航空动力系统正经历一场深刻的电气化革命，其核心驱动力源于对更高效率、更低能耗、更强可靠性的不懈追求。传统航空发动机依赖复杂的机械传动系统驱动燃油泵、滑油泵等附件，这不仅增加了发动机的重量与复杂程度，还因机械传动损耗和无法实现按需供油而导致显著的能量浪费。多/全电发动机（More/All Electric Engine, MEE/AEE）作为未来先进飞行器的核心动力，其本质是通过大幅提升机上电功率生成与利用能力，用电力驱动替代机械驱动，从而优化能量流动路径，实现系统层面的综合效能跃升。这一转变契合了全球航空业向绿色、低碳发展的宏观趋势，也是第六代战斗机等新一代航空装备实现超机动、宽包线、低可探测性等关键特征的底层支撑。
第一章、航空发动机电气化趋势与燃油系统变革
在发动机全面电气化的蓝图中，燃油系统的电动化改造处于枢纽地位。传统发动机的主燃油泵通常通过附件齿轮箱与发动机高压转子刚性连接，泵的转速和流量被发动机转速“捆绑”，无法独立调节。这导致在大部分非最大推力工况下，燃油泵供给的燃油量远超实际需求，过剩燃油不得不通过旁通阀返回油箱。这种“大流量供油+大比例回油”的模式带来了双重负面效应：一方面，燃油在泵内和管路中反复节流、加压循环，大量机械能被无谓地转化为燃油的内能，导致燃油温度显著升高；另一方面，驱动泵所消耗的轴功率是恒定的高负荷，造成了可观的能量浪费。
随着飞行器任务剖面日趋复杂，宽速域、变循环工作模式成为常态，发动机对燃油供给系统提出了大流量短时精准供油的极限需求，这在加力状态下尤为突出。然而，完全依赖高功率密度一体化电动燃油泵来满足所有工况，特别是峰值加力流量的需求，面临严峻挑战。高功率电机在产生巨大驱动力的同时，其自身的散热问题和瞬间的功率需求对机载电源系统构成了巨大压力。此外，为实现大调节比，电机和泵的设计往往需要在最高转速、功率与低转速效率之间做出艰难折衷，难以同时兼顾巡航经济性与加力爆发力。
因此，探索一种能融合电力驱动精准灵活与机械驱动高能密度的复合驱动方案，成为破解多电发动机燃油系统发展瓶颈的关键。本文旨在深入研究一种创新的“气/电复合驱动” 燃油系统方案，该方案针对加力工况这一最大能耗与温升痛点，提出利用发动机压气机中间级引气驱动空气涡轮，进而带动加力燃油泵，而主燃油泵则仍由高效电机驱动。本文将从系统原理、数学建模、联合仿真、性能对比及工程实践等多个维度，对这一方案的能耗优势、温控效果及其对发动机整体性能的影响进行全面剖析与验证。
第二章、电动燃油泵的挑战与引气驱动方案
2.1 多电发动机对燃油系统的核心要求与现存矛盾
多电发动机燃油系统的设计目标是在全飞行包线内，实现燃油流量的高精度、快响应、按需供给，同时确保系统自身的高效率、低热负荷和高可靠性。具体挑战体现在以下几个方面：
1. 大调节比与动态精准调控矛盾：战斗机发动机的加力燃油流量可达主燃油流量的数倍。传统电动泵方案为覆盖此范围，要求驱动电机具备极高的峰值功率和宽速域高效运行能力。电机设计往往优先满足最高转速和功率需求，导致在占大部分飞行时间的非加力巡航状态下，电机运行在低效区，系统整体能效下降。
2. 功率密度与热管理的矛盾：为满足飞机对推重比的苛刻要求，燃油泵必须追求极高的功率密度。这导致电机和泵体单位体积产热量巨大。而燃油作为机上主要的“热沉”，在冷却电机、控制器等部件后，自身温度急剧上升。过高的燃油温度（油温）会降低其作为冷却介质的能力，引发燃油热稳定性问题，析出胶质和沉淀物，堵塞燃油滤和精密喷嘴，严重影响控制系统可靠性与发动机安全。
3. 能量提取路径的优化需求：在多电架构下，驱动大功率电动燃油泵的电能最终来源于发动机轴功率驱动的发电机。从机械能转化为电能，再转化为驱动泵的机械能，存在多次转换损失。对于加力泵这种短时、特大功率负载，探索更直接、高效的能量提取路径，对于提升全机能量利用率至关重要。
2.2 引气驱动加力燃油泵系统创新方案
为解决上述矛盾，本文提出一种创新的气/电复合驱动燃油系统方案，其核心思想是“主油电动，加力气驱”，即对供油特性进行差异化设计：
主燃油供给系统：由高精度、高效率的永磁同步电机驱动齿轮泵或离心泵组成。该系统负责从起飞到最大非加力状态的全部燃油供给，其电机转速可根据发动机需求指令无级调节，实现精确的按需供油，彻底消除回油，从根源上降低了主燃油回路的温升和能耗。
加力燃油供给系统：摒弃由主泵增压后节流分配的传统路径，引入一个独立的、由空气涡轮驱动的加力燃油泵。该系统的能量直接来源于发动机压气机中间级的引气。引出的高压空气膨胀驱动空气涡轮，涡轮通过轴系直接驱动加力燃油泵，为加力燃烧室提供所需的巨大燃油流量。
系统工作原理与核心结构
引气驱动加力泵系统的核心在于空气涡轮驱动器和智能调节阀。其工作流程如下：
- 引气提取：当发动机进入加力状态时，控制系统发出指令，从高压压气机的某中间级（压力、温度适中）提取一股高压空气。
- 流量调节：引气流经一个可调截面引气阀。该阀的开度由燃油控制系统根据目标加力燃油流量和当前发动机状态（如压气机出口压力）进行闭环控制，从而精确调节驱动空气涡轮的工质流量和能量。
- 能量转换：调节后的高压空气进入空气涡轮，在涡轮静子中膨胀加速，冲击涡轮转子叶片做功，将气流的压力能与热能转化为涡轮轴的机械能。
- 燃油增压：空气涡轮的输出轴通过减速器或直接与加力燃油泵（通常为离心泵）相连，驱动泵旋转，将来自油箱的燃油增压后，直接输送至加力燃油总管和喷嘴。
- 排气：做完功的空气（压力已降至接近环境压力）通过专门设计的排气管道安全排出机外。
该方案的革命性优势在于：
能量利用路径优化：将驱动加力泵的巨大功率需求，从“发动机轴功率→发电机→电动机→泵”的多级电传路径，转变为“发动机气动功率→空气涡轮→泵”的单级气动路径。理论上减少了能量转换环节，提高了峰值功率的输出效率。
解耦与热管理优势：加力燃油泵的驱动源（引气）独立于主燃油系统，使主燃油泵可以按最优效率点设计，无需顾及加力工况，系统设计得到简化。更重要的是，大流量的加力燃油不流经主燃油泵及其冷却流道，避免了主燃油被额外加热，主燃油回路得以保持较低温度，从而显著提升了其作为滑油和电子设备冷却介质的热沉裕度。
按需供油与减重潜力：空气涡轮的功率输出可通过引气阀实现快速、大范围的调节，响应加力需求。同时，系统省去了为驱动超大功率加力电机所需的特大功率发电机、配电装置和电机控制器，可能带来系统层面的重量节省。
第三章、发动机、空气涡轮与燃油系统的集成
为定量评估引气驱动方案的综合性能，需要建立一个涵盖发动机本体、空气涡轮驱动装置及燃油/滑油系统的高保真集成仿真模型。本研究以典型的双轴混合排气加力式涡扇发动机为对象。
3.1 发动机部件级数学模型
发动机模型采用基于气动热力学原理的非线性部件级模型，这是分析发动机性能和控制规律的黄金标准。模型遵循质量、动量和能量守恒定律，对进气道、风扇、压气机、燃烧室、涡轮、加力燃烧室和尾喷管等主要部件进行建模。
建模中的关键处理：
压气机模型：压气机特性使用基于实验数据的特性图（压比-效率随换算流量、换算转速变化）描述。为考虑引气影响，在压气机出口或中间级设置引气口模型。该模型根据引气量，实时减少流入下游燃烧室的空气流量，并修正压气机的实际消耗功率。引气被视为对压气机工作点的一个扰动，通过共同工作方程的迭代求解来反映其对发动机整体推力、耗油率的影响。
涡轮模型：高压涡轮与低压涡轮模型同样基于特性图。模型中考虑从高压转子轴通过虚拟的“功率提取端口”抽取少量功率，用于驱动主燃油电动泵。该功率提取体现为对高压涡轮剩余功率的扣除，影响高压转子的功率平衡和转速。
共同工作方程与动态模型：通过部件间的流量连续、压力平衡和功率平衡方程，建立发动机稳态模型。在此基础上，引入转子动力学方程（J*dω/dt = Δ扭矩）和容积动力学方程，构建能够模拟转速、压力等参数随时间变化的动态模型。这是后续与燃油控制系统进行联合仿真的基础。
3.2 空气涡轮与加力燃油泵模型
1. 空气涡轮模型：
空气涡轮被视为一个单级径流式或轴流式透平。其数学模型核心在于计算输出功率和转速。
功率计算：W_at = η_at * m_air * cp * T_in * [1 - (P_out/P_in)^((k-1)/k)]
其中，W_at为涡轮输出功率，η_at为涡轮等熵效率，m_air为引气质量流量，cp和k为空气比热容和比热比，T_in和P_in为涡轮入口总温和总压，P_out为出口背压（设为环境压力）。
转速计算：涡轮-泵转子的动力学方程为(I_at + I_pump) * dN/dt = (τ_at - τ_pump_load)，其中I为转动惯量，N为转速，τ_at为涡轮输出扭矩，τ_pump_load为燃油泵负载扭矩。
调节阀模型：引气调节阀建模为可变流通面积的节流元件，其开度由加力燃油控制器的控制算法决定，从而建立了从燃油需求指令到引气流量的控制链路。
2. 加力燃油泵模型：
加力燃油泵通常为离心泵。其模型输入为转速和入口压力，输出为出口压力和流量。核心是泵的特性曲线族（扬程-流量曲线随转速变化）。模型通过查表或拟合公式，根据当前转速和需求流量计算泵后压力，并计算泵吸收的功率：W_pump = (ΔP * Q) / η_pump，其中ΔP为泵增压值，Q为体积流量，η_pump为泵效率。
3.3 燃油系统与热交换集成模型
完整的系统模型还包括：
- 主电动燃油泵及其电机、控制器模型：电机模型包含电磁扭矩方程和电路方程；控制器模型实现转速闭环控制。
- 燃油管路与阀门模型：考虑流阻和容积效应。
- 燃-滑油热交换器模型：这是分析热管理的关键。采用效率-传热单元数法或对数平均温差法，根据燃油和滑油的流量、入口温度，计算换热后的燃油温升和滑油温降。
- 系统集成：最终在MATLAB/Simulink环境中，将发动机动态链接库（DLL）模型、燃油系统模型和热交换模型进行集成，构建气-热-电-液多物理场耦合的联合仿真平台。
第四章、联合仿真分析与性能对比
基于上述集成模型，设计一个涵盖典型战斗机任务剖面的仿真流程，以对比引气驱动系统与传统（单一电动泵供主油和加力油）系统的性能差异。仿真任务设定高压转子在0-300秒从起飞最大转速降至巡航，再急加速；300秒时接通加力，并逐步提升加力比至最大。
4.1 功率与能耗对比分析
仿真结果显示，引气驱动方案在全任务剖面内展现出显著的节能优势。
非加力阶段（0-300s）：传统系统的电动泵必须按最大能力设计，因此在巡航低流量需求时，仍需高转速运行，产生大量回油，输入功率维持在较高水平。而引气驱动系统的主电动泵可按需降至低转速运行，其输入功率随燃油流量线性下降，节能效果随发动机转速降低而越发明显。
加力接通与工作阶段（300s后）：传统系统的电动泵转速进一步提升以满足加力流量，功率急剧攀升。引气驱动系统的主泵功率仅小幅增加（因主燃油流量略有增加），加力泵的功率则由空气涡轮提供。总节约功率在79kW至165kW之间波动。在加力状态下，系统的节能比（传统系统与引气系统输入功率之差/传统系统输入功率）不低于46.1%。
功率来源转变的本质：节能的核心在于，传统方案中驱动加力泵的巨量电能，在引气方案中被发动机“废弃”的压缩空气内能所替代。虽然引气会略微降低发动机推力（约1.2%），但综合计算从发动机轴上的功率抽取减少（主泵电机功率降低）和引气造成的推力损失，系统净节能效果依然非常突出。这表明该方案实现了发动机气动能量与电能之间的优化分配。
4.2 燃油温度对比分析
温度场仿真是评估系统热管理性能的关键。
主燃油温度：在非加力阶段，传统系统因大量高温回油与主油路混合，主燃油温度持续较高。引气驱动系统主燃油无回油，温度稳定在较低水平。进入加力状态后，传统系统因回油量减少，主油温有所下降，但仍稳定在37°C左右。而引气驱动系统主油温始终保持在25.6°C左右的理想水平，相较传统系统降低了27.9%。
加力燃油温度：传统系统的加力燃油来自经过主泵加压和热交换器的主油路，初始温度较高。引气驱动系统的加力燃油由独立的加力泵从油箱直接抽取并增压，几乎不受主油路热交换影响，温度保持在23.3°C，降低了12.4%。
热沉能力提升：更低的燃油温度意味着其作为冷却介质时，具有更强的吸热能力和更充裕的安全边界。这对于冷却日益高功率密度的电机、控制器以及发动机滑油至关重要，直接提升了多电发动机在极端工况下的热安全性与任务可靠性。
4.3 发动机性能影响与动态响应验证
评估新方案是否可行，必须回答其对发动机本体性能的影响。
推力影响：仿真计算了引气驱动系统的两个关键参数：功率抽取比（主电机功率/高压转子功率）和引气比（引气量/压气机入口流量）。结果显示，前者不超过0.9‰，后者不超过1.1%。由此导致的发动机推力损失在加力状态下不超过1.2%。这是一个极小的代价，换取的是整个燃油系统近一半的能耗节省和显著的热管理改善。
动态响应：在300秒加力接通瞬间，发动机推力响应曲线显示，引气系统的接通冲击对推力瞬时影响小于3.5%，调节时间在2.4秒以内，与传统方案性能相当。加力比增长的跟随性良好，表明通过引气阀对空气涡轮的调节，能够实现快速、平稳的加力燃油流量控制。
系统鲁棒性初步分析：虽然本研究未深入展开，但引气驱动方案的结构简化（减少了超大功率电机和控制器）可能在可靠性和故障容错方面带来潜在收益。空气涡轮作为纯机械气动部件，其失效模式与电机截然不同，为系统提供了异质冗余的可能性。
第五章、湖南泰德航空的创新与突破
理论研究的先进性需要工程实践的支撑。在中国，以湖南泰德航空技术有限公司为代表的企业，正在电动燃油泵及复杂流体控制系统的自主研发道路上取得实质性突破，为多电发动机燃油系统的国产化奠定了基础。
5.1 核心技术创新
湖南泰德航空的技术攻坚聚焦于解决航空级电动燃油泵的尖端难题：
超高速叶轮与轻量化：针对航空泵数万转/分钟的极限转速，创新采用钛合金-碳纤维复合结构叶轮，并应用非对称后掠叶片设计。通过纳米级表面强化，在保证强度前提下实现叶轮减重20%以上，并有效抑制高转速下的气蚀现象，确保高空低压环境下的稳定供油。
先进轴承与密封技术：为克服传统机械轴承在超高速下的磨损与发热难题，湖南泰德航空致力于特种高速轴承的工程化应用研究。在多自由度主动电磁控制下实现转子无接触悬浮，大幅延长寿命、降低振动。针对航空燃油强渗透性，开发了多级动态气液双相密封方案，在剧烈温变与压力冲击下确保“滴水不漏”。
智能化集成：突破纯机械部件范畴，将微型传感器网络与自适应控制算法集成于泵体，实现流量、压力、温度的实时监测与故障预诊断，通过总线与发动机全权数字电子控制系统（FADEC）交互，为实现精准的按需供油提供了硬件基础。
5.2 全链条能力与市场应用
湖南泰德航空构建了从设计、精密制造到测试验证的垂直整合产业体系。其株洲动力谷生产基地配备了全自动综合测试台架，能够模拟超低温冷启动、高温高压耐久等极端工况，确保产品满足最严苛的航空标准。
公司的产品已成功应用于无人机、靶机、eVTOL（电动垂直起降飞行器） 以及多个航空航天重点型号的燃油、润滑和冷却系统。eVTOL等新兴领域对动力系统高功率密度、高可靠性和极致轻量化的需求，与泰德航空的技术优势高度契合。其开发的超紧凑型智能燃油/冷却泵，采用模块化设计，功率密度提升35%，并支持多泵智能并联冗余，满足最高安全等级要求。
湖南泰德航空的实践表明，通过深度产学研合作（与中国航发、国防科技大学等）、持续的基础研发投入和对“材料-流体-电磁-控制”多学科交叉难题的攻克，中国企业在高端航空流体控制领域正逐步打破国外垄断，为实现多电发动机燃油系统等关键系统的自主可控提供了坚实的“心脏”级部件保障。
第六章、结论与展望
6.1 研究结论
本研究针对多电发动机燃油系统在大调节比供油工况下面临的高能耗与高热负荷难题，提出并深入论证了一种基于压气机中间级引气驱动的加力气/电复合燃油系统方案。通过建立高保真的部件级-系统级集成仿真模型并进行联合仿真分析，得出以下核心结论：
显著的节能效果：相较于传统的单一电动泵驱动方案，引气驱动加力泵系统在发动机加力工作状态下，整体输入功率降低，节能比不低于46.1%。这主要归因于将峰值功率需求从低效的电能转换链转移至更直接的气动能量利用路径。
卓越的热管理性能：新方案通过将加力燃油供给路径与主燃油回路物理隔离，有效避免了主燃油被反复加热。仿真表明，在加力状态下，主燃油温度可稳定在25.6°C，降幅达27.9%；加力燃油温度亦显著降低。这极大提升了燃油作为机载主要热沉的利用效率和安全性。
可接受的性能影响：从发动机压气机引气（引气比≤1.1%）和从高压轴提取少量功率（功率抽取比≤0.9‰）用于驱动主泵，对发动机推力的影响微小（≤1.2%），且系统动态响应性能满足加力接通与调节要求，证明了该工程方案的可行性。
6.2 未来展望
基于本研究，未来可在以下方向开展更深入的工作：
深度集成化与智能控制：未来的研究应着眼于将引气驱动空气涡轮、电动主燃油泵、燃滑油热交换器以及发动机控制系统进行更深度的“物理-功能-控制”一体化集成。探索基于模型预测控制（MPC）等先进算法，对引气量、电机转速、热交换旁通阀等进行多变量协同优化控制，在满足流量需求的前提下，实时优化全系统的能耗与热状态。
面向变循环/自适应发动机的应用拓展：新一代自适应发动机通过改变涵道比等几何结构来实现宽包线高效工作，其压气机的运行点和引气参数变化更为复杂。研究引气驱动燃油系统与变循环发动机模式的耦合特性，设计自适应引气策略，将是一个富有挑战性的前沿课题。
工程验证与可靠性提升：需开展针对空气涡轮-泵组的高速转子动力学、高温引气密封、抗冲击振动等关键工程的试验验证。同时，研究该系统的故障模式、影响与容错控制策略，例如引气失效时如何通过电动主泵备份实现安全降级，对于将其应用于实际型号至关重要。
国产高端部件的持续突破：鼓励并支持如湖南泰德航空等国内企业，持续攻关超高速永磁电机、高温磁悬浮轴承、智能一体化泵阀等尖端技术。只有实现这些基础核心部件的自主可控与性能领先，才能为中国未来多电/全电发动机的蓬勃发展提供源源不绝的底层动力。
航空发动机的电气化之路是一场深刻的系统性变革。本文所探讨的气/电复合驱动燃油系统，并非对电动化的否定，而是对多能量流优化利用的深刻思考与实践。它代表着在追求绝对性能的边界上，一种更为务实、高效且智能的工程哲学，为未来飞行器“更强动力、更低能耗、更智能管理”的愿景提供了极具潜力的技术路径。
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湖南泰德航空技术有限公司于2012年成立，多年来持续学习与创新，成长为行业内有影响力的高新技术企业。公司聚焦高品质航空航天流体控制元件及系统研发，深度布局航空航天、船舶兵器、低空经济等高科技领域，在航空航天燃/滑油泵、阀元件、流体控制系统及航空测试设备的研发上投入大量精力持续研发，为提升公司整体竞争力提供坚实支撑。
公司总部位于长沙市雨花区同升街道汇金路877号，株洲市天元区动力谷作为现代化生产基地，构建起集研发、生产、检测、测试于一体的全链条产业体系。经过十余年稳步发展，成功实现从贸易和航空非标测试设备研制迈向航空航天发动机、无人机、靶机、eVTOL等飞行器燃油、润滑、冷却系统的创新研发转型，不断提升技术实力。
公司已通过 GB/T 19001-2016/ISO 9001:2015质量管理体系认证，以严苛标准保障产品质量。公司注重知识产权的保护和利用，积极申请发明专利、实用新型专利和软著，目前累计获得的知识产权已经有10多项。湖南泰德航空以客户需求为导向，积极拓展核心业务，与国内顶尖科研单位达成深度战略合作，整合优势资源，攻克多项技术难题，为进一步的发展奠定坚实基础。
湖南泰德航空始终坚持创新，建立健全供应链和销售服务体系、坚持质量管理的目标，不断提高自身核心竞争优势，为客户提供更经济、更高效的飞行器动力、润滑、冷却系统、测试系统等解决方案。
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