直升机凭借其垂直起降与悬停能力，在应急救援、城市交通等领域展现出不可替代的优势。然而，传统燃油动力系统带来的高噪声和碳排放问题，已成为制约其大规模城市应用的核心瓶颈。目前，航空运输产生的温室气体约占全球总量的2%。随着全球航空客运和货运需求的持续攀升，若不采取有效措施，预计到21世纪中叶，该行业的碳排放在全球总量中的占比可能攀升至25%。

为应对这一挑战，国际民航组织（ICAO）在2016年提出了一项计划，目标是在2050年将航空业的碳排放量减少50%。在此背景下，我国相关部门已发布《绿色航空制造业发展纲要（2023—2035年）》，明确提出推动绿色航空技术的研发，促进航空电动化、混合动力和氢能源技术的应用。这些发展目标的提出，为直升机绿色航空动力技术的创新发展提供了重要契机。

在市场需求和国家战略的推动下，航空动力电动化技术发展迅速，涌现出众多电动化的垂直起降飞行器（eVTOL）制造企业。其中，全电驱动的亿航智能EH216-S率先获得中国民用航空局颁发的生产许可证，标志着电驱动飞行器进入了可量产商业化的阶段。

一、航空动力电动化技术与混合动力系统

1.1 电动化技术发展趋势

传统直升机普遍采用内燃式动力装置，这类推进系统通过消耗石油衍生燃料来获取能量，在此过程中不可避免地会释放大量温室气体及其他环境污染物。随着可再生能源如风电、水电、太阳能等绿色能源的持续开发，直升机推进系统的电气化转型已成为必然趋势。相较于传统动力模式，电气化技术通过精简机械传动装置、取消引气及液压回路，不仅实现了系统轻量化，还显著优化了能源转换效率。

全电动直升机通过电力驱动旋翼，具备环保、低噪声和低维护成本的优势，尤其在城市空中交通、应急救援和物流运输等领域具有广阔应用前景。然而，当前全电驱动飞行器受电池能量密度的限制，续航时间大多在30 min左右。直升机的续航能力主要受限于机载储能装置的能量密度，现有锂电池的能量密度仅为航空燃油的1/40。根据赛峰集团的研究，采用纯电推进且具备30 min以上飞行能力或100 km航程的垂直起降航空器商业化应用，预计仍需20年的技术积累。

1.2 混合动力系统概述

为兼顾燃油经济性和续航能力，混合动力系统是目前比较现实的解决方案。混合动力直升机大致分为电动化尾翼、紧急备用系统、串联混合动力、并联混合动力四种形式。

电动化尾翼和紧急备用系统提供了动力系统的冗余设计，主要优势是提升直升机的安全性能，然而其电动化比例相对较低，对降低碳排放和经济性贡献较低。串联混合动力通过发电机与电机解耦了发动机与螺旋桨或旋翼之间的机械传动部件，使发动机始终处于最高效的工作区间，提升了燃油经济性；同时串联混合动力主要用于分布式推进系统，适用于多旋翼等创新构型的垂直起降飞行器。并联混合动力通过齿轮箱耦合发动机和电动机之间的动力和扭矩，通过调节电动机动力实现多种工作模式，使发动机处在高效区间；并联混合动力具有更优的燃油经济性和动力性能，但需要复杂的动力分配策略和动力耦合装置。

1.3 并联混动的动力耦合传动技术

目前，并联混动的动力耦合传动技术主要有行星齿轮减速器和平行轴减速器两种形式。

行星齿轮减速器可实现发动机与电机的无级调速，实现动态分配功率流，利用电机来帮助发动机充分释放节能潜力。行星齿轮传动一般为多个行星轮与中心齿轮相啮合，是一种典型的、应用广泛的齿轮功率分流传动结构。行星齿轮功率分流传动的特点是体积小、质量轻、承载能力强、结构紧凑，每个齿轮承受载荷较小，适用于传动比较大的工况。行星齿轮减速器可满足紧凑布局需求，在直升机中十分常见，但其在直升机的混合动力系统中的研究相对较少。

平行轴减速器作为另一种常见的动力耦合形式，其主要优点是结构简单、成本较低，并且能够实现较为灵活的设计，但扭矩密度较低，需要更大的体积和重量。在直升机的主传动系统中，平行轴减速器—扭矩耦合并联混合动力传动系统通常用于实现高效的动力传递与灵活的扭矩管理。

动力耦合装置的轻量化和能量管理策略是当前面临的技术难题，也是未来的发展方向。众所周知，混合动力系统的多动力源会导致总重量的增加，但随着电机和电池技术的发展，相应部件的功率密度不断提高，混合动力推进系统的优势会逐渐凸显。

二、直升机电动化发展现状

2.1 全电动直升机

全电动直升机通过电力驱动旋翼，具备环保、低噪声和低维护成本的优势。尽管电池技术提升了续航能力，但目前其航程和载重能力仍有限，主要适用于短途任务。该类直升机的代表机型包括：Solution F、Sikorsky Firefly、Aquinea Volta、Tier 1 Engineering e-R44、Rotor X eA600、FlyNow Aviation eCopter P2B。

其中，法国Solution F公司研发的电动直升机于2020年8月12日试飞成功，飞行全程持续2分10秒，最高海拔高度1米，成为世界上首架实现非系留飞行的电动载人直升机。Robinson Helicopter与magniX公司宣布开发全电动R66直升机，采用HeliStorm系列电机，功率高达330 kW（相当于450 hp），转速在6000至7000 r/min之间，重量仅为75 kg。未来发展重点将集中在提升电池能量密度性能、电机功率密度和改进飞行控制系统。

2.2 混合动力直升机

2.2.1 电动化尾翼直升机

直升机的尾桨主要负责提供飞行的稳定性功能，通过抵消主旋翼产生的扭矩效应。电动化尾翼将驱动尾桨的整个机械传动装置替换为直接与尾桨相连的电动机，能够带来多项优势：涡轴发动机与尾桨的速度完全解耦；取消机械驱动轴，减轻了直升机尾部的重量；减少了维护时间和成本；提高了整体安全性。

2017年，莱昂纳多直升机公司凭借电动尾桨系统荣获意大利国家创新奖。贝尔公司则在贝尔429直升机上应用了电动分布式反扭矩（EDAT）系统，以电驱风扇替代传统机械尾桨，有效提升效率、降低噪声，并增强冗余性与安全性。空中客车公司推出基于Fenestron®技术的电动封闭式尾桨，采用电机驱动与精确控制，进一步提升系统效率、可靠性并显著降低噪声和故障风险。电动化尾翼动力系统主要是燃气涡轮发动机或活塞发动机通过齿轮箱驱动主旋翼，安装在发动机变速箱上或内置于发动机内的发电机产生电能，经由AC/DC转换器和逆变器为尾桨电机提供电力，并且蓄电池作为尾桨电机的应急电源。

2.2.2 电动紧急着陆直升机

当直升机失去动力时，通常使用自转降落技术以确保安全着陆，这一操作需要飞行员具备较高操纵技术和精准的判断。随着技术的发展，越来越多的直升机开始配备电动备降系统。在发动机失效的情况下，该系统可以利用备用电动装置暂时驱动旋翼，延长飞行时间和增加可控性，从而为飞行员争取更多时间选择更安全的降落地点。

空中客车公司开发了一种备用发动机系统，并将其安装在飞行实验室直升机上进行了飞行测试。Flightlab直升机的主变速箱连接了一台功率为100 kW的电动机，以在发动机故障的情况下提供30 s的电力。该类机型可以认为是并联混动的一种特殊应用工况。电动备降系统不仅提高了直升机在紧急情况下的生存率，还降低了对飞行员高难度操作的依赖性，从而显著提升了整体飞行安全性。

2.2.3 串联混合动力直升机

2018年，赛峰集团在直升机动力测试平台成功完成了分布式混合推进系统的地面验证，该系统结合燃气轮机、发电机和储能电池，提供100 kW电力驱动电动机。2019年，贝尔公司展示了搭载赛峰集团混合动力系统的Nexus垂直起降飞机，其最大起飞质量2700 kg，飞行速度240 km/h，功率超过600 kW。同年，Aeroelektromash公司在Heli Russia展会上展示了R-34混合电动超轻型直升机，采用同轴旋翼设计，搭载Rotax 915发动机与ВД-25000电动机，最大起飞质量590 kg，续航350~600 km。

串联混合动力系统的主要优点是不需要使用传统变速箱。常规动力直升机中的变速箱需要持续监控和定期维护，且需要复杂而昂贵的驱动系统和液压执行器，这些因素会增加直升机的重量。在串联混合动力系统中，发动机并不直接驱动螺旋桨，而是通过集成发电机或独立发电机发电，电力经过AC/DC转换后供给母线，同时电池组经过DC/DC转换为母线供电，最终为电动机提供动力以驱动主旋翼和尾桨。通过控制单元使发动机在最优效率区间内运行，从而在燃料消耗方面具有显著优势。串联涡电/混电动力系统的动力仅由电机提供，同时需要配备较大的电池，因此该系统的发展同样受电机和电池技术水平的制约。

2.2.4 并联混合动力直升机

在并联混合动力系统中，发动机和电动机通过变速箱机械连接到主旋翼，变速箱根据控制单元中实施的能量管理策略，在两台动力装置之间进行功率分配。当功率需求较低时，电动机可以作为发电机，为电池组充电；当功率需求较高时，电动机则用来辅助涡轴发动机提供额外动力。该并联架构适用于中低速急加速以及高速飞行的工况。

2023年，空中客车直升机公司在H145平台上推出了新型双引擎技术演示机PioneerLab，采用创新的混合动力系统，整合了普惠PW210发动机改进版和柯林斯航空航天的两台250 kW电动机及控制器，通过集成变速箱协同工作。得益于混合动力系统与优化的空气动力学设计，PioneerLab的燃油消耗比传统H145减少了高达30%。

相较于串联混动，并联混动系统的电机主要用于辅助发动机，具有更优的动力性能和更小的电池，因此系统重量相对较轻，受电机和电池技术水平制约相对较小。并联混合动力推进系统主要应用于超轻型和轻型直升机。研究表明，与串联混合动力推进系统相比，并联混合动力推进系统表现出明显的优势和应用潜力。

2.3 创新构型的电动垂直起降飞行器（eVTOL）

全电驱动飞机具有低噪声和零排放的优势，但由于机载锂电池能量密度的限制，续航能力成为挑战。为实现全电动垂直起降飞机，出现了如“尺度无关性”等新推进理念，将直升机的主旋翼设计改为分布式旋翼设计，结合电动系统与气动布局可提高气动性能，从而显著降低噪声和能耗水平。国内外研究机构和制造商已开始研发新型垂直起降飞行器，如多旋翼、复合型分布式多旋翼—推力螺旋桨及可倾斜多旋翼等。当前主流eVTOL主要分为三大技术路线。

2.3.1 多旋翼eVTOL构型飞机

多旋翼eVTOL是一种无翼飞行器，通过多个旋翼提供升力。该型飞行器融合了旋翼飞行器的垂直升降与悬停能力，同时又具有传统固定翼飞行器的高速巡航优势。由于该类飞行器没有固定翼，其整体结构重量相对较轻，具有较高的经济性。然而，多旋翼eVTOL的巡航效率较低，限制了其速度和航程。

多旋翼构型完全依赖多个旋翼（如8轴、16轴）提供升力与控制，类似大型无人机，其优点是结构简单、悬停稳、安全性高（冗余旋翼），缺点是速度慢（<110 km/h）、航程短（20~35 km）、效率低。

该类飞机的代表机型包括沃飞长空VoloCity全电动飞机、空客CityAirbus eVTOL飞机、亿航EH216-S全电动飞机、旋戈-300全电动飞机、零重力ZG-ONE以及小鹏旅航者X2 eVTOL飞机。例如，空客CityAirbus验证机配备了8个旋翼，由8台西门子SP200D 100 kW直驱电机提供动力。CityAirbus的动力来源为4个由空客公司开发的电池组，总容量为110 kW·h，可提供最高560 kW的总输出。

2.3.2 复合型分布式多旋翼—推力螺旋桨构型飞机

复合型分布式多旋翼—推力螺旋桨eVTOL飞机是一类具有独立升力和巡航推进器的飞行器，其升力旋翼通常垂直安装在固定翼上。复合翼构型的原理是垂直起降用升力旋翼，水平巡航切换至固定翼加推进旋翼，两套系统独立工作。在垂直起飞或降落中，动力由升力旋翼提供，此时能量转化效率相对不足；而在平飞或巡航状态，凭借固定翼的气动特性带来显著升阻比优势，在保持高速巡航的同时实现单位能耗大幅下降。

与可倾斜多旋翼eVTOL相比，这类机型没有复杂的可倾斜旋转机构，设计更为简单，因而在设计和认证过程中具备更高的可靠性和效率，同时降低了维护成本和技术难度。复合翼构型的巡航效率高于多旋翼，航程更远（约50~100 km），但系统复杂、重量大、垂直阶段能耗高。

其代表机型包括Wisk Aero Cora第五代eVTOL飞机、沃兰特VE25 X1、御风未来Matrix 1、太力飞车TF-2A、Uber Elevate eCRM-003以及亿维特ET9。其中VT35是一款复合翼eVTOL，最大起飞重量为950 kg，机长、翼展均约8 m，满载设计航程达到200 km。

2.3.3 复合型可倾转旋翼—主机翼构型飞机

复合型可倾转旋翼—主机翼eVTOL飞机采用可转向的电机基座设计，通过配置在推进系统支点处的动态调节装置，使多组升力旋翼能够完成方向转换。倾转旋翼构型的原理是旋翼可倾转，垂直时像直升机，平飞时转向前方如固定翼，一套动力兼顾。该类型飞机通过可倾转旋翼实现垂直起降，在巡航飞行时旋翼倾转至水平位置提供推进力，而主翼则产生升力。该设计结合了直升机的垂直起降能力与固定翼飞机的高效巡航能力，具有飞行效率高、载重能力强、适应多种飞行需求的优点。然而，这类飞机结构复杂，制造和维护成本较高。倾转旋翼构型速度快（>200 km/h）、航程远（100~250 km）、综合效率最高，但机械结构与控制逻辑最复杂。

代表机型包括Archer Midnight、沃飞长空AE200、Joby Aviation S4、CityAirbus NextGen、时的E20以及鸿鹄Mark1。Joby Aviation S4配备了6个可变桨距的螺旋桨，每个螺旋桨由独立的电池系统供能，因此即使一个或多个螺旋桨或电机发生故障，其他正常工作的螺旋桨和电机仍可保证安全降落。2024年6月，Joby Aviation将S4 eVTOL演示机改装为氢电动力，完成了创纪录的523英里的不间断飞行，是其电池动力版本航程的3倍多。倾转旋翼构型以约35%的市场份额紧随复合翼之后。

三、全电/混动直升机动力系统结构

全电动与混合动力直升机的动力系统架构主要包括五种方案：纯电直驱、混合动力系统（电动化尾翼、应急着陆动力系统、串联混动以及并联混动）。

3.1 纯电（全电）直驱动力系统架构

全电直驱动力系统适用于全电飞机的所有飞行工况，其中储能电池经过DC/DC转换器和逆变器向主旋翼和尾桨电机提供电力，从而驱动主螺旋桨和尾桨。电子控制器通过CAN/485通信方式控制多个电机控制器，从而调节电动机和螺旋桨的转速，最终实现对电动飞机的飞行控制。该系统的动力和能量为电机和电池，因此其发展受限于电机功率和电池能量密度水平。

全电动直升机具有低噪声和零排放的优势，但由于机载锂电池能量密度的限制，续航能力成为挑战。此外，直升机的高能耗对电动机功率密度提出了更高要求，主旋翼电动化仍是技术难题。

3.2 混合动力系统架构

在混合动力架构中，飞行器的能量储备由传统航空燃油与电化学储能装置（包括蓄电池组或燃料电池单元）协同供给，电池可以通过充电桩进行充电。罗罗公司基于E2SG计划开发了嵌入式电起动机发电机，用于AE3007涡轮发动机，实现了涡轮电力系统的集成开发。直升机的混合动力系统主要分为电动化尾翼、应急着陆动力系统架构、串联混合动力和并联混合动力。

3.2.1 电动化尾翼系统架构

电动化尾翼动力系统主要是燃气涡轮发动机或活塞发动机通过齿轮箱驱动主旋翼。此外，安装在发动机变速箱上或内置于发动机内的发电机产生电能，经由AC/DC转换器和逆变器为尾桨电机提供电力，并且蓄电池作为尾桨电机的应急电源。该动力系统仅实现了尾翼电动化，主桨和尾桨的电动化已成为当前和未来的主流趋势，因此该技术已广泛应用于串并联混电动力系统中。

3.2.2 应急着陆动力系统架构

紧急着陆系统可视为一种并联混合动力系统。在直升机正常运行期间，该系统的工作方式与常规动力飞机类似，主旋翼和尾桨的动力均由燃油发动机提供。仅当发动机失效、需要紧急降落时，电动机才开始工作并提供应急动力。因此，该系统中的电池包容量较小，对电机的功率密度和电池的能量密度的要求也相对较低。该系统虽然无法实现碳减排和提升能源效率，但为并联混动系统的发展奠定了基础。

3.2.3 串联涡电/混电动力系统架构

Botti等和Luyks分别提出了一种适用于直升机的串联混合动力系统。发动机与电池包组合供电以及氢能与电池包组合供电的串联混合动力系统架构二者较为接近。

在上述系统中，发动机并不直接驱动螺旋桨，而是通过集成发电机或独立发电机发电，电力经过AC/DC转换后供给母线，同时电池组经过DC/DC转换为母线供电，最终为电动机提供动力以驱动主旋翼和尾桨。剩余的电量会被存储在电池组中，以在需要额外能量的飞行工况下提供辅助动力。通过控制单元使发动机在最优效率区间内运行，从而在燃料消耗方面具有显著优势。串联涡电/混电动力系统的动力仅由电机提供，同时需要配备较大的电池，因此该系统的发展同样受电机和电池技术水平的制约。

氢能与电池包组合供电的串联混合动力系统架构的代表机型为Piasecki Aircraft Corp.和HyPoint合作开发的edm aerotec CoAX-2D。该机型采用了氢燃料电池和锂电池组的组合供能系统，为电动机提供动力以驱动螺旋桨。燃料电池的功率密度和氢的机载存储是当前制约该技术应用的关键。

3.2.4 并联涡电/混电动力系统架构

在并联混合动力系统中，发动机和电动机通过变速箱机械连接到主旋翼，变速箱根据控制单元中实施的能量管理策略，在两台动力装置之间进行功率分配。当功率需求较低时，电动机可以作为发电机，为电池组充电；当功率需求较高时，电动机则用来辅助涡轴发动机提供额外动力。发动机仅在电池充满电、具备足够的电力驱动功率用于紧急着陆时停止工作。该并联架构适用于中低速急加速以及高速飞行的工况。此外，尾桨的电动化可与并联方案相结合。

相较于串联混动，并联混动系统的电机主要用于辅助发动机，具有更优的动力性能和更小的电池，因此系统重量相对较轻，受电机和电池技术水平制约相对较小。

在并联混合动力系统架构中，动力源之间的能量整合可采用多种机械耦合方案。具体而言，电机输出轴可与燃料动力装置（包括活塞式内燃机或航空涡轮发动机）通过三类典型方式进行动力协同：采用同轴或共轴直接连接、借助双输入单输出的齿轮系耦合输入扭矩、或采用行星齿轮变速装置进行能量整合，最终共同为螺旋桨提供驱动力。

四、混动直升机动力耦合传动系统

4.1 行星齿轮减速器—功率分流混电传动系统

基于行星齿轮的动力系统在直升机领域中十分普遍，然而应用于直升机的混合动力系统的研究仍鲜有报道。在传统直升机的传动系统中，行星齿轮动力传动系统作为一种恒速传动方式被广泛用于传递扭矩，即其传动比是固定的。近年来，研究人员逐步对应用于无人机的功率分流混合电力推进系统进行了研究，以期提高飞行器的整体性能。

Guo S Q等基于柴油发动机为AC311直升机设计了一种功率分流混合电力推进系统（Power-Split Hybrid Electric Propulsion System, PS-HEPS），并分析其燃油消耗潜力，总结出两种可行的方案：输入功率分流混合电力推进系统（IPS-HEPS）和输出功率分流混合电力推进系统（OPS-HEPS）。

IPS-HEPS通过发电机来解耦发动机与转子的转速，并由电动机负责解耦发动机与转子的扭矩。该系统的行星齿轮结构中，发电机与发动机同轴，连接至行星齿轮的太阳轮上，而电动机则连接在输出轴上。在工作过程中，发动机的机械功率通过行星齿轮被分为两部分：一部分传递给发电机，将机械能转换为电能，另一部分通过齿轮直接传递给螺旋桨转子。IPS-HEPS在高转速工况下表现优异。

OPS-HEPS的结构与IPS-HEPS类似，但发电机和电动机的功能分配有所不同。OPS-HEPS通过电动机解耦发动机与转子的转速，而发电机与发动机同轴。行星齿轮将发动机的机械功率分为两部分：一部分通过发电机转换为电能，另一部分则直接用于驱动转子。与IPS-HEPS不同，在动力需求较高的情况下，发电机还可以作为驱动电机，与发动机共同提供扭矩输出。OPS-HEPS在低转速工况中则具有更好的效率。

IPS-HEPS和OPS-HEPS的核心均在于基于行星齿轮的功率分流设计，通过电动机、发电机与内燃机的协同工作，实现动力系统的高效运作。在直升机应用中，这两种系统均表现出显著的燃油经济性优势，尤其是在使用活塞发动机的轻型直升机中。PS-HEPS技术有望进一步推动直升机电气化的发展，未来可能允许实施变速旋翼或电动尾桨等系统，从而进一步提高直升机的效率和整体性能。

4.2 平行轴减速器—扭矩耦合并联混动传动系统

应急着陆动力系统架构与常规并联涡电/混电动力系统架构通常采用相似的机械传动系统，即平行轴减速器。在直升机中，平行轴减速器—扭矩耦合并联混合动力传动系统的主要应用是实现高效的动力传递与灵活的扭矩管理。

在直升机的主传动系统中，平行轴减速器—扭矩耦合并联混合动力传动系统通常用于实现以下目标：

• 提高动力系统的效率：通过减少能量损耗和传动误差，提高发动机与螺旋桨之间的效率。
• 提供更佳的扭矩分配：该系统能够根据需求，将来自不同动力源的扭矩有效地传递至主旋翼或尾旋翼。
• 支持混合动力技术：通过并联混合动力传动系统，可以结合燃油发动机与电动机的优点，根据不同的工作条件提供合适的动力支持。

三平行齿轮轴系的并联混合动力传动系统结构允许电动机从发电机或电池中获取电能，并在需要时为系统提供辅助动力。电动机直接通过传动轴连接至直升机的主桨和尾桨，在需要增加扭矩时，电动机能够迅速响应，提供动力补充，尤其是在起飞或爬升等高负荷工况下。在某些情况下，发电机也可反向作为电动机运行，为系统提供额外的扭矩支持。

在并联混合动力系统中，发动机与电动机可以协同工作，也可以分别独立工作。当动力需求较高时（如起飞或快速爬升），发动机和电动机可以同时提供动力，合成的扭矩通过传动轴传递至旋翼，确保提供足够的升力和操控力。在动力需求较低的情况下（如巡航飞行），电动机可以独立运行或辅助发动机，以减少燃油消耗。当直升机处于低负荷或下降状态时，发电机可通过发动机的驱动进行发电，将多余的能量储存在电池中。

该并联混合动力传动系统具有以下优势：

• 灵活动力调节：通过并联结构，发动机和电动机的动力可以灵活调节，确保系统在各种工况下的高效运作。
• 高可靠性：该系统提供多重动力源，在某一动力源出现故障时，另一动力源可以提供冗余支持。
• 快速响应：电动机能够快速启动和停止，在起飞和着陆等关键操作过程中提供快速的动力响应。

4.3 两种传动系统的比较

分析两种动力耦合传动系统可以看出：两种方案各有优缺点。行星齿轮减速器扭矩密度较高，体积和重量较小，更适合飞行器的紧凑布局需求。平行轴减速器结构简单、成本较低，但扭矩密度较低，需要更大的体积和重量。传动系统未来发展方向为提高传动效率与轻量化设计。

五、直升机电动化航空动力技术发展方向

5.1 现阶段直升机的主要动力形式

全电直升机受限于续航瓶颈，更适用于城市短途空运。混合动力提升机载能量密度和燃油效率，满足了长续航需求，已成为现阶段直升机的主要动力形式。电动化尾翼和应急系统虽节油效果有限，但为混动技术发展奠定了基础。串联系统适用于低速高扭矩场景的创新构型飞行器，但对电机和电池要求较高。并联系统兼具经济性和动力性能优势，已在轻/超轻型直升机中应用，但电控系统复杂、需要动力耦合装置。综上，并联混动适合传统构型直升机，而串联混动适合创新构型的垂直起降飞行器。

5.2 混动系统燃油效率的关键

耦合装置轻量化对混动系统的燃油效率提升十分有益，机电一体化和轻质高强度复合材料是有效的实现途径。另一方面，能量管理策略决定了不同动力源的协同效率，根据飞行状态，实时调度电动机和内燃机的工作负载，是实现混动系统能效最大化的关键。未来能量管理策略将向实时动态调整和智能化方向发展，以提高燃油效率。综上，动力耦合装置的轻量化和能量管理策略是提升混动系统燃油效率的关键。

5.3 混合动力电驱动系统的未来形式

燃油—电池混动直升机无法实现零排放目标。目前，氢燃料电池（含储氢罐）能量密度显著高于锂电池，氢—电混动模式性能优于两者单独作为动力源，是零排放飞行器的潜力方向。燃料电池通过电化学反应将化学能转化为电能，具有比传统内燃机更高的能量转换效率和更低的污染物排放，同时无需机械传动部件。氢气的能量密度是航空煤油的3倍，远超锂电池，因此被视为未来航空能源的方向。

Piasecki Aircraft Corp.与HyPoint公司合作，采用CoAX-2D直升机进行全球首例载人氢动力直升机飞行测试，使用80 kW的HyPoint HTPEM燃料电池。Piasecki计划开发PA-890飞机，使用HyPoint SPM 20燃料电池单元，每个单元提供20 kW峰值功率，最终堆叠形成560 kW的核心动力装置。美国陆军已资助Hydroplane公司开发用于直升机和货运无人机的模块化200 kW氢燃料电池动力系统架构。有研究对单飞行员、全尺寸质子交换膜燃料电池动力直升机进行了飞行测试，以700 bar压缩气态氢为燃料，证实了氢燃料电池直升机的可行性。

现阶段，氢能产业链的发展阻碍了氢能直升机的商业化应用。未来城市内短距离空中交通，电池是最适合的航空动力；城市间空中交通或具有高速、长航时需求的直升机，氢燃料电池—电池混合动力是最适合的动力。相信在不久的未来，可突破氢燃料电池和氢能相关技术，为氢能应用扫清障碍。氢燃料电池将是未来混合动力电驱动系统的主要形式。

5.4 未来直升机动力装置的主要应用形式

分布式电驱动技术突破了传统直升机动力系统的物理限制，通过其“尺度无关”特性为构型创新提供了技术基础。这种技术将传统的主旋翼改为分布式旋翼系统，实现了动力装置与气动布局的深度耦合，能够精确地将推力分配到最佳气动位置，从而显著提高飞行效率并降低噪声水平。目前eVTOL项目普遍采用分布式电推进构型，分布式电驱动将成为未来垂直起降飞行器的核心动力形式。

分布式电推进技术允许一台中央涡轮轴发动机驱动一台或多台发电机，为多个独立控制的电动机提供交流或直流电源，每个电动机驱动单独的旋翼或涵道风扇。这种架构不仅简化了传统直升机复杂笨重的主减速器和长传动轴，降低了重量和维护成本，还提升了安全性。构型创新是直升机绿色能源动力性能的倍增器。

总结如下：

1）动力系统架构：全电动与混合动力直升机的动力系统架构主要包括5种方案：纯电直驱、混合动力系统（电动化尾翼、应急着陆动力系统、串联混动以及并联混动）。每种方案均具有独特的技术特点与挑战。

2）动力耦合传动系统：在并联混动动力系统的架构中，发动机与电机主轴可以通过共轴连接、扭矩耦合器（两输入一输出的三平行齿轮轴系）、或行星减速器实现扭矩的耦合叠加，以驱动螺旋桨。

3）全电/混动飞机的发展方向：现阶段混合动力电驱动是直升机的主要动力形式；动力耦合装置的轻量化和能量管理策略是提升混动系统燃油效率的关键；氢燃料电池是混合动力电驱动系统的未来；创新构型分布式电驱动是未来直升机动力装置的主要应用形式。

4）亟待突破的关键技术：未来的技术发展将集中于提高动力系统的功率密度、优化电池与能源管理技术以及开发新型高效的传动系统结构等方面，以进一步提升全电动/混合动力VTOL飞机的续航能力与经济性。

本文为全电动/混合动力VTOL飞机的整体设计、动力需求分析以及传动系统优化提供了有价值的参考，可为后续研究奠定基础。

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