国际航空运输协会（IATA）等国际组织近年来制定了多项绿色航空发展路线图，旨在推动全球航空业向低碳、可持续方向转型，以实现2050年净零碳排放的目标。市场预计，未来投入绿色航空转型的资金规模将高达5万亿美元，主要用于技术研发、基础设施建设和市场激励。这也使绿色航空领域的研究成为了新兴的行业热点，在飞行器与绿色动力、能源与燃料基础设施、运营与政策协调优化协同推进，共同为实现航空业脱碳目标努力。本期封面故事，我们请来第三期封面文章《工质驱动分布式推进系统多学科优化设计研究》的作者，为大家介绍一下分布式推进的特点以及研究的进展情况。
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寻找绿色航空的突破口
当银翼划破长空，为现代人类社会编织空中交通网的同时，也在大气层中留下了不可忽视的碳足迹。随着2050实现净零碳排放这个共同愿景的提出，这个年产值超万亿美元的产业，正面临一场关乎存续的双线作战——既要维持其全球经济驱动力的重要作用，又要破解能源转型与应对全球气候变暖的双重困局。近年来，全球航空界掀起一场轰轰烈烈的"减排战役"，欧洲"航迹2050"计划更是设定了十分严苛的环保指标：相较2000年的主力机型，2050年要实现每客公里二氧化碳减排75%、氮氧化物削减90%、噪声降低65%。这些数字背后，是传统航空动力系统遭遇的物理瓶颈。以当代主流的大涵道比涡扇发动机为例，总压比及涡轮前温度由于受到材料耐热强度、冷却技术的制约，已经接近性能的极限，部件效率的提升空间也越来越有限；涡扇发动机的涵道比由于风扇转速与低压涡轮转速匹配困难，很难再进一步增大到超过15，性能提升空间并不足以满足减排需求。
航空发动机总增压比发展趋势
在这场绿色突围战中，航空工程师们寻找到了一个重要的突破口——将大型的整体式推进单元化整为零，变为由多个相对小型推进单元（涵道风扇、螺旋桨等）产生推力或拉力。这样可以在能量来源不变的情况下，通过增加总流量或更大的桨盘的面积来提升推进效率。这就是分布式推进系统。
这种推进系统通过增加推进单元的数量或尺寸来实现涵道比的提升，大大拓展了可实现的涵道比极限，并且具有更低的排气速度或旋翼尾流速度，有效降低了推进系统耗油率和飞行噪声。更有利的是，小型推进单元的布局比传统涡扇发动机更加灵活，可实现飞机气动布局与动力系统布局的深度耦合，提升整机的飞行效能。NASA研究表明，通过在机翼前缘布置微型推进器，可实现延迟机翼边界层分离的功能，使机翼在更大迎角下保持稳定升力，将阻力降低30%，并显著缩短起降滑跑距离；通过在超临界机翼后缘嵌入动力模块的方式，可以主动消除湍流涡旋，减少能量损耗。
NASA研究的两种分布式推进布局形式
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多种分布式推进系统方案各有特点
虽然与传统涡扇发动机相比，分布式推进系统在推进效率和飞行器整体气动性能方面优势明显，但如何实现单台燃气涡轮发动机驱动多个推进单元，却成为设计思想工程化实现中最核心的问题。早期研究中，研究人员提出了两种技术路径：燃气驱动方案与机械传动方案。
燃气驱动方案的工作原理是从燃气涡轮发动机的高压涡轮后段引出高温燃气，利用这些高温燃气驱动与推进单元直接连接的动力涡轮做功。由于高温燃气的温度超过1000K，使其引气管道面临严峻的热防护挑战：不仅导致管路材料需要特殊耐热处理，还会引发显著的热量散失和压力衰减，直接影响能量传输效率。机械传动方案则是通过齿轮组、传动轴等机械结构，将发动机主轴产生的功率分配到两侧的推进单元。这种方案虽然避免了高温工质的问题，但必须配置大功率齿轮箱，将使系统复杂度和结构重量显著上升。更关键的是，刚性机械连接严重限制了推进单元的布局自由度，难以实现与飞行器气动外形的最优融合。
燃气驱动分布式推进系统方案
机械传动分布式推进系统方案*
NASA下属的研究团队提出的一种涡电分布式推进系统（TeDP）实现了推进系统与动力源的高度解耦。类似于增程新能源汽车的工作原理，涡轮发动机带动发电机产生电力，再由电网将电能输送到分布式推进单元，驱动电机带动涵道风扇产生推力。这种能量传递方式的革新使推进单元可根据气动需求灵活布置在机翼、机身等任意位置，大幅提升了推进系统与飞行器流线型外形的融合度。但动力系统增加的发电、输电、配电等电力子系统显著提升了整体架构的复杂度，同时能量在"机械能-电能-机械能"的二次转换过程中会产生不可避免的损耗。根据估算，电力系统的额外增重和功率传递的损耗几乎完全抵消了分布式推进带来的收益。另外，由于目前电机的输出功率与大型航空涡轮发动机相比还有数量级的差距，所以在干线客机（航程>3000km）还难以短期内投入使用，只能在小型、短途、低空飞行器上进行试点应用。
涡电分布式推进系统方案
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横空出世的工质驱动分布式推进
针对当前分布式推进系统的技术瓶颈，西工大陈玉春团队在燃气驱动方案基础上进行了创新性改进，提出了具备热力循环优化的工质驱动分布式推进系统。该方案通过重构能量传递路径，在保留燃气驱动架构优势的同时，有效突破了高温热防护与能量损耗两大技术壁垒的限制。
工质驱动分布式推进结构示意图
工质驱动分布式推进的核心技术路线包括三个关键环节：
一是用燃气涡轮发动机的压气机后段引取的中温压缩空气（温度约600-700K），替代传统方案中涡轮后的超高温燃气作为工质；二是在发动机尾喷管段配置高效换热器，利用涡轮排出燃气的余热对引气工质进行二次加热，将最终工质温度精准控制在800K以下；三是通过优化设计的引气管道，将热工质输送至各分布式推进单元驱动动力涡轮。这种"中温引气+废热回收"的复合热力循环设计，使驱动系统可以同时兼顾热管理安全性与能量利用效率。
相较于传统燃气驱动方案，工质驱动分布式推进方案实现了多重技术突破：
引气温度降低200K以上，显著降低热防护系统重量和体积；压气机后引气压力较涡轮后提高2-3倍，保障了工质在动力涡轮中的膨胀做功能力；废热回收环节实现了推进系统整体热效率的提升，有效补偿了管路传输过程的能量损耗。
核心机与换热结构示意图
涵道风扇推进单元结构示意图
通过多学科协同优化模型验证，该方案展现出优异的工程适应性：与TeDP系统相比，该构型提高了推进系统的总体效率，降低了系统重量，兼顾技术可行性与减排效益的特征，成为现阶段最具工程化潜力的分布式推进解决方案。
