-
尹泽勇：《新能源航空发动机发展战略研究》
2026-08-14 19:24:52
作者：尹泽勇（中国工程院院士，国家“两机”重大专项航空发动机工程总设计师）
当前，新能源代替煤炭、石油等化石能源的进程不断加快，新能源及其动力系统正在重塑世界发展格局。作为高端装备制造业的代表，航空发动机既是从能源向动力转化的重要载体，也是能源高水平应用的重要体现。新能源与航空发动机都具有辐射面宽、产业链长、技术扩散率高、连带效应强的特点，可集中反映国家综合国力和科技水平。新能源与航空动力融合发展将推动航空动力领域发生变革，进一步促进航空领域新质生产力的形成。
党的二十届三中全会明确要求，因地制宜发展新质生产力，扎实推进绿色低碳发展。航空工业界对各类新能源航空动力的关键科学问题、技术难关进行了初步研究。需要指出的是，我国航空装备对进口石油资源的依存程度较高，面临百年未有之大变局，实现持续、稳定供应仍面临一定挑战。落实“双碳”战略目标、保障航空能源安全、实现航空业可持续发展，都需要加快航空动力从传统化石能源动力到新能源动力的变革。发展新能源航空动力是打破欧美对我国航空业未来发展实施“碳封锁”战略企图、构建国内国际双循环新发展格局的重大举措。
一、新能源航空动力的发展价值
1、能源的更新换代将重塑世界格局。优质能源的出现和先进能源技术的使用，促进人类社会不断发展与变革，进一步引发大国竞争与博弈。第一次能源革命，煤炭取代柴薪成为主导能源，英国超过荷兰，成为世界主导。第二次能源革命实现了从煤炭到石油的跨越，美国超过英国，成为世界第一大国。第三次能源革命将实现从石油到可再生能源、绿色能源的跨越，新的能源体系正在构建，新能源利用的主导权逐渐成为大国必争之地，也为我国迎来“换道超车”的新机遇。
2、新能源与航空动力融合发展是航空业可持续发展的重要途径。化石能源的不可持续以及对环境和生态的破坏问题日益严峻。我国是全球最大的原油进口国，年消耗量领跑全球，近年来化石能源的持续、稳定供应面临突出挑战。煤和石油资源将在未来百年内枯竭，包括太阳能、核能、电能、氢能、SAF等在内的新能源开发利用前景广阔，虽然能量转化方式不同，但各种新能源动力都可以实现从化学能、电能或热能到机械能、动能等的转化。新能源与航空动力融合发展是保障能源安全、推动航空业可持续发展的重要途径。
3、发展新能源航空动力是落实“双碳”战略目标的必然要求。交通运输行业是我国碳排放量最多的三大行业之一，排放量约占碳排放总量的10%。国际清洁运输理事会预测，若不采取相应的环境保护措施来控制碳排放，航空业的碳排放量将在2050年比2022年的碳排放量增加3倍。2022年10月，国际民用航空组织确定了在2050年前国际航空业务实现净零碳排放的发展目标。基于传统石化燃料的航空发动机，难以在规定时间内实现脱碳目标，因此发展新能源航空动力成为航空领域减少化石能源依赖、减少碳排放、落实“双碳”战略目标的必然要求。
4、支持新能源发展是国家重大战略需求。美国在2007年实现了碳达峰，英国、法国、德国等欧洲国家已经在20世纪90年代初期实现了碳达峰。美国、英国、欧盟等先进航空动力国家和地区已经陆续出台新能源发展战略，并在国家、组织、企业等层面共同推动新能源发展，促进净零排放。2021年，美国在发布的《迈向2050年净零排放的长期战略》中，公布了美国实现2050年碳中和目标的时间节点与技术路径。2020年，英国发布《能源白皮书：为零碳未来提供动力》，对能源转型路径作出系统规划，明确提出了力争2050年在能源系统实现净零排放的目标。德国已明确将实现净零排放的时间从2050年提前到2045年。2021年，欧洲发布了“目标2050年”的可持续发展新战略，详细阐述了未来30年欧洲航空业去碳化的发展路径。2020年，日本发布“2050年碳中和绿色增长战略”，为日本实现碳中和提出了相应的指导方向。2020年，我国在联合国第75届大会上提出，2030年前碳排放达到峰值，2060年前实现碳中和。近年来，我国已陆续出台一系列规划和实施方案。
二、新能源与航空动力融合发展态势
1、太阳能航空动力。太阳能飞机是一种绿色无污染的新能源飞行器，其动力系统是基于光生伏特效应，利用光伏发电板和储能电池将太阳辐射能转换为电能，再通过电机驱动螺旋桨产生机械能。太阳能航空动力具有支持高空长航时飞行、易于快速部署和成本低廉的优势，但也有光电转换性能和飞行稳定性受环境影响大、推进动力和有效载荷小的劣势。国外知名的太阳能飞机有美国的“太阳神号”无人飞机、英国的“西风号”飞机、瑞士的“阳光动力号”系列飞机等。“阳光动力2号”是世界第一架实现环球旅行的载人太阳能飞机，最大巡航高度为8.5 km；“西风S号”太阳能无人飞机的飞行高度为23 km，可连续飞行28天。我国“启明星50”大型太阳能无人机采用双机身布局，翼展为50 m，全重约295 kg，可在临近空间范围内飞行。
2、电能航空动力。电能航空飞行器的动力包括纯电推进和混合电推进两种形式。在纯电推进系统中，电池是飞行器唯一的动力来源，电池给电机供电以驱动风扇／螺旋桨／旋翼转动。混合电推进系统采用燃气涡轮发动机和电池共同为飞行器提供动力，并通过发电机、转换器、电动机、控制系统等部件进行能量的分配与管理。混合电推进系统包括串联混合电推进系统、并联混合电推进系统、混联混合电推进系统等类型。电能航空动力具有推进效率高、总体布局灵活的优势，但现阶段存在“绿电”占比低、储能电池能力密度小、电机系统重量大等劣势。
3、核能航空动力。核能动力是通过核裂变、核聚变、同位素衰变等核反应过程，从原子核中释放出能量，再经过能量转化，成为燃气涡轮输出的机械能、电池的电势能、推进剂的动能等。核能燃气涡轮主要是从核能中提取热能和辐射能，通过机械传动和减速系统输出机械能；核电池主要通过特殊材料和结构，利用热电或光电效应产生电势差，从而对外输出电能；核能直接转化为推进剂动能是指将燃气涡轮中的燃烧室替换为核反应装置直接产生动能。核能具有能量密度大的优势，但由于核动力装置小型化困难、核辐射泄漏防护装置复杂且沉重，距满足航空飞行器对任务载荷体积小、质量高的要求还有一定差距。
核动力装置已广泛应用于工业发电，也在深空、深海探索领域如航空母舰、潜艇、太空探测器等多种成熟的任务平台提供持久动力。自20世纪50至60年代美国等国家的核动力飞行器研发尝试停止后，世界范围内核动力飞行器的探索和研制几乎陷入停滞。2013年，美国桑迪亚国家实验室提出了以核电池为动力的水、陆、空三栖核动力无人机概念。未来，核反应堆小型化技术的突破，可能为大型固定翼飞机、大型飞艇等航空器的发展提供新机遇。中国航天推进技术研究院研制的氦氙混合工质闭式布雷顿热电转换系统已成功试车，能够将核能转化为10~100 kW功率的电能输出，为核能涡轮动力研究奠定了基础。
4、氢能航空动力。氢能在航空动力上的使用主要有氢燃料电池、氢涡轮发动机、氢涡轮混合电推进3种形式。氢燃料电池利用氢化学能发电，电机驱动风扇／螺旋桨／旋翼做功产生动力；氢涡轮发动机的结构与常规航空涡轮发动机基本相同，氢燃料在燃烧室内燃烧，推动涡轮，产生推力或扭矩；氢涡轮混合电推进是将氢涡轮与氢燃料电池组成混合动力系统，氢燃料既进入燃气涡轮中燃烧做功，又进入燃料电池中进行氧化还原反应产生电力，电机与燃气涡轮通过减速器同时对风扇／螺旋桨做功。氢能航空动力3种基本技术路径的优劣势情况如表2所示。
近年来，美国、俄罗斯、法国、德国、日本等国家都积极推进氢能航空动力3种技术的研发，主要研究兆瓦级氢燃料电池动力技术、机载储氢技术、氢燃料计量和控制技术、氢燃料稳定燃烧技术、燃氢飞机／发动机一体化设计技术等。我国主要针对氢涡轮动力、氢燃料电池开展相关研究工作，包括氢燃料适应性改进、氢燃料燃烧和高效换热、氢密封等技术。中国航空发动机集团已实现兆瓦级氢燃料涡桨发动机核心机及整机性能达标；中国商用飞机有限责任公司试飞了采用氢燃料电池为主、锂电池为辅的混合动力小型涡桨飞机；中国航天科技集团有限公司开展了氢燃料燃烧仿真和试验研究，搭建了氢试验平台。
6、可持续航空燃料航空动力。SAF是由废弃油脂、能源植物、农林废弃物、城市垃圾等可再生原料生产的新型航空燃料。SAF成分接近航油，适用于绝大部分现役飞机和发动机，无须对发动机进行结构设计上的改变，只需替换油品，且可与航空煤油混合使用。与传统航空煤油相比，SAF可在全生命周期减少50%以上的碳排放，但目前存在产能不足、成本高、炼制工艺路线差异大、认证流程繁琐等问题亟待解决。
三、新能源航空动力的工程实用性综合分析
1、新能源特性和转换适用性分析。为深入探究新能源航空动力的能源特性和转换适用性，本文从可获取性、经济性、安全性、环保性、兼容性、基础设施完备性等方面对不同新能源与常规航空燃料进行对比研究（见表3）；从体积能量密度、质量能量密度、功率密度（动力总成）、转换原理、转换装置、转换成本、转化效率、转换安全性、转换可靠性等方面对不同新能源与常规航空燃料进行对比分析（见表4）。研究发现，太阳能和SAF的可获取性与常规航空燃料一致，其他能源则需要经过二次转化获取；新能源的炼制工艺和使用成本相比常规航空燃料高、经济性较差；在安全性方面，SAF与常规航空燃料一致；太阳能、电能、氢能和SAF都具有很高的环保性；电能、氢能、氨能、SAF与常规航空发动机结构的兼容性较高；SAF与常规航空燃料在基础设施完备性方面基本一致。
太阳能的功率密度远小于常规航空燃料，光电转换性能和飞行稳定性受环境影响大。电能的体积和质量能量密度均远远低于常规航空燃料。核能能量密度极高，核能转化为航空动力的安全性和装置兼容性很低。氢能除了体积能量密度低、氢分子对金属物质有腐蚀性外，其用于航空领域的综合性能较好。氨燃料具有较低反应动力学、掺混比例最多为10%、存在NOx排放等问题，目前尚不具备作为航空动力能源的条件。SAF相比其他新型能源的技术成熟度高、装置兼容性强，燃烧时产生的CO2可借助原料生产得以中和，可在全生命周期实现负碳排放。
2、新能源航空动力应用场景综合分析。结合新能源特性和能源到动力转化的优劣势，可以看出，太阳能航空动力不适用于运输类航空，可用于轻质化、高空、低速、长航时的气象／通信中继无人机等。电能航空动力受限于电池能量密度，纯电动推进仅适用于低空、低速、低航时的小型飞机，混合电推进可适用于大型飞机。考虑到核反应控制难、泄露风险高、小型化技术仍需突破，中短期内核能无法应用于航空领域中，未来有望应用于超大运力、超长航时的“航空母机”。氢能航空动力受限于体积能量密度和“氢脆”问题，中短期内仅适用于中小型飞机，未来可满足民用客机绿色远程飞行和未来高速飞行需求；氢混合动力系统结合了氢燃料电池和氢涡轮发动机的优势，可以提升氢能航空动力的适用范围。氨能可以作为储氢载体与氢能融合应用于航空领域。SAF可以直接替换传统航空煤油并用于现有航空动力装置。经综合判断，6种新能源中，最具发展潜力且可应用于航空动力领域中的是SAF、电能、氢能。SAF、电能、氢能应用于航空领域的可用飞行器和优势区间比较，如图1所示。SAF适用飞行器的范围区间最宽，涵盖低空通航领域、民用支线、干线和超大型干线商用客机领域，氢能航空动力适用范围适中，电能航空动力目前适用范围最小。
四、新能源航空发动机的发展目标与重点任务
1、发展目标。在国家新型能源体系框架下，优先发展并应用SAF动力，加强电能和氢能航空动力研发，持续开展太阳能航空动力应用推广和核能航空动力探索研究，加快新能源航空动力的应用，实现从航空煤油到多种可再生、可持续能源的跨越式发展。2030年前，大力推进SAF在航空发动机上的应用范围，推进国产民用飞机开展不同掺混比例的试点验证。2035年前，推动低空、低速、低航时的中小型军用与民用飞机应用混合电推进系统及纯电推进的进程，实现民用航空动力的减碳与增效、军用航空动力的示范应用，加快配装通勤、支线飞机的氢燃料电池动力产品研制。2040年前，完成配装支线、干线飞机的氢涡轮动力产品研制。2050年前，形成一批太阳能、核能等颠覆性航空推进技术核心创新成果，使新能源航空动力的安全性、经济性均达到世界先进水平。
2、重点任务。
（1）可持续航空燃料的发展重点.推动SAF与自主航空动力装备的协同发展。在供给侧，提升原料供应稳定性，发展相应的制备工艺，在中短期内，以满足我国民航业脱碳需求为目标，基于我国资源禀赋和技术基础，明确具有发展潜力的工艺路线和相应原料的供应方式。重点发展基于能源植物、农林废弃物等原料的制备工艺，通过电解水制氢、再与CO2合成转化为碳氢化合物燃料的电转液工艺；以增强供应链稳定性、实现国产SAF出口为目标，重点探索“绿氢”“绿电”在SAF制备中的应用，实现SAF制备工艺的多样化发展。近期内可以政策支持为主，降低SAF研发和生产的成本，未来则不断向市场竞争过渡，逐步完善碳交易机制，提升SAF在航油消耗量中的占比。
在需求侧，尽快在自主研制的军用、民用航空发动机上扩大验证范围并使用国产SAF，推动SAF与自主航空发动机装备的协同发展，确保我国自主研制的航空发动机出厂即能兼容国产SAF。进一步依托我国航空发动机型号的发展和相关技术积累，发展用于SAF安全性与可持续认证的自主验证平台、设施、模型和软件，形成与我国工业体系兼容的自主认证方法、流程和标准，推进SAF安全性和可持续自主认证体系建设。深度参与国际标准制定，推动国际标准互认，增强国际标准的话语权。
（2）电能航空动力的发展重点。加强“绿电”航空动力技术攻关。面向城市空运、应急救援、物流运输等应用场景，大力提升电机／电池的功率或能量密度，着力发展eVTOL、轻小型旋翼及固定翼电动飞机、电动无人机用纯电推进产品的应用，布局城市空运产业。
混合电推进比纯电推进的航空动力应用范围更大，应分阶段实施技术攻关工作，突破飞机与混合电推进系统一体化设计、油 – 电混合系统匹配设计、大功率提取等关键技术。进一步突破超导电机低温冷却与制冷及绝缘技术，实现半／全超导电机在推进系统中的高效应用，加快形成安全高效的电机、电池、电控等现代化产业链。逐步提升混合电推进系统中的电推进占比，助力实现民用航空动力的减碳与增效；发展军用有人／无人飞机混合电推进动力系统，提高军用航空动力的作战能力。
（3）氢能航空动力的发展重点。加强“绿氢”航空动力技术攻关。在现有成熟航空平台的基础上，协同开展氢涡轮和氢燃料电池两条技术路线研发。突破氢燃料电池系统轻量化、氢燃料稳定燃烧、气／液态氢燃料计量与控制、“氢脆”预防等关键技术。结合实际应用，先以新型通用航空的低空飞行器、后以支线飞机为应用对象，开展氢涡轮航空发动机集成验证，完成基于成熟飞行平台改装的中小型氢涡轮航空发动机示范飞行。进一步以实现5~6 h内全球通达为发展目标，布局新型超声速氢涡轮航空发动机设计关键技术预先研究和验证，解决制约超声速民用氢涡轮航空发动机应用的关键技术问题。
同步突破机载氢燃料的高效安全存储技术、氨气储氢技术，研发高效、安全、低重量的固体储氢和有机氢化物储氢设备。加快制定全国统一的氢配套设施建设的审批流程和管理标准，推动氢能作为清洁能源在航空动力领域的规模化应用。研究制定氢能航空动力适航审定标准和安全性标准体系，建立并健全氢能航空动力和航空器设计质量保障体系与安全管理政策，系统推动氢能航空动力的安全高效发展。
（4）太阳能、核能航空推进的发展重点。持续开展太阳能航空动力应用推广。针对通信中继、气象观测等任务需求场景，开展长寿命、高效太阳能电池分布式推进系统、高效储能等技术研究及应用，满足民用及军用高空长航时太阳能无人机的发展需求。开展核能航空动力探索研究。针对超大运力、超长航时任务需求场景，加强核动力进一步轻量化、防泄漏研究，为未来开展“航空母机”应用提供技术支撑。
五、加快我国新能源航空发动机发展的保障措施
1、推动设立新能源航空技术与产业协同发展专项。由国家相关部委牵头，协同产业链上、中、下游企事业单位，组织开展新能源航空技术与产业协同发展专项论证，促进立项。相关论证工作应包括产业链上游的新能源制备、储运、加注等重点任务；产业链中游的新能源飞行器及发动机整机、系统等新技术及产品一体化研发任务；产业链下游的新能源航空动力实际运营相关问题，如规划一致、部门协同、政策支持等内容。
2、加快新能源航空动力研发和使用进程。工业界及学术界联合开展深入研究，进一步明晰各类新能源的特点、难点及应用范围。当前以有自主知识产权的国产民用、军用飞机为切入点，大力推动SAF与自主航空动力装备协同发展；在现有成熟航空平台基础上，进一步加强电能和氢能航空动力技术攻关，加强“绿电”“绿氢”在航空领域的应用，加快使新能源航空动力成为主流的步伐。以SAF、电能、氢能为重点，加快布局建设中试试验平台，有效降低技术研发风险，推动实现民用航空动力的减碳与增效、军用航空动力的示范与推广。
3、强化新能源航空动力产业的金融和财税保障。国家相关管理部门需加大和地方政府的对接合作力度，鼓励各类社会资本和金融机构加大在新能源航空动力领域的投资，推动符合条件的产业链上下游企业上市和发行各类债券融资等，支持新能源航空动力技术发展、产品研制和能力建设，推动运营服务保障体系成熟以及产业链与供应链完善。充分利用贴息、优先采购等方式，统筹支持新能源航空动力系统产业化发展。对研制新能源航空动力及配套系统的企业给予税收优惠政策，为高水平新能源航空动力技术和产品研发创建良好环境。
4、构建新能源航空动力国际合作生态链。依托新能源航空动力产业集群的发展基础和优势，充分利用中欧、中俄等政府间合作机制，积极引入具有高技术含量与经济效益的新能源航空动力技术、产品和产业合作项目。培育具有国际竞争力的供应商和合作伙伴，融入国际航空动力产业链。积极参与新能源相关的国际标准制定，提高国际话语权，构建新能源航空动力的国际合作生态链。
本文内容有删减。
作者介绍：
尹泽勇：航空发动机专家，中国工程院院士，国家“两机”重大专项航空发动机工程总设计师，厦门大学航空航天学院首任院长，享受国务院颁发的政府特殊津贴。尹泽勇院士长期从事航空发动机及直升机传动系统研发工作。主持研制我国第一型设计定型并交付使用的涡扇发动机、第一型自主研制定型并交付使用的先进涡轴发动机、第一型自主研制的大飞机用先进大涵道比发动机验证机、第一型自主研制并交付使用的先进直升机传动系统及最大吨位直升机主减速器等多种型号，致力于航空发动机先进组合结构及循环对称接触结构分析、先进各向异性单晶高温材料构件、发动机总体及部件气/固/热多学科设计优化以及高速化、智能化等未来航空动力技术的创新研究及工程应用工作，对我国航空发动机及直升机传动系统技术发展作出重大贡献。出版专著6部、译著6本，发表论文60余篇。研究成果获国家科技进步一等奖1项、二等奖2项。曾获“国家级中青年有突出贡献专家”“全国优秀科技工作者”“新中国航空工业创建60周年航空报国特等金奖”“湖南省科学技术杰出贡献奖”等荣誉称号。
邀请老师演讲、授课请致电：19821197419 阎老师[微信同号]
免责声明：以上内容（包括文字、图片、视频）为用户上传并发布，本平台仅提供信息存储服务。如涉及版权问题，请联系我们并提供版权证明，我们将立即删除！
手机:19821197419
地址:上海市闵行区莲花南路1951号
