aeronautics/bli/
[3] K. Pieper, A. Perry, P. Ansell and T. Bretl, "Design and Development of a Dynamically, Scaled Distributed Electric Propulsion Aircraft Testbed," 2018 AIAA/IEEE Electric Aircraft Technologies Symposium (EATS), Cincinnati, OH, USA, 2018, pp. 1-2. https://ieeexplore.ieee.org/document/8552755
[4] Miranda, L. R., and Brennan, J. E., “Aerodynamic Effects of Wingtip-Mounted Propellers and Turbines,” AIAA Paper 86-1802, June 1986. https://arc.aiaa.org/doi/10.2514/6.1986-1802
[5] NASA Glenn Research Center, "N3X". Accessed July 10, 2024. https://www1.grc.nasa.gov/aeronautics/eap/airplane-concepts/n3x/
[6] "NASA N3-X with Turboelectric Distributed Propulsion", Fundamental Aeronautics Program Fixed Wing Project. James L. Felder. NASA Glenn Research Center Cleveland, Ohio. Accessed July 10, 2024. https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20150002081/downloads/20150002081.pdf
[7] Noisy neighbours: Do electric aircraft reduce airport noise pollution? by Paul Parker and Gabriel Song. January 2024. https://uwaterloo.ca/sustainable-aeronautics/blog/noisy-neighbours-do-electric-aircraft-reduce-airport-noise
[8] Qin, Jiachen and Zhou, Zhou and Yang, Guowei and Shao, Zhuang and Zong, Jia, "Aero-Propulsive Coupling Modeling and Dynamic Stability Analysis of Distributed Electric Propulsion Tandem-Wing Uav with Rapid Ascent Capability", April 2024. https://ssrn.com/abstract=4783514
[9] Quan Li et al 2023 Chinese Phys. Lett. 40 048201 https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0256-307X/40/4/048201