英國(guó)超高涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展路線圖分析

■ 李明 / 中國(guó)航發(fā)研究院

2023年5月，英國(guó)羅羅公司在80號(hào)試車臺(tái)完成“超扇”（UltraFan）發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)驗(yàn)證機(jī)的首次試車，且采用了100%可持續(xù)航空燃料（SAF） 。應(yīng)用了超高涵道比（UHBR）技術(shù)的“超扇”發(fā)動(dòng)機(jī)的效率較遄達(dá)XWB發(fā)動(dòng)機(jī)提高10%，這標(biāo)志著英國(guó)在改善航空發(fā)動(dòng)機(jī)效率、環(huán)保性等方面向前邁進(jìn)一大步。

過去30年，大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)極大地降低了飛機(jī)對(duì)環(huán)境的影響。2022年4月，英國(guó)航空航天技術(shù)研究院（ATI）在其2022年技術(shù)戰(zhàn)略文件《零排放目標(biāo)：通向2050的技術(shù)之路》確定了零碳排放飛機(jī)技術(shù)、超高效飛機(jī)技術(shù)和跨領(lǐng)域使能技術(shù)與基礎(chǔ)設(shè)施等3個(gè)重點(diǎn)技術(shù)領(lǐng)域[1]，為航空業(yè)確定實(shí)現(xiàn)2050凈零排放所需的技術(shù)開發(fā)和潛在應(yīng)用時(shí)間提供指導(dǎo)。超高效飛機(jī)技術(shù)中動(dòng)力領(lǐng)域明確就是UHBR發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，提出推進(jìn)其技術(shù)成熟度（TRL）在2025年達(dá)到6，確保為新一代民用飛機(jī)從2030年開始投入使用做好準(zhǔn)備。此前，ATI還公布了UHBR發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展路線圖[2]，介紹了相關(guān)技術(shù)和與之相關(guān)的應(yīng)用對(duì)象，以及這些技術(shù)背后的驅(qū)動(dòng)因素。

超高涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展需求

航空發(fā)動(dòng)機(jī)一直是英國(guó)航空業(yè)乃至整個(gè)國(guó)家創(chuàng)新發(fā)展的重要推動(dòng)力，其研發(fā)和制造約占該行業(yè)直接經(jīng)濟(jì)活動(dòng)產(chǎn)值的50%，且主要集中在寬體客機(jī)的大型大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。研制UHBR發(fā)動(dòng)機(jī)是英國(guó)實(shí)現(xiàn)2050凈零碳排放的重要手段，更是其保持發(fā)動(dòng)機(jī)以下幾方面技術(shù)優(yōu)勢(shì)的重要抓手。

羅羅公司“超扇”技術(shù)驗(yàn)證機(jī)在80號(hào)試車臺(tái)完成首次試車

一是降低成本，減少浪費(fèi)，提高生產(chǎn)制造效率，以更好地利用資源和技術(shù)；二是提高能源效率，通過新型的架構(gòu)設(shè)計(jì)提高推進(jìn)效率；三是保護(hù)環(huán)境，減少CO2、NOx、非揮發(fā)性顆粒物（nvPM）、可感知噪聲、材料使用與浪費(fèi)；四是滿足使用需求與靈活性、有韌性且可高效維護(hù)的推進(jìn)和動(dòng)力系統(tǒng)；五是改善乘客體驗(yàn)，降低艙內(nèi)的感知噪聲；六是提高安全性，包括損傷容限、異物侵入包容、可預(yù)測(cè)性和質(zhì)量保證等。

超高涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境目標(biāo)

對(duì)于重點(diǎn)的環(huán)保需求，英國(guó)對(duì)UHBR發(fā)動(dòng)機(jī)提出了CO2、NOx和噪聲等方面的量化階段性目標(biāo)。

CO2方面，相比2000年基線，2025年排放降低20%，2035年降低25%；NOx方面，相比2000年基線，參考CAEP/6標(biāo)準(zhǔn)，2025年降低55%，2035年降低65%；感知噪聲方面，相比噪聲標(biāo)準(zhǔn)，參考遠(yuǎn)程雙發(fā)飛機(jī)的平均值，2025年累計(jì)降低30有效感知噪聲分貝（EPNdB），2035年累計(jì)降低36EPNdB。

UHBR發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)路線圖

超高涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)路線圖

UHBR發(fā)動(dòng)機(jī)采用復(fù)合材料、齒輪傳動(dòng)風(fēng)扇系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)高推進(jìn)效率、高氣動(dòng)效率、低噪聲，利用超高效高溫高壓核心機(jī)和智能監(jiān)控系統(tǒng)，旨在到2030年實(shí)現(xiàn)10%以上的效率提升和CO2排放降低，以及2030年后從混電和變槳距風(fēng)扇等技術(shù)中獲得更多收益。與此同時(shí)，需要克服輕質(zhì)低噪聲齒輪傳動(dòng)復(fù)合材料風(fēng)扇、高效多級(jí)渦輪、貧油低排放燃燒室、高強(qiáng)度高溫材料等諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。

超高涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)體系

ATI針對(duì)路線圖涉及的13類技術(shù)進(jìn)行了關(guān)鍵技術(shù)分解，分別闡明各關(guān)鍵技術(shù)的使用對(duì)象及其發(fā)展的直接需求，即驅(qū)動(dòng)因素。

輕質(zhì)低速低噪聲復(fù)合材料風(fēng)扇

航空業(yè)一直致力于減輕部件質(zhì)量以降低燃油消耗，碳纖維復(fù)合材料是理想的風(fēng)扇系統(tǒng)材料，可使每架飛機(jī)減輕700kg，相當(dāng)于7名乘客及其行李的質(zhì)量。更低成本的工藝和凈零制造是該技術(shù)成功應(yīng)用的關(guān)鍵，見表1。

表1 輕質(zhì)低速低噪聲復(fù)合材料風(fēng)扇技術(shù)分解

高壓比高效率核心機(jī)

高壓比高效率核心機(jī)是實(shí)現(xiàn)高燃油效率、低排放和產(chǎn)品全生命周期成功的關(guān)鍵。所需的關(guān)鍵能力包括：先進(jìn)合金和制造方法、高溫密封方法和傳感器，以及在役產(chǎn)品的新型維修和檢測(cè)技術(shù)，見表2。

表2 高壓比高效率核心機(jī)技術(shù)分解

貧油低NOx燃燒系統(tǒng)

UHBR發(fā)動(dòng)機(jī)將采用先進(jìn)的燃燒系統(tǒng)以減少排放和顆粒物的產(chǎn)生，同時(shí)使用未來的可持續(xù)航空燃料。新的流體控制機(jī)制將結(jié)合智能電驅(qū)和增材制造的流量裝置來優(yōu)化燃油輸送。有效的持續(xù)運(yùn)行需要能克服惡劣環(huán)境的低成本傳感能力，以及改進(jìn)的檢測(cè)和維修技術(shù)等，見表3。

表3 貧油低NOx燃燒系統(tǒng)技術(shù)分解

可持續(xù)航空燃料

生物燃料、合成燃料和氫燃料都被視為未來可持續(xù)航空燃料。生物燃料和合成燃料的主要挑戰(zhàn)分別是原料供應(yīng)和成本，兩者都只需要對(duì)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行很小程度的改變。氫燃料是實(shí)現(xiàn)零碳航空的另一條潛在途徑，其主要挑戰(zhàn)是配套基礎(chǔ)供應(yīng)設(shè)施建設(shè)。將氫燃料引入U(xiǎn)HBR發(fā)動(dòng)機(jī)需要在熱力、燃料和燃燒系統(tǒng)方面采取技術(shù)措施?？沙掷m(xù)航空燃料相關(guān)技術(shù)分解見表4。

表4 可持續(xù)航空燃料技術(shù)分解

高強(qiáng)高溫材料

UHBR發(fā)動(dòng)機(jī)的減重、性能增強(qiáng)和工作溫度升高推動(dòng)了對(duì)先進(jìn)材料和制造工藝的需求。研發(fā)更高強(qiáng)度、更高溫度的復(fù)合材料和金屬、黏合連接技術(shù)，以及更廣泛地使用增材制造技術(shù)，可應(yīng)用于各種核心件和外部件，見表5。

表5 高強(qiáng)高溫材料技術(shù)分解

低阻輕質(zhì)短艙

大型UHBR發(fā)動(dòng)機(jī)的短艙對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)性能有重大影響。航空發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的環(huán)境惡劣，需要低空氣阻力、輕量化部件的短艙，并采用降噪、熱管理、防火安全和環(huán)境保護(hù)的技術(shù)，見表6。

表6 低阻輕質(zhì)短艙技術(shù)分解

先進(jìn)集成換熱器和熱管理系統(tǒng)

未來UHBR發(fā)動(dòng)機(jī)架構(gòu)要求冷卻滑油的熱管理系統(tǒng)的性能、尺寸、質(zhì)量和成本得到進(jìn)一步改善。氫燃料等可持續(xù)航空燃料的引入和一定程度的混電動(dòng)力，將給熱管理系統(tǒng)帶來進(jìn)一步的技術(shù)挑戰(zhàn)。一系列換熱器需要提高技術(shù)，新的微型系統(tǒng)需集成到發(fā)動(dòng)機(jī)中，見表7。

表7 先進(jìn)集成換熱器和熱管理系統(tǒng)技術(shù)分解

針對(duì)核心機(jī)優(yōu)化的下一代復(fù)合材料風(fēng)扇系統(tǒng)

大量部件，甚至承重件采用更先進(jìn)的復(fù)合材料制造方法、智能結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步減輕風(fēng)扇系統(tǒng)的質(zhì)量，見表8。

表8 針對(duì)核心機(jī)優(yōu)化的下一代復(fù)合材料風(fēng)扇系統(tǒng)技術(shù)分解

變槳距風(fēng)扇系統(tǒng)

變槳距風(fēng)扇可在發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)流時(shí)調(diào)整風(fēng)扇槳距，改善單位燃油消耗率（SFC），并可能省去對(duì)反推裝置的需求，應(yīng)用的對(duì)象將是2030年以后的UHBR發(fā)動(dòng)機(jī)。這一概念的使能要素包括作動(dòng)器、控制和監(jiān)測(cè)技術(shù)、智能結(jié)構(gòu)及模擬工具，見表9。

表9 變槳距風(fēng)扇系統(tǒng)技術(shù)分解

可變面積風(fēng)扇噴管系統(tǒng)

可變面積風(fēng)扇噴管（VAFN）能夠調(diào)節(jié)風(fēng)扇噴口面積以匹配發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行，并帶來降低燃油消耗和噪聲等收益，適用于2030年后的UHBR發(fā)動(dòng)機(jī)，需要開發(fā)驅(qū)動(dòng)、密封、監(jiān)控和智能結(jié)構(gòu)等技術(shù)，見表10。

表10 可變面積風(fēng)扇噴管系統(tǒng)技術(shù)分解

新型變熱力循環(huán)

復(fù)雜的工作循環(huán)，如換熱循環(huán)（級(jí)間冷卻和回?zé)幔┖湍┒搜h(huán)（廢熱轉(zhuǎn)化為動(dòng)力），可以在2035年后應(yīng)用，進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)熱效率。短期內(nèi)需要進(jìn)行可行性研究，以引導(dǎo)技術(shù)開發(fā)和系統(tǒng)驗(yàn)證，見表11。

表11 新型變熱力循環(huán)技術(shù)分解

動(dòng)力系統(tǒng)的集成

為充分發(fā)揮大型UHBR發(fā)動(dòng)機(jī)的性能優(yōu)勢(shì)，需要提高部件和系統(tǒng)的集成度，包括跨傳統(tǒng)組裝邊界的部件。先進(jìn)架構(gòu)將挑戰(zhàn)實(shí)體和功能接口，并充分利用完善的模擬、先進(jìn)材料和新型制造和裝配技術(shù)，見表12。

表12 動(dòng)力系統(tǒng)的集成技術(shù)分解

自適應(yīng)控制系統(tǒng)

未來的控制系統(tǒng)需要靈活性，以適應(yīng)來自飛機(jī)系統(tǒng)和部件的大量數(shù)據(jù)。在增強(qiáng)可靠性、提高效率和減輕質(zhì)量等需求的推動(dòng)下，智能傳感器、綜合健康管理和智能作動(dòng)器控制等技術(shù)將促進(jìn)新產(chǎn)品的開發(fā)，包括微型連接器、新型防冰方案、智能葉片和先進(jìn)控制器，見表13。

表13 自適應(yīng)控制系統(tǒng)技術(shù)分解

結(jié)束語

航空業(yè)對(duì)更安全、更安靜、更潔凈和更經(jīng)濟(jì)飛行的需求不斷增長(zhǎng)，超高涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)是滿足這些需求的主要可行方案之一，也是當(dāng)前大推力民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要發(fā)展方向。超高涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)涉及的關(guān)鍵技術(shù)廣泛，其研制不但能促進(jìn)整個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)的多種先進(jìn)技術(shù)成熟，更能帶動(dòng)整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈的升級(jí)換代，能對(duì)航空業(yè)甚至國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮較大的溢出效應(yīng)。英國(guó)超高涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)體系和路線圖對(duì)各國(guó)開展相關(guān)研究具有一定參考意義。