“飞机燃料和航空汽油很容易储存在飞机上。与它们提供的能量相比，它们是小巧轻便的。不幸的是，实际的燃烧过程效率非常低。我们只利用了其中的一小部分能量，但我们目前还没有可以与之竞争的电力存储系统，”伊利诺伊大学工程学院航空航天工程系助理教授菲利普·安塞尔说。

安塞尔说，增加更多的电池以飞得更远似乎是合乎逻辑的，但这与使飞机尽可能轻量化的目标背道而驰。“这是我们在设计电池供电的电动飞机时遇到的一大障碍。目前的技术有非常明显的范围缺陷。但有很强的燃料燃烧优势。”

他与前航空航天本科生泰勒·迪恩和现任博士生加布里埃尔·罗布莱夫斯基一起，利用一系列模拟来模拟混合动力飞机的性能。

安塞尔说:“我们从一架现有的双引擎飞机开始，研究如何利用现有的现成硬件为它创造一种混合动力传动系统。”“我们想知道它的表现如何。如果我使用一套特定的传动系统部件，我想知道飞机能飞多远，燃烧多少燃料，爬升速度有多快——所有的整体飞行性能都会发生变化。”

创建了一个飞行性能模拟器，以准确地代表Tecnam P2006T在一般任务中的真实飞行性能，包括起飞，爬升，巡航，下降和着陆，以及足够的储备，以满足FAA的规定。在爬升和下降过程中，过渡段被纳入模拟，其中油门设置、襟翼展开、螺旋桨旋转速率和所有其他飞行控制变量要么被设置为模仿典型飞行员的输入，要么被设置为按照飞机飞行手册规定。

在配置模拟器以收集基线性能数据后，将并联混合动力传动系统集成到仿真中。研究人员将行驶里程和燃油经济性的敏感性与电气化水平、电池比能量密度和电动机功率密度进行了比较。对串联混合动力传动系统进行了同样的灵敏度研究。

Ansell表示，总体而言，混合动力传动系统可以大大提高给定飞机配置的燃油效率，尽管这些收益在很大程度上取决于动力传动系统电气化程度和所需任务范围的耦合变化。这两个因素都会影响电池和燃料系统的重量分配，以及内燃机和电动机组件施加的重量缩放。一般来说，为了获得最大的燃油效率，混合动力架构应该在给定的范围内使用尽可能多的动力传动系统电气化。

燃油效率的提高在短程任务中尤为突出，这是一件好事，因为距离限制是混合动力飞机可行性的关键瓶颈之一。尽管如此，通过这项研究，飞机航程能力的变化也能够随着混合动力部件技术的进步而得到预测。“例如，”安塞尔说，“今天的推进系统可以配置为25%的推进动力来自电动机。然而，它只能飞行大约80海里。快进到2030年左右对轻型电池技术的预测，同样的飞机可以飞2.5到3倍的距离。续航里程的增加是非线性的，因此最大的改进可以从电池比能量密度的最直接改善中看到，而在比能量的相同比例增加中，回报逐渐减少。”

“然而，在比较并行和串联混合架构时，我们观察到一个有趣且意想不到的结果。由于并联结构将发动机和电动机的轴功率机械地耦合在一起，因此只需要一台电机。对于串联结构，还需要一台发电机将发动机动力转换为电能，以及一台比并联混合动力配置更大的电机来驱动推进器。出乎意料的是，这方面使并行架构更有利于提高范围和燃料燃烧几乎全面由于其较轻的重量。然而，我们确实观察到，如果在成熟的电机组件上取得重大改进，我们可能会在某一天看到串联混合动力架构的更高效率，因为它们允许在推进器的放置和分布上具有更大的灵活性。”

该团队选择使用飞机制造商发表的文章中发现的一系列性能变量来模拟Tecnam P2006T。他们选择这架特殊的飞机，部分原因是美国宇航局一直在研究他们的X-57飞机，这种飞机有先进的螺旋桨，可以实现高升力。安塞尔说:“这项研究是为美国宇航局进行的，这架飞机的使用也使我们的研究结果更好地适用于X-57概念飞行器。”“使用我们的数据，他们至少可以大致了解混合动力系统在没有其他分布式推进修改的情况下的性能。”

安塞尔说，在如何制造、设计和飞行车辆方面，推进电气化仍然是一个未知数。“我们的研究有助于为这些讨论提供信息。我们只看了电池存储系统，尽管还有很多可以实现的系统，每个系统都有自己的优点和缺点。这项研究让我们看到了在电机技术、电池技术等方面需要取得哪些进步。”

这项名为“混合动力通用航空推进系统的任务分析和部件级灵敏度研究”的研究由Tyler Dean、Gabrielle Wroblewski和Phillip Ansell进行。它出现在飞机杂志。

该项目由美国国家航空航天局尼尔·a·阿姆斯特朗飞行研究中心在小企业技术转移下与Rolling Hills研究公司合作支持。