■ 黃勁東 / 中國(guó)航發(fā)研究院

自航空渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)1937 年誕生起，世界主要工業(yè)國(guó)家就將它作為國(guó)防建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的戰(zhàn)略性支柱產(chǎn)業(yè)加以扶持，紛紛投入巨資研發(fā)以搶占技術(shù)制高點(diǎn)。其技術(shù)路線是以布雷頓循環(huán)為基本熱力循環(huán)，通過(guò)不斷提高循環(huán)參數(shù)和部件效率，從而牽引發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、材料、工藝、試驗(yàn)等技術(shù)持續(xù)發(fā)展，使性能得到大幅度提升。

歷史回顧

美國(guó)工程院1991年將第二屆德雷珀獎(jiǎng)（Charles Stark Draper Prize） 授予噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)明者德國(guó)人漢斯·馮·歐海恩（Hans von Ohain）和英國(guó)人弗蘭克·惠特爾(Frank Whittle)，以表彰他們對(duì)世界交通運(yùn)輸所帶來(lái)的革命性改變，以及對(duì)世界軍事和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的巨大貢獻(xiàn)。

20世紀(jì)40—50年代，渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)創(chuàng)新技術(shù)層出不窮，奠定了渦噴/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，離心式/軸流式壓氣機(jī)、加力燃燒室、壓氣機(jī)可調(diào)導(dǎo)葉、雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)、渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)等技術(shù)都是在這一時(shí)期發(fā)明的，著名的J57噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)裝備F100戰(zhàn)斗機(jī)首次實(shí)現(xiàn)超聲速飛行。

20世紀(jì)60年代是超聲速飛行和大涵道比的時(shí)代。西方國(guó)家和蘇聯(lián)在超聲速客機(jī)上展開(kāi)激烈競(jìng)爭(zhēng)，最后羅羅和斯奈克瑪公司聯(lián)合研制的奧林帕斯593發(fā)動(dòng)機(jī)(174kN)和蘇聯(lián)的HK-144加力渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)(172kN)分別隨“協(xié)和”號(hào)、圖-144超聲速客機(jī)完成首飛，GE公司涵道比8∶1的TF39發(fā)動(dòng)機(jī)(183kN)配裝C-5A“銀河”戰(zhàn)略運(yùn)輸機(jī)，普惠公司的JT9D大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)（222kN）1969年成為波音747首飛動(dòng)力。

漢斯·馮·歐海恩(左) 和弗蘭克·惠特爾（右）

20世紀(jì)70年代，發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的新突破是羅羅公司的軍民用三轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)、垂直短距起降和全權(quán)限數(shù)字式電子控制(FADEC)，以及艾利遜公司的小推力齒輪傳動(dòng)式風(fēng)扇 (GTF)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)等。在此期間，定向結(jié)晶/單晶渦輪葉片、鈦合金空心風(fēng)扇葉片的出現(xiàn)使發(fā)動(dòng)機(jī)工藝和材料技術(shù)邁上新臺(tái)階，涌現(xiàn)出F100、F404、F110和CFM56、JT8D等一代知名發(fā)動(dòng)機(jī)。

20世紀(jì)80—90年代，GE公司發(fā)展出推力超過(guò)400kN的GE90民用寬體發(fā)動(dòng)機(jī)，并首次使用復(fù)合材料風(fēng)扇葉片、雙環(huán)腔低污染燃燒室；羅羅公司繼續(xù)做精做優(yōu)三轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，推出了遄達(dá)700/800/900系列，在寬體客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)占有重要地位；普惠公司則另辟蹊徑，將研發(fā)重點(diǎn)轉(zhuǎn)向GTF技術(shù)。這一時(shí)期軍用發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)更是令人矚目，1991年普惠公司以傳統(tǒng)的雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)F119戰(zhàn)勝GE公司的F120變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)成為F-22“猛禽”的動(dòng)力裝置，并在此基礎(chǔ)上衍生發(fā)展出F135發(fā)動(dòng)機(jī)用于F-35戰(zhàn)斗機(jī)。

進(jìn)入21世紀(jì)，LEAP、PW1000G、遄達(dá)XWB等新一代民用發(fā)動(dòng)機(jī)投入運(yùn)營(yíng)，復(fù)合材料、金屬間材料和超級(jí)合金得到廣泛應(yīng)用，還涌現(xiàn)出如增材制造技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)、量子技術(shù)等，不斷改變、甚至顛覆著航空發(fā)動(dòng)機(jī)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)模式。

發(fā)展現(xiàn)狀

自誕生起的80多年，渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵性能指標(biāo)成倍增加，安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性持續(xù)增長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展。

推力

飛機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推力的需求仍在不斷增長(zhǎng)，推力大意味著能攜帶更多裝備和燃料、運(yùn)載更多乘客，飛得更快、更高、更遠(yuǎn)。80多年前的發(fā)動(dòng)機(jī)推力大約只有4.5kN，但2004年F135發(fā)動(dòng)機(jī)的最大加力推力達(dá)到191.3kN，2017年GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)創(chuàng)造了航空發(fā)動(dòng)機(jī)最大推力597kN的吉尼斯世界紀(jì)錄。大的推力還可以將從前需要三發(fā)、四發(fā)才能跨洋飛行的寬體客機(jī)設(shè)計(jì)成雙發(fā)，也可以僅用單發(fā)就把 F-35戰(zhàn)斗機(jī)的最大起飛質(zhì)量提高到32t，接近雙發(fā)重型戰(zhàn)斗機(jī)水平。

推重比/單位推力

推重比（推力/重力）和單位推力（推力/空氣質(zhì)量流量）都是航空發(fā)動(dòng)機(jī)重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，特別是軍用戰(zhàn)斗機(jī)要求盡可能高的最大平飛速度、升限、有效載荷和高機(jī)動(dòng)性，必須提高推重比；單位推力大意味著小涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)不加力推力大、流量小、外廓尺寸和質(zhì)量小，是實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)斗機(jī)超聲速巡航、隱身的關(guān)鍵指標(biāo)。第一代渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比只有1.2∶1，第四代軍用發(fā)動(dòng)機(jī)F119和F135的推重比已達(dá)到10～11∶1；與第三代戰(zhàn)斗機(jī)F100基本型相比，F(xiàn)119發(fā)動(dòng)機(jī)不加力推力增加了50%～60%，單位推力增加了25%～35%。由于提高渦輪前溫度（T4）可以增加發(fā)動(dòng)機(jī)有效循環(huán)功，進(jìn)而增加發(fā)動(dòng)機(jī)單位推力和推重比，第四代發(fā)動(dòng)機(jī)的T4比第三代增加了300～400K。

安全性/可靠性/耐久性

在性能提高的同時(shí)，現(xiàn)代航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性、可靠性、耐久性水平不斷提升。成熟的民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的空中停車率（IFSR）已達(dá)到平均每1000飛行小時(shí)0.002次，發(fā)動(dòng)機(jī)在翼平均工作時(shí)間達(dá)到20000h，每1000飛行小時(shí)的返廠率（SVR）為0.04；發(fā)動(dòng)機(jī)熱端設(shè)計(jì)壽命為17500循環(huán)、冷端設(shè)計(jì)壽命為30000循環(huán)。

戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的IFSR為每1000飛行小時(shí)0.007～0.1次，每1000飛行小時(shí)返廠率約為2.2。20世紀(jì)80年代初，普惠公司汲取研發(fā)F100-PW-100發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)重性能輕可靠性的教訓(xùn)，在發(fā)展F100-PW-220發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)一次性完成4000個(gè)總累積循環(huán)數(shù)（TAC）的加速任務(wù)試驗(yàn)（AMT），相當(dāng)于2000h、9年的外場(chǎng)使用時(shí)間；F119發(fā)動(dòng)機(jī)于2010年完成AMT試驗(yàn)，總累積循環(huán)數(shù)達(dá)到8650，其SVR僅為上一代發(fā)動(dòng)機(jī)的75%。

經(jīng)濟(jì)性

由于燃油成本占航空公司運(yùn)營(yíng)成本的40%以上，因此經(jīng)濟(jì)性是運(yùn)輸類發(fā)動(dòng)機(jī)最重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)。為了獲取更低的耗油率（SFC），民用發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)參數(shù)向“三高”方向發(fā)展，即高涵道比（＞12∶1）、高總壓比（＞50∶1）、高的渦輪進(jìn)口溫度（≈2050K），即將取證的GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)的SFC比GE90-115B降低10%。

雖然戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗不是首要考慮的因素，但耗油率是決定其航程/任務(wù)半徑/有效載荷等作戰(zhàn)能力的關(guān)鍵因素之一，而且日常訓(xùn)練時(shí)也要高度關(guān)注使用成本。F119不開(kāi)加力超聲速巡航時(shí)的耗油率遠(yuǎn)低于F100開(kāi)加力超聲速飛行時(shí)的油耗，正在研制的自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油效率可提高25%，航程可增加35%，可將飛機(jī)戰(zhàn)區(qū)留空時(shí)間提高50%。

維修性/保障性

F119與AL－31F外部管路和附件布置對(duì)比

現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)從方案論證開(kāi)始就全面考慮維修的便捷性、經(jīng)濟(jì)性、可達(dá)性和人機(jī)工程等維修要求，并在取證或定型時(shí)加以驗(yàn)證。以F119發(fā)動(dòng)機(jī)為例，通過(guò)優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)外部附件布局，只用6個(gè)手動(dòng)工具就可以在不超過(guò)20min的時(shí)間內(nèi)拆除任一外部附件；為了獲得美國(guó)空軍使用和保障階段“保障系統(tǒng)放行”（SSR）批準(zhǔn)，普惠公司歷時(shí)5年對(duì)F119發(fā)動(dòng)機(jī)外場(chǎng)服務(wù)保障和培訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)行了廣泛深入的測(cè)試和驗(yàn)證，覆蓋培訓(xùn)、備發(fā)和備件調(diào)度、工程技術(shù)和后勤支援、工裝工具、交互式電子出版物等內(nèi)容，充分體現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)與其服務(wù)保障系統(tǒng)同時(shí)研發(fā)的理念。

目前，軍民用發(fā)動(dòng)機(jī)的維修理念都從早期的航后排故、定時(shí)維修向以可靠性為中心的維修思想轉(zhuǎn)變，并在發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)階段開(kāi)展維修工程分析、制訂維修保障方案，進(jìn)入航線后開(kāi)展視情維修并結(jié)合定時(shí)維修和發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)控。在深度維修工藝和維修信息系統(tǒng)的支持下，發(fā)動(dòng)機(jī)綜合保障能力大幅提升，直接維修成本（DMC）進(jìn)一步下降，而維修業(yè)務(wù)也成為主要收入來(lái)源。

探索領(lǐng)域

技術(shù)進(jìn)步使傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)的熱效率、推進(jìn)效率和總效率（兩者乘積）逐步逼近布雷頓循環(huán)的理論極限，必須通過(guò)創(chuàng)新才能突破限制，有效應(yīng)對(duì)航空運(yùn)輸?shù)目焖僭鲩L(zhǎng)、能源和環(huán)境挑戰(zhàn)以及新軍事變革的需求。在過(guò)去的80年，研究人員在以下技術(shù)領(lǐng)域開(kāi)展了深入探索，不斷推出新構(gòu)型、催生新概念。

齒輪傳動(dòng)

渦噴渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)效率變化趨勢(shì)圖

普惠公司潛心發(fā)展GTF技術(shù)用于支線和單通道客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，繼完成PW1000G系列發(fā)動(dòng)機(jī)取證并投入運(yùn)營(yíng)后，正在全力發(fā)展第二代GTF技術(shù)參與波音“新中間市場(chǎng)飛機(jī)”（New Midmarket Airplane，NMA）的競(jìng)爭(zhēng)，并試圖重新進(jìn)入寬體機(jī)市場(chǎng)；羅羅則將世界上傳輸功率最大的齒輪箱嵌入三轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)展“超扇”（UltraFan）發(fā)動(dòng)機(jī)，計(jì)劃2025年面世。第二代齒輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)可以將涵道比提高到15～20∶1、總壓比60～70∶1，油耗和噪聲均大幅下降。

構(gòu)型融合

槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)是構(gòu)型融合的經(jīng)典范例，它將渦槳和渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的典型結(jié)構(gòu)相結(jié)合，包括有涵道和無(wú)涵道（又稱為開(kāi)式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)）兩種構(gòu)型。20世紀(jì)80—90年代，GE聯(lián)合斯奈克瑪、普惠聯(lián)合艾利遜發(fā)展了GE36和578-DX無(wú)涵道槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)并完成了試飛；蘇聯(lián)則專注于有涵道槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)NK-93的研制，共制造了10臺(tái)原型機(jī)、完成了飛行試驗(yàn)，之后研制成功D27無(wú)涵道槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)配裝安-70運(yùn)輸機(jī)投入運(yùn)營(yíng)，這也是迄今唯一在役的槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)。21世紀(jì)初，歐洲啟動(dòng) “清潔天空”（Clean Sky）計(jì)劃，開(kāi)始了新一輪槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)的研究和驗(yàn)證。

槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)既發(fā)揮渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)低油耗的優(yōu)勢(shì)，又充分利用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高速飛行的特點(diǎn)，集燃油經(jīng)濟(jì)性和速度于一身，但由于未能有效解決噪聲和包容性問(wèn)題一直飽受爭(zhēng)議，而且槳葉直徑過(guò)大限制了發(fā)動(dòng)機(jī)的推力，因此至今仍未見(jiàn)除D27之外的有涵道和無(wú)涵道槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)型號(hào)研制，歐洲的幾個(gè)研究計(jì)劃也停止了驗(yàn)證。

近年來(lái)，研究人員又嘗試把渦軸/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)融合在一起，提出了軸扇發(fā)動(dòng)機(jī)（fan-shaft engine）的新構(gòu)型。

循環(huán)改進(jìn)

循環(huán)改進(jìn)是指對(duì)熱力循環(huán)的子過(guò)程進(jìn)行局部改變達(dá)到超越傳統(tǒng)循環(huán)限制、大幅提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能的目的。典型的應(yīng)用案例有歐盟的“彎刀”（Scimitar）強(qiáng)預(yù)冷發(fā)動(dòng)機(jī)，在常規(guī)壓氣機(jī)前增加以氦作為換熱介質(zhì)的預(yù)冷裝置，將超高速飛行時(shí)進(jìn)口產(chǎn)生的高溫空氣快速冷卻，并用液態(tài)氫作為燃料、氦驅(qū)動(dòng)渦輪，使強(qiáng)預(yù)冷渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)在常溫或高溫進(jìn)氣條件下都能連續(xù)工作，實(shí)現(xiàn)Ma5以上的高超聲速飛行。

間冷回?zé)岚l(fā)動(dòng)機(jī)原理圖

間冷回?zé)峒夹g(shù)源于燃?xì)廨啓C(jī)，也是在基本熱力循環(huán)的基礎(chǔ)上，增加壓縮空氣中間冷卻和排氣回?zé)醿蓚€(gè)過(guò)程以提高循環(huán)效率、減少油耗，減排降噪。

而渦輪級(jí)間燃燒室（interstage turbine burner ，ITB）是將高壓渦輪和低壓渦輪之間的過(guò)渡段改造為一個(gè)級(jí)間燃燒室，來(lái)增大推力或者通過(guò)降低主燃燒室溫度減小NOx排放，節(jié)省冷卻空氣量，兩個(gè)燃燒室也降低了熄火的風(fēng)險(xiǎn)。

定容燃燒

“佩刀”發(fā)動(dòng)機(jī)原理簡(jiǎn)圖和結(jié)構(gòu)示意圖

定容燃燒主要包括脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)、波轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)等，與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)最大的區(qū)別是燃燒過(guò)程采用定容燃燒（CVC）而非定壓燃燒，也沒(méi)有渦輪。這類發(fā)動(dòng)機(jī)可以單獨(dú)使用，也可以與傳統(tǒng)的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)組合使用，替代其核心機(jī)、燃燒室或者加力燃燒室，適用于各類超聲速、高超聲速飛行器，其最早的應(yīng)用應(yīng)該是德國(guó)二戰(zhàn)時(shí)期V1火箭所采用的脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)。

該技術(shù)曾經(jīng)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，由于將CVC循環(huán)與布雷頓循環(huán)結(jié)合在一起相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性，而且大大增加系統(tǒng)復(fù)雜性，因此目前這類探索仍未取得突破性的進(jìn)展。

組合循環(huán)

傳統(tǒng)構(gòu)型的渦噴和渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法同時(shí)兼顧低速、高速飛行性能，正常情況下最高飛行速度不超過(guò)Ma3，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高超聲速飛行。為了滿足飛行器總體需求，研究人員從20世紀(jì)50年代就開(kāi)始將不同熱力循環(huán)進(jìn)行組合來(lái)突破極限。

第一類是渦噴和渦扇兩種熱力循環(huán)組合的變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)(VCE)和自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)（ACE）。VCE通過(guò)改變發(fā)動(dòng)機(jī)特定部件的構(gòu)型使其在單涵渦噴模式和雙涵渦扇模式間平穩(wěn)轉(zhuǎn)換，保持各種工況下性能良好。GE從20世紀(jì)70年代開(kāi)始共驗(yàn)證了四代變循環(huán)技術(shù)，雖然在F-35項(xiàng)目中惜敗于F119，但仍堅(jiān)持開(kāi)展第五代ACE技術(shù)驗(yàn)證，在傳統(tǒng)雙涵道變循環(huán)基礎(chǔ)上增加第三涵道，具有更強(qiáng)的循環(huán)調(diào)節(jié)能力和任務(wù)適應(yīng)性，與普惠公司在美國(guó)新一代發(fā)動(dòng)機(jī)“自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)移項(xiàng)目”（AETP）中展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)。

第二類是渦噴/渦扇與沖壓/火箭發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)的組合，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高超聲速飛行器能常規(guī)起降、低成本、可重復(fù)使用。幾種典型的組合方式包括：渦噴與沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的串并聯(lián)組合循環(huán)，如美國(guó)普惠公司在20世紀(jì)50—60年代為SR-71高空高速偵察機(jī)研發(fā)的J58組合循環(huán)渦輪沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，創(chuàng)造了30000m高空Ma3的飛行世界紀(jì)錄；美、英、俄等國(guó)家大量開(kāi)展的渦扇與沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的串/并聯(lián)組合循環(huán)（TBCC）；融合火箭、燃?xì)鉁u輪和沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)特點(diǎn)的組合空氣渦輪火箭發(fā)動(dòng)機(jī)（Air Turbo Rocket，ATR）；進(jìn)口強(qiáng)預(yù)冷吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)/火箭發(fā)動(dòng)機(jī)組合循環(huán)，如英國(guó)的“佩刀”（SABRE），將前述“彎刀”發(fā)動(dòng)機(jī)與火箭發(fā)動(dòng)機(jī)組合在一起，實(shí)現(xiàn)吸氣式模式和火箭模式的無(wú)縫連接。

智能化

智能化是智能技術(shù)與傳統(tǒng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的深度融合，它通過(guò)主動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)/間隙控制等手段，采用智能材料和結(jié)構(gòu)，利用數(shù)據(jù)分析挖掘、人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)等工具，構(gòu)建發(fā)動(dòng)機(jī)智能模型，并與發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理、飛發(fā)一體化和信息技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)全飛行包線內(nèi)性能與飛行任務(wù)的實(shí)時(shí)匹配和綜合性能最優(yōu)，以及安全性、可靠性和使用維護(hù)成本最優(yōu)。2018年，羅羅公司基于產(chǎn)品與服務(wù)融合的理念推出了智能發(fā)動(dòng)機(jī)愿景，希望借助強(qiáng)大的數(shù)字化技術(shù)，使發(fā)動(dòng)機(jī)具備互聯(lián)互通、場(chǎng)景感知和理解修正的能力，還專門(mén)為此建立了R2數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)室加速實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)智能化目標(biāo)。

電氣化

太陽(yáng)能直接生成液體燃料（StL）的過(guò)程示意圖

風(fēng)力或太陽(yáng)能發(fā)電制成液體燃料（PtL)的過(guò)程示意圖

軍、民用航空領(lǐng)域的電氣化浪潮正席卷全球，主要發(fā)動(dòng)機(jī)制造商紛紛加速布局。自20世紀(jì)80年代即開(kāi)展研究的多電/全電發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，用電力系統(tǒng)部分甚至全部取代飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)的液壓、氣源和機(jī)械系統(tǒng)，取消發(fā)動(dòng)機(jī)高壓引氣，取消或者簡(jiǎn)化附件傳動(dòng)機(jī)匣，從而簡(jiǎn)化發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、減小迎風(fēng)面積、降低系統(tǒng)質(zhì)量，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性、維修性和經(jīng)濟(jì)性。波音787飛機(jī)的GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)和遄達(dá)1000發(fā)動(dòng)機(jī)都取消了高壓壓氣機(jī)引氣；F-35由于將電起動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)嵌入高壓轉(zhuǎn)子而取消了附件機(jī)匣；羅羅公司于2014年開(kāi)始嵌入式電起動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)(E2SG)演示驗(yàn)證，并打算將該技術(shù)應(yīng)用于英國(guó)未來(lái)戰(zhàn)斗機(jī)“暴風(fēng)”中。

開(kāi)展純電/混合電推進(jìn)技術(shù)研究正在成為飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)制造商的創(chuàng)新主戰(zhàn)場(chǎng)。純電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)目前主要為小型飛機(jī)提供動(dòng)力，瞄準(zhǔn)個(gè)人飛行器和城市空中交通（UAM）；而傳統(tǒng)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)與機(jī)載電池結(jié)合形成的混合電推進(jìn)方案更適用于有效載荷、速度和航程較大的應(yīng)用場(chǎng)景。未來(lái)，電推進(jìn)技術(shù)繼續(xù)發(fā)展并與分布式推進(jìn)概念相結(jié)合，則會(huì)出現(xiàn)顛覆性的新型動(dòng)力。

替代燃料

替代燃料是未來(lái)清潔能源的重點(diǎn)研究領(lǐng)域，主要包括：生物航空燃料，目前已在軍、民用飛機(jī)上完成試飛，但仍未進(jìn)入實(shí)際使用；氫燃料，燃燒不產(chǎn)生CO2，但須在極高壓環(huán)境或低溫環(huán)境中儲(chǔ)存，制造成本較高；合成燃料，一種是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為航空煤油（Sun-to-Liquid，StL），利用太陽(yáng)能聚集光束產(chǎn)生高溫反應(yīng)環(huán)境，使水和CO2進(jìn)行氧化還原反應(yīng)生成H2和CO，進(jìn)而合成為類似于煤油的液體燃料（太陽(yáng)能煤油），預(yù)計(jì)2025年商業(yè)化。另外一種是利用風(fēng)能或太陽(yáng)能發(fā)電持續(xù)將水電解成H2，同時(shí)從大氣中收集CO2，與H2反應(yīng)生成甲醇，或者先轉(zhuǎn)化為CO，再與H2反應(yīng)生成液體燃料(（Power-to-Liquid，PtL）。

替代能源

燃料電池將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽ㄟ^(guò)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳、涵道槳扇或旋翼飛行。它被認(rèn)為是電池的輕質(zhì)替代品，目前已在無(wú)人機(jī)和低座級(jí)飛機(jī)上進(jìn)行驗(yàn)證，而波音、空客正研究用燃料電池替代輔助動(dòng)力裝置（APU）。燃料電池由于高效清潔無(wú)污染而廣受關(guān)注，被奉為新能源的終極解決方案。

核能和太陽(yáng)能可以作為飛行器動(dòng)力的替代能源。美國(guó)、蘇聯(lián)等在20世紀(jì)60年代針對(duì)核能發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)展了大量研究，未投入使用，核安全依然是繞不開(kāi)的話題；太陽(yáng)能發(fā)動(dòng)機(jī)面臨太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率較低、受飛行環(huán)境影響較大等問(wèn)題，未來(lái)進(jìn)入實(shí)用還有大量工作要做。

未來(lái)發(fā)展

未來(lái)，軍民、用飛行器對(duì)動(dòng)力裝置的需求會(huì)出現(xiàn)新的變化，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是順應(yīng)未來(lái)作戰(zhàn)模式向空、天、地一體信息對(duì)抗的方向拓展，各類主戰(zhàn)機(jī)種將根據(jù)設(shè)定的戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)，在更廣闊的空間、以更高的速度開(kāi)展體系和體系的對(duì)抗，飛行器的速度將成為一種新的“隱身”，但具備高機(jī)動(dòng)、高隱身、超聲速巡航的新一代戰(zhàn)斗機(jī)的制空和對(duì)地攻擊能力仍然是無(wú)可替代的；二是航空業(yè)界正面臨2050年實(shí)現(xiàn)CO2零排放的巨大環(huán)保壓力，為此各主要航空企業(yè)已經(jīng)提前布局，為未來(lái)30年民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的顛覆性改變做準(zhǔn)備；三是無(wú)論民機(jī)還是軍機(jī)，既要用得好、也要買(mǎi)得起，更要用得起，在性能、可靠性已滿足需求的前提下，發(fā)動(dòng)機(jī)將不再單純地追求高的推重比，而是綜合考慮安全性、可靠性和全生命周期使用維護(hù)成本，向跨行業(yè)技術(shù)融合、全三維仿真、電氣化、智能化方向發(fā)展。

歐洲未來(lái)作戰(zhàn)航空體系

2030年前的航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)

民機(jī)領(lǐng)域，未來(lái)5年內(nèi)GTF將在寬體發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)展開(kāi)激烈競(jìng)爭(zhēng)；2030年前，純電/混合電推進(jìn)技術(shù)將在通用飛機(jī)、公務(wù)機(jī)和支線客機(jī)上首先得到應(yīng)用，具備替代150座級(jí)窄體客機(jī)傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的能力。

軍機(jī)領(lǐng)域，自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)將在2030年進(jìn)入服役；高超聲速飛行器屆時(shí)將成為耀眼的明星，TBCC和強(qiáng)預(yù)冷渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)是可選的動(dòng)力。

2050年的航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)

對(duì)于2050年的軍用戰(zhàn)斗機(jī)，目前仍然無(wú)法清晰、準(zhǔn)確地描繪，但“快速全球打擊、高超聲速巡航、太空作戰(zhàn)”等特征似乎只有新一代的組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)能滿足要求。

未來(lái)30年，顛覆性的智能化分布式電推進(jìn)系統(tǒng)將進(jìn)入民用市場(chǎng)；燃料電池、氫燃料、太陽(yáng)能煤油等替代能源和替代燃料逐步使用，全球航空業(yè)零排放的目標(biāo)全面實(shí)現(xiàn)；超聲速客機(jī)可能會(huì)以更經(jīng)濟(jì)、更環(huán)保的方式重出江湖，300座級(jí)、航程超過(guò)20000km、以Ma5巡航，這是一家英國(guó)科創(chuàng)公司描述的未來(lái)場(chǎng)景，值得期待！

結(jié)束語(yǔ)

世界航空渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)80多年的技術(shù)發(fā)展，已經(jīng)解決了安全性、可靠性問(wèn)題。但是，隨著全球環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，適航當(dāng)局順應(yīng)要求對(duì)飛機(jī)噪聲和污染物排放日趨嚴(yán)格；未來(lái)空天地一體化作戰(zhàn)模式下，陸、海、空、天、電等武器裝備和信息網(wǎng)絡(luò)將以整體作戰(zhàn)系統(tǒng)的方式出現(xiàn)，軍、民用飛行器對(duì)動(dòng)力裝置的需求變化有待進(jìn)一步的觀察。