技术突破 | 宽速域电动螺旋桨

发布时间：

2025-03-04

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2024年，低空经济首次被写入政府工作报告，标志着这一新兴领域在新质生产力中的战略地位获得了国家层面的正式认可。随着低空经济的快速发展，电动垂直起降飞行器（eVTOL）凭借其在该领域中的核心载体地位，正迅速成为全球航空产业的技术制高点和发展新引擎。

在此产业背景下，电动螺旋桨作为eVTOL的核心动力组件，其性能参数直接决定了飞行器的整体效能与运营经济性。据统计，目前全球范围内已有超过700个eVTOL项目布局低空经济领域，而作为低空飞行器关键动力系统的电动螺旋桨，市场规模预计将达到千亿级别，展现出巨大的产业发展潜力。

近期，北京大学南昌创新研究院（以下简称“北大南昌院”）周超研究员领衔的研发团队，依托国家级和省级重点科研项目，包括“宽速域高效高可靠电动螺旋桨技术”和“高性能变几何航空电推进涵道风扇设计”等，针对低空飞行器动力系统的核心部件——电动螺旋桨开展了系统性研究。研究团队在宽速域高效变距螺旋桨设计、高集成度高性能电机设计，以及螺旋桨与电机动力总成一体化设计等关键技术领域取得了重要突破，成功研制出具有自主知识产权的低空飞行器动力系统核心组件。该成果为低空飞行器提供了高效可靠的动力解决方案，堪称低空飞行器的“强劲心脏”。

高性能低噪声变距螺旋桨设计技术

eVTOL的螺旋桨设计在空气动力学特性上与传统的直升机和固定翼飞机存在本质差异，相关研究仍处于探索阶段。研究团队基于先进的螺旋桨气动性能分析理论（图1），创新性地开发了三维叶片设计技术，在降噪和效率提升方面取得了显著成效。该技术通过精确的叶片几何参数优化，实现了螺旋桨在垂直起降和高速巡航模式下的高效转换。特别地，基于不同飞行工况的自适应变距调节机制，显著提升了eVTOL飞行器的综合性能，有效解决了其与传统直升机及固定翼飞机螺旋桨在功能需求上的差异问题。

图1. 先进的螺旋桨空气动力学性能

高集成度高性能电机设计技术

当前市场主流的高性能电机主要集中于电动汽车应用领域，而针对eVTOL的专用电机研发仍相对匮乏。针对这一现状，研发团队基于eVTOL飞行器的特殊工况需求，开发出与螺旋桨系统高度匹配的专用高性能电机（图2）。该电机在关键性能指标上实现了显著突破，展现出优异的高转矩密度、高效率及卓越的功重比特性。通过采用创新的电磁设计和结构优化方案，该电机成功突破了传统电动汽车电机的技术局限，同时充分考虑了低空飞行器在功率输出、动态响应及环境适应性等方面的特殊要求，为eVTOL动力系统的高效可靠运行提供了有力保障。

图2. 匹配螺旋桨的高性能电机

螺旋桨与电机动力总成一体化设计

传统上，电机和螺旋桨通常采用分体式采购和组装模式。研发团队创新性地提出了螺旋桨与电机的一体化集成设计及协同控制技术，实现了不同飞行工况下的高效能匹配与优化运行。该技术方案不仅显著提升了系统的整体性能指标，更引入了基于螺旋桨来流特性的热管理控制技术，有效保障了电机在高功率运行下的稳定性（图3）。这一技术突破为飞行器动力系统的性能优化开辟了新的技术路径，具有重要的工程应用价值。