航空動力市場的創(chuàng)新潮

董幗雄

盡管如今全球航空運輸市場仍處于艱難的恢復(fù)期，但與飛機制造商對于新項目研發(fā)相對更為謹慎有所不同，全球航空動力市場在后疫情時代掀起了一股創(chuàng)新潮。在這些令人眼花繚亂的創(chuàng)新潮中，無論是GE、羅羅還是賽峰，甚至是美國國家航空航天安全局（NASA）都將創(chuàng)新的重點放在了革命性技術(shù)，在這些巨頭企業(yè)的規(guī)劃中，未來航空發(fā)動機都有了全新的“模樣”。

RISE項目：新一代開式轉(zhuǎn)子

2021年6月，GE公司與賽峰集團共同宣布啟動RISE項目，該項目將開發(fā)一系列顛覆創(chuàng)新技術(shù)以推進新一代開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機的研發(fā)。需要指出的是，RISE項目并不是直接研發(fā)下一代發(fā)動機型號，而是一項技術(shù)成熟與演示項目，是瞄準未來市場做一些關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)。

開式轉(zhuǎn)子技術(shù)并不是新鮮的概念。早在21世紀初，當時隨著油價的不斷攀升以及生態(tài)環(huán)境的惡化，美國和歐洲先后推出了亞聲速固定翼飛機項目（SFW）、FAA持續(xù)低能耗、排放和噪聲（CLEEN）計劃、歐洲“凈潔天空”計劃等一系列計劃，并在這些計劃的推動下開展新一代開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機的研發(fā)。

在RISE項目之前，賽峰集團曾進行過一個名為CROR項目的對轉(zhuǎn)開式轉(zhuǎn)子項目。該項目以M88發(fā)動機為核心機，并在2017年完成地面試車。此次，RISE項目則是建立在GE和賽峰公司聯(lián)合研發(fā)的GE36開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機的基礎(chǔ)上，其主要目標是研究新的開式轉(zhuǎn)子構(gòu)架，以大幅提高熱效率，同時RISE項目還將進行新的低排放燃燒室以及混合電力系統(tǒng)發(fā)電機研發(fā)。

開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機對于油耗的貢獻已經(jīng)不存在質(zhì)疑，但噪聲和飛機集成依舊是兩大關(guān)鍵難題。對此，GE公司表示，經(jīng)過多年的技術(shù)積累，在噪聲控制方面，未來有望通過微調(diào)技術(shù)與相應(yīng)工程工具的使用，將新一代發(fā)動機噪聲控制在某一水平下。在與飛機集成方面，現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)可以將開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機的風(fēng)扇直徑從20世紀80年代的400厘米縮小到300～330厘米，與現(xiàn)階段主流發(fā)動機的短艙直徑接近，可以較好地與單通道飛機的機身適配。因此，GE認為，下一代開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機將可以在滿足噪聲控制的同時，獲得大幅度的性能提升。同時，GE和賽峰也會將兩家企業(yè)近年來研發(fā)的新材料、新技術(shù)應(yīng)用在RISE項目中。例如，近年來GE耗費巨資投資研發(fā)的陶瓷基復(fù)合材料（CMC）和3D打印技術(shù)將被應(yīng)用在RISE項目中。

根據(jù)GE和賽峰公布的消息，RISE項目預(yù)計將在2025年前后開始第一臺樣機的測試工作，2035年左右研發(fā)新一代發(fā)動機，以裝配下一代窄體客機。這個時間表與當前主流飛機制造商對于下一代飛機規(guī)劃的時間表相吻合。此前，波音和空客也都表示過，將在這個時間段推出全新的窄體客機。同時，作為啟動RISE項目的一部分，GE和賽峰已將在CFM國際公司的股權(quán)合作關(guān)系延長到了2050年，以支持CFM國際公司可以更好地推進下一代航空發(fā)動機計劃。目前，在現(xiàn)役窄體客機發(fā)動機市場，CFM國際公司憑借LEAP系列發(fā)動機的優(yōu)異表現(xiàn)占據(jù)了絕對領(lǐng)先的市場優(yōu)勢。如果能夠在全新一代窄體客機發(fā)動機研發(fā)中繼續(xù)占據(jù)先機的話，未來將十分值得期待，而賽峰與GE的這家合資企業(yè)，也將續(xù)寫這一傳奇的合作。

下一代GTF是什么樣的

在現(xiàn)役窄體客機發(fā)動機中，CFM國際公司LEAP系列發(fā)動機和普惠公司GTF發(fā)動機采用了不同的技術(shù)路線。

普惠在GTF發(fā)動機后面安裝了一個行星齒輪組，使得風(fēng)扇與發(fā)動機主軸分離，從而可以使用大直徑、低轉(zhuǎn)速的風(fēng)扇，以增大外涵道空氣流量。LEAP系列發(fā)動機并沒有采用齒輪減速器，而是通過使用陶瓷基復(fù)合材料等更耐高溫的材料實現(xiàn)優(yōu)化熱效率的技術(shù)路線。盡管兩家公司采用的產(chǎn)品技術(shù)路線不同，但GTF發(fā)動機和LEAP系列發(fā)動機都較上一代渦扇發(fā)動機提高了15%左右的燃油效率。如今，在GE和賽峰針對下一代窄體客機發(fā)動機研發(fā)推出RISE項目后，普惠及其母公司雷神技術(shù)公司也在7月的公司“投資者日”的活動中宣布了一系列未來規(guī)劃。普惠公司表示，短期內(nèi)公司的研發(fā)重點將主要圍繞完善齒輪傳動渦輪風(fēng)扇（GTF）發(fā)動機的結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上適時開發(fā)出重大改型，并同步推進一系列更加成熟的低排放技術(shù)以滿足未來行業(yè)對于碳排放的嚴苛要求。

舉例來說，早前在GTF發(fā)動機中，相對于競爭對手，普惠更多地通過改進發(fā)動機產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)來提高燃油效率，但在未來，普惠將會投入更多精力在新材料領(lǐng)域。今年7月，普惠宣布其新建的陶瓷基復(fù)合材料工程與研發(fā)中心正式投入使用。同時，普惠的母公司雷神技術(shù)公司還在推進增材制造技術(shù)的研發(fā)，未來將可以通過3D打印技術(shù)“打印”由鋁、鈦和高溫鎳基超級合金等金屬制成的部件。

尤為值得一提的是，由于目前窄體客機市場已經(jīng)基本被GTF和LEAP兩款產(chǎn)品所壟斷，而波音和空客在短時間內(nèi)似乎也不太可能推出全新的機型。對此，普惠在此次發(fā)布會上也表示，由于研發(fā)一款全新的發(fā)動機產(chǎn)品或一款革命性的產(chǎn)品需要耗費大量的資金，對于企業(yè)來說意味著巨大的風(fēng)險，因此普惠對此將持非常謹慎的態(tài)度。公司甚至表示，如果飛機制造商無法承諾在新一代飛機上只選擇一款發(fā)動機產(chǎn)品作為唯一動力來源，普惠將很難作出為新機型開發(fā)一款全新發(fā)動機產(chǎn)品的決定。

除了傳統(tǒng)燃油發(fā)動機產(chǎn)品之外，普惠還在積極參與混合電推進飛機和氫燃料飛機項目。目前加普惠公司正在將混合電動技術(shù)整合至一架“沖8-100”飛機驗證機中。這一驗證機項目的前身是加普惠與柯林斯宇航在2019年聯(lián)合啟動的“804工程”。隨著項目的不斷推進，未來普惠也將參與到這一驗證機項目中，將GTF發(fā)動機搭配1.5兆瓦的電力輔助系統(tǒng)應(yīng)用在大型干線飛機上。

在氫燃料飛機項目中，普惠及其母公司雷神技術(shù)已經(jīng)制定了技術(shù)研發(fā)時間表，基本上時間點與空客早前推出的氫能商用飛機研發(fā)時間表相吻合。由于氫能在渦扇發(fā)動機中很容易燃燒，因此目前普惠的工程師們還在討論重新設(shè)計飛機以容納氫燃料箱的可行性。

羅羅的進退有度

在2012年將所持有的IAE公司股份出售給普惠之后，發(fā)動機制造商羅羅基本退出了窄體客機發(fā)動機市場的競爭，轉(zhuǎn)而將主要精力集中在寬體飛機動力市場。為此，羅羅在遄達系列發(fā)動機之外，著眼于未來20年技術(shù)和產(chǎn)品的發(fā)展，于2014年開始了基于齒輪傳動技術(shù)的UltraFan發(fā)動機系列。由于UltraFan系列發(fā)動機的推力涵蓋111.1～488.98kN，因此可以涵蓋窄體客機和寬體客機市場，業(yè)界也一度看好羅羅可以憑借這款產(chǎn)品重回窄體客機市場。

2018年7月，羅羅宣布凍結(jié)概念設(shè)計，以“Advance核心機+復(fù)合材料葉片+齒輪箱”為典型特征的UltraFan發(fā)動機項目進展順利，按最初的計劃將于2025年左右投入市場。這個時間點也和曾經(jīng)波音有意推出的新中型飛機（NMA）項目相吻合。

但2020年新冠肺炎疫情爆發(fā)后，迫于經(jīng)營壓力，羅羅宣布暫停UltraFan項目，直到出現(xiàn)更好的市場機會。但同時也有業(yè)內(nèi)人士指出，從長遠來看，羅羅并不適合重新進入窄體客機市場。這主要是考慮到，盡管UltraFan項目在技術(shù)上相比市場其他產(chǎn)品有著后發(fā)優(yōu)勢，但近年來GTF發(fā)動機在技術(shù)成熟度與產(chǎn)品可靠性方面已經(jīng)得到了市場的認可，后續(xù)只要通過適當?shù)募夹g(shù)升級就可以鞏固已有的市場優(yōu)勢，因此對于羅羅來說，要“殺入”這一市場并非易事。

盡管戰(zhàn)略性地叫停了UltraFan項目，但羅羅卻在加大對電推進領(lǐng)域的投資力度。2019年，羅羅收購了西門子電動和混合動力的航空航天推進業(yè)務(wù)。之后，公司又與挪威支線航空公司W(wǎng)ideroe啟動了一項關(guān)于零排放飛行的聯(lián)合研究計劃，今年5月，雙方宣布將與Tecnam合作開發(fā)一款9座P-2012全電飛機。而在此前的2個月，羅羅宣布為Vertical Aerospace的VA-X4飛行器提供100kW的電動力系統(tǒng)，而這款飛行器將有望成為全球首款通過認證的eVTOL飛行器。未來，羅羅在電推進領(lǐng)域的布局值得長期關(guān)注。

NASA積極謀劃未來

在各大發(fā)動機制造商積極謀劃未來的同時，美國航空航天技術(shù)發(fā)展的風(fēng)向標NASA自然也沒有閑著，圍繞著效率、環(huán)保等關(guān)鍵詞，NASA也出臺了一系列規(guī)劃。

漸進式的電氣化發(fā)展之路已成為業(yè)界共識，基于并聯(lián)混合動力構(gòu)架在發(fā)動機軸上安裝電動機/發(fā)電機，在起飛和爬升階段需要大推力時進行渦輪電力增強，可降低對傳統(tǒng)渦扇發(fā)動機的設(shè)計要求，使之在巡航過程中的燃油效率更高，實現(xiàn)不同飛行階段推力和效率更好的匹配。正因如此，處于“發(fā)現(xiàn)模式”的NASA明顯意識到了混合電推進系統(tǒng)對于盡快實現(xiàn)大型商用電氣化飛行的重要意義，推進大功率電動機及相關(guān)電力電子設(shè)備的研發(fā)工作已經(jīng)勢在必行。在X-57分布式電動驗證機技術(shù)積累的基礎(chǔ)上，NASA擬啟動電氣化動力系統(tǒng)飛行驗證項目（EPFD），將首先在實驗室進行兆瓦級電推進系統(tǒng)地面測試，隨后在2023～2024財年和2024～2025財年分別開展兩輪飛行測試（飛行平臺尚未選定），并于2026年完成整個驗證計劃，所配裝的飛機預(yù)計在2030年后服役。

發(fā)動機的推進效率與其構(gòu)架密切相關(guān)，但與齒輪傳動風(fēng)扇或者開式轉(zhuǎn)子這些不同公司所采用的各種具體方案相比，只有核心機上的技術(shù)突破才能夠最廣泛地帶動整個行業(yè)的進步。顯而易見的是，縮小核心機并不像縮小零部件尺寸那樣容易實現(xiàn)。為了保證小型核心機依舊具有足夠的驅(qū)動風(fēng)扇和壓氣機的動力，燃燒溫度會進一步升高，必須采用耐熱性能更高且不易膨脹的先進材料，并確保較小的渦輪葉片和導(dǎo)向葉片能夠承受多種應(yīng)力。核心機內(nèi)部間隙（如葉片之間以及葉片與機匣之間）也應(yīng)縮小與核心機尺寸相同的百分比，同樣帶來了全新的設(shè)計挑戰(zhàn)。NASA正在與普惠公司和美國空軍合作，利用前期稀有金屬和陶瓷材料以及發(fā)動機內(nèi)部獨特構(gòu)型相關(guān)研究成果，實現(xiàn)對更高的溫度和壓力進行管理，這也是在更狹窄區(qū)域內(nèi)燃燒反應(yīng)的自然結(jié)果。

2020年2月，NASA首次公布了混合熱效率核心機（HyTEC）項目，通過地面驗證演示開發(fā)小型核心機所需要的關(guān)鍵技術(shù)、材料以及壓氣機和渦輪組件，預(yù)期發(fā)動機的涵道比將至少提升15%、燃油效率提升5%～10%，同時在高空狀態(tài)下能夠從中提取20%的電力，幾乎是目前波音787飛機功率提取能力的4倍，有助于用更多的電子部件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的液壓系統(tǒng)，更好地滿足未來飛機的電氣化發(fā)展需求。根據(jù)NASA的愿景，選用這種核心機的新一代單通道飛機可能會在本世紀30年代初期投入使用。