航空維修專業者，每天和你分享不一樣的飛機新鮮事！
為了鞏固航空發動機產業的全球核心地位，美國、歐盟等航空發達國家在航空發動機的技術發展與產品研製過程中，持續出臺具有指導意義的戰略政策，並不惜巨資實施系列專項技術研究計劃，如美國的綜合高性能渦輪發動機（IHPTET）計劃、極高效發動機技術（UEET）計劃，環境負責航空（ERA）計劃以及歐盟的系列框架計劃。
長期持續高強度的技術研發投入使得美英法等國家在航空發動機的全產業鏈形成了突出的技術領先優勢，所發展的多種渦扇發動機牢牢佔據了各級別發動機市場，同時不斷開展包括齒輪傳動、開式轉子、混合電推進技術等新型動力技術的探索，呈現出多元化的發展趨勢。
羅羅先進發動機路線圖
1
渦扇發動機仍將主導民用航空動力市場
在航空發動機技術不斷取得進步的過程中，渦扇發動機已經牢牢佔據了民用幹線客機市場，並形成了滿足各級別幹線客機、支線客機和噴氣公務機需求的產品線。與此同時，發動機製造商始終專注於通過提高熱效率和涵道比來改善傳統結構的大涵道比渦扇發動機的循環效率，並持續開展循環參數優化、氣動設計改進以及部件耐久性設計的研究，以提高渦扇發動機的性能、可靠性和耐久性，並降低發動機的耗油率。
羅羅公司長期持續推進大涵道比渦扇發動機技術研究的項目可以歸納為：
Advance2x項目，包括用於公務機、支線客機和部分窄體客機的渦扇發動機；Advance3項目，包括用於寬體客機和大型窄體客機的大涵道比渦扇發動機。其大致發展途徑是以Advance2和Advance3項目所發展的雙轉子或三轉子發動機技術在2020年前達到成熟為目標，實現發動機耗油率比遄達700發動機至少降低20%。2014年2月，羅羅公司首次揭秘了公司發展2020年及更遠期的下一代發動機的路線圖，即以三轉子發動機結構的衍生發展為基礎，依賴於公司未來發動機設計的大量可縮放技術，首次引入複合材料低壓系統和齒輪傳動結構，並保持向開式轉子發動機衍生發展的潛在可能性。
歸納起來，羅羅公司在寬體客機發動機方面未來主要專注於分別於2020年和2025年服役的Advance和UltraFan兩型發動機的設計，以延續其遄達系列發動機所建立的優勢地位，並保持比遄達XWB發動機耗油率改善10%。其中，Advance發動機旨在2020年左右服役，涵道比將超過11，總壓比將超過60，耗油率至少比當前的遄達700發動機改善20%。
GE公司大涵道比渦扇發動機的發展思路是長期專注於核心機發展途徑 ，一方面通過實施先進渦輪發動機燃氣發生器等研究計劃來發展核心機技術，另一方面積極開展複合材料風扇等低壓系統來匹配核心機，及時研製出先進大涵道比渦扇發動機，並獲得了巨大的研究成果和市場回報。
GE公司正在開展eCore核心機驗證機的研究，採用先進材料的10級高壓比高壓壓氣機技術、最新雙環腔預混旋流（TAPS）燃燒室、採用先進材料和冷卻設計的高壓渦輪以及新型短艙等。將發展成熟的eCore核心機技術和先進低壓系統技術不斷應用於未來大涵道比渦扇發動機的設計中去，及時研製出滿足市場需求、具有競爭力的發動機產品，如波音777X飛機的GE9X發動機、為窄體客機提供動力的Leap-1系列發動機以及公務機的Passport發動機等先進的新型大涵道比渦扇發動機。
2
齒輪傳動渦扇發動機將不斷擴大應用平臺
齒輪傳動渦扇發動機（GTF）是採用由低壓渦輪通過減速器來傳動風扇的設計方案，先進的齒輪系統使風扇在不同低壓壓氣機和低壓渦輪的速度下運轉，並與先進的核心機進行組合，以保證最低的運營成本，並實現燃油效率和環保特性的提升。普惠公司、GE公司、德國MTU公司以及俄羅斯均進行過相關研究，但是作為GTF的忠實擁躉，普惠公司始終堅持著這一方向，並在三維氣動設計、輕質材料和壓氣機、燃燒室和渦輪等多項重要結構和關鍵技術的研究方面取得了突飛猛進的發展。
目前，普惠公司GTF技術已近成熟，全新研製的PW1000G系列發動機已經交付使用，實現耗油率相比在役發動機降低11%～12%，噪聲比第三階段要求低30dB。PW1000G系列在成功實現配裝覆蓋70~190座級的多個應用平臺（包括A320neo、MRJ、MS-21、C系列、EJet- E2系列）後，也不斷透露其未來的GTF技術發展方向。
2013年7月，普惠公司表示公司有一條到2020年中葉相比當前發動機的耗油率節省20%~30%的技術路線圖。路線圖瞄準新應用平臺每一年耗油率降低1%，改進已經服役的發動機實現50%的降耗，並在10年內將耗油率從當前的15%改善量降低到下一代GTF的25%改善量。
未來在N+3代發動機上，普惠公司正在研究傳動比最低為4:1的全動行星齒輪結構來儘量提高GTF的涵道比，並採用先進的氣動特性和輕質量的風扇轉子、通過更高齒輪比來增加涵道比、主動燃燒室控制以及渦輪中的新材料和冷卻方案。普惠公司持續開展齒輪箱的研發能夠提供發動機耗油率的階躍性改善，並在未來挑戰GE公司和羅羅公司等發動機製造商。
另外，羅羅公司在2014年首次揭秘的下一代渦扇發動機路線圖中提出的旨在2025年服役的UltraFan方案中也包含了GTF技術。
UltraFan發動機將成為羅羅公司首型採用由動力齒輪箱驅動風扇的大型商用渦扇發動機，將於2025年服役，推力範圍將超過100000磅（445kN），涵道比增加到15，總壓比達到70，基於2025年服役的技術，其目標是實現耗油率比遄達700發動機至少改善25%。
空客的E-Thrust概念
3
開式轉子發動機將成為“遊戲規則的改變者”
隨著航空燃油價格上漲和“綠色航空”的倡導，開式轉子發動機技術自上世紀90年代以來再次成為國外關注的熱點之一，並獲得GE公司、羅羅公司和斯奈克瑪公司的青睞。
2008年，GE公司與NASA組合聯合團隊，重啟擱置已久的GE36無涵道風扇（UDF，又稱開式轉子）的研究工作。目前，GE公司在NASA的亞聲速固定翼飛機（SFW）計劃和環境負責航空（ERA）計劃下在低速風洞和高速風洞中開展對轉開式轉子的系列試驗，以驗證開式轉子的氣動性能和聲學性能，同時，美國FAA在持續降低能耗和排放（CLEEN）計劃下開展了開式轉子適航技術的研究，為開式轉子的設計提供資源保障。
系列研究計劃開展的開式轉子的研究能夠提供滿足當前和未來噪聲、排放要求的動力解決方案。研究人員預測了在單通道飛機尾翼上安裝2020年的開式轉子發動機技術的耗油率和社區噪聲，並通過風洞試驗驗證轉子的噪聲，報道的預測累積噪聲相比第四階段要低13dB，並驗證了開式轉子設計在過去30年的重要進步。
在商業和環境壓力下，同時為了保持歐盟在航空動力技術上的領導地位，歐盟重燃了對開式轉子技術的興趣，開展了新型發動機結構系統驗證計劃、“淨潔天空”計劃等一些大型研究計劃，以積累能夠大幅降低未來單通道飛機的耗油率、社區噪聲、碳氧化物排放等的先進動力技術。在歐盟的淨潔天空計劃下，羅羅公司和斯奈克瑪公司各承擔了一項可持續、綠色發動機（SAGE）驗證機項目，分別開展齒輪傳動開式轉子和直接驅動開式轉子發動機技術的研究。
羅羅公司將開式轉子定義為面向2025年“唯一具有潛力的遊戲規則改變者”，放棄當前窄體客機A320NEO和737Max的換髮項目，在100～200座級的單通道幹線客機的動力領域專注於開式轉子發動機技術，以滿足2025年的潛在市場需求。
羅羅公司主導的齒輪傳動開式轉子的目標是在“淨潔天空”時間框架（2016年）和資助內，繼續使主要的技術和部件不斷成熟，為整機驗證做好準備，其中，“齒輪傳動是後期選項”，將在“淨潔天空2”計劃下繼續開展。目前羅羅公司正在策劃一項全尺寸開式轉子驗證機飛行測試的歐洲項目，不過達到這個里程碑需要約6年時間，並將持續到“淨潔天空2”計劃。同時，空客公司與發動機公司一起研究採用開式轉子發動機飛機的適航取證要求。
羅羅公司認為，開式轉子發動機進入服役最早也要等到下一個十年的中期，是下一輪民機發動機技術革新的選項。同時羅羅公司強調開式轉子可實現兩位數的效益增長，將會比同等水平的先進渦扇發動機在油耗方面改善10%左右。
斯奈克瑪公司主導的直接驅動開式轉子的目標是驗證用於評估開式轉子結構可行性和環境優勢的技術，採用已有燃氣發生器和臺架開展技術驗證和集成驗證，開發用於發動機技術驗證的製造技術和材料，計劃2015年年底臺架試驗，2016年交付並開展驗證機的地面試驗，基於預測和試驗結果來評估未來生產型開式轉子推進系統的耗油率和噪聲排放的改善。
2019年在後續的“淨潔天空2”計劃下在修改的空客A340-600飛機上開展飛行試驗，使得齒輪傳動開式轉子發動機在2020年達到技術成熟度6，並準備好生產型產品的研發，以實現2025～2030年投入市場。
對於基於布雷頓循環的推進系統而言，每一次技術進步都能帶來燃油效率的大幅提升。目前，性能最好的渦扇發動機只能使用燃油40%的潛在能量，而正在研發的新一代渦扇發動機——變循環發動機（即在壓氣機末級和進氣道中間採用可變涵道流以及超高壓比技術）也只能利用55%～70%的燃油能量。
然而，可能在50～75年以後，布雷頓循環將面臨極限的挑戰，因此，為了進一步提升推進系統的效率，美、歐政府均將混合電推進系統視為有潛力在2030年後投入使用的、極有前景的民用航空動力解決方案，並組織飛機系統集成商和動力廠商積極開展探索和預研。
NASA的混合電推進一體化系統試驗檯Heist
混合電推進技術，是指通過傳統燃氣渦輪發動機為分佈在機翼或機身的電機/風扇提供電力，並由電機驅動風扇提供絕大多數或全部推力（燃氣渦輪發動機可部分提供或不提供推力）的一種新型推進技術，等效於大幅提高動力系統的涵道比，其最大的優勢是能夠極大地降低推進系統的燃油消耗量和各種排放。美國波音公司、GE公司，以及歐洲空客集團、德國西門子公司和英國羅羅公司，都已在政府支持的科研計劃中開展混合電推進系統研究。
目前各國正不斷提升混合動力技術水平及其技術成熟度，探索多種新型混合動力飛機方案。
2014年3月，NASA德賴登飛行研究中心建成名為AirVolt的電推進試驗檯，用於準確測量從電池、馬達到速度控制器和螺旋槳等各個系統部件的效率。之後，為進一步試驗更緊湊電力推進系統-飛機集成的收益，NASA與實驗系統航宇公司（ESAero）合作，實施前沿異步推進技術（LEAPTech）驗證機項目，開展混合電推進一體化系統試驗檯（Heist）的地面試驗；為進一步驗證高效、低噪聲和排放以及高的總轉換效率的電力飛機推進系統，NASA於2015年啟動了縮比尺寸電推進技術運用研究（Sceptor）項目，將P2006T型輕型活塞雙發飛機轉換為分佈式電推進系統。
與此同時，NASA在其面向N+3代飛機（代表2030～2035年左右服役的技術水平）的亞聲速超綠色研究（Sugar）計劃中，也探索了採用燃氣渦輪電力分佈式推進系統（TeDP）的N3-X飛機。TeDP將產生推進力的裝置與產生動力的裝置分開，由兩臺安裝在翼尖的渦軸發動機驅動超導發電機產生電能，並驅動15臺嵌入機身的超導電動推進器產生推力。
然而，由於N3-X飛機的技術風險更大，並面臨適航問題，因此，研究工作目前聚焦到可在近期實現的波音737尺寸大小、常規佈局的混合電推進技術飛機方案——帶有後置附面層推進器的單通道渦輪-電動力飛機，其中，渦扇發動機在起飛時提供80%推力，巡航時提供55%推力。
在歐盟“航跡2050”計劃下，空客集團提出了基於分佈式混合電推進系統的100座級E-Airbus支線客機概念。E-Airbus採用6臺電動風扇，每個機翼上沿展向分佈3臺，並通過一個燃氣動力單元（即渦扇發動機連接到發電機，以產生電力）為風扇（產生推力）提供電力和為電能存儲裝置充電，推進系統的等效涵道比預計將超過20。進一步地，通過E飛機項目來研究電力推進的優勢，驗證了混合電推進技術所需的輕質、高效的發電機和電動機技術，評估降低二氧化碳排放的潛力。
另外，美國極光飛行科學公司也提出了一型基於混合電推進系統的“雷擊”無人機方案。該無人機由1臺渦軸發動機驅動3臺發電機產生電力，並將電力分配至全機24個涵道風扇，最終實現持續飛行速度達到556～741千米/時、懸停效率不低於75%、機動性能能夠承受-0.5g～2.0g過載的項目目標。後續極光公司將開展原型機研製和試驗工作，預計2018年完成首飛。
除這些研究項目外，美國和歐盟的其他多家公司也均在開發混合電推進技術和分佈式電推進技術的飛行器，旨在進一步提升混合電推進技術的技術水平和技術成熟度,實現最終服役。
隨著航空渦扇發動機性能的不斷提升，其熱效率將逐漸接近燃氣渦輪發動機的理論極限值，因此，促進航空動力從熱力學結構的燃氣渦輪發動機向新概念發動機轉型。當前的一系列研究工作，已經驗證了混合電推進技術作為高效動力的潛力。混合電推進技術作為最有可能在2030年後取代燃氣渦輪發動機的候選動力技術，一方面能夠實現耗油率的階躍性改善，並獲得了各方力量的積極推動，另一方面徹底解放了飛機結構設計，出現了翼身融合設計、鴨翼佈局的傾轉機翼設計、分佈式推進系統設計等各種飛發一體化的創新設計。
未來，將進一步組織研發緊湊型、高功率密度、能夠產生1～2兆瓦電能的電動機，以滿足全電飛機、直升機或大型運輸機的動力需求，在實現採用混合電推進系統的軍民用飛機服役的同時，徹底顛覆未來的航空動力格局。
隨著“綠色航空”要求的日益苛刻，基於布雷頓循環的傳統燃氣渦輪發動機的效率已經提升到了很高的水平，在不久的將來將面臨極限的挑戰。當前，航空動力技術發展已經從不斷提升渦扇發動機效率逐漸向提升航空動力循環效率發展，日益呈現出改變發動機構型、甚至是出現顛覆傳統渦扇發動機構型的新概念發動機技術。在系列研究計劃的資助下，探索了一系列具有應用潛力的新型動力技術，包括齒輪傳動技術、開式轉子技術、混合電力推進系統、燃料電池推進系統、混合脈衝爆震發動機等，呈現出了一條明晰的多元化航空動力技術發展路線圖，並有可能帶來飛機總體和系統設計的重大變革。
閱讀更多 航利航空教育 的文章
