董幗雄

盡管如今全球航空運(yùn)輸市場(chǎng)仍處于艱難的恢復(fù)期，但與飛機(jī)制造商對(duì)于新項(xiàng)目研發(fā)相對(duì)更為謹(jǐn)慎有所不同，全球航空動(dòng)力市場(chǎng)在后疫情時(shí)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(wú)論是GE、羅羅還是賽峰，甚至是美國(guó)國(guó)家航空航天安全局（NASA）都將創(chuàng)新的重點(diǎn)放在了革命性技術(shù)，在這些巨頭企業(yè)的規(guī)劃中，未來(lái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)都有了全新的“模樣”。

RISE項(xiàng)目：新一代開式轉(zhuǎn)子

2021年6月，GE公司與賽峰集團(tuán)共同宣布啟動(dòng)RISE項(xiàng)目，該項(xiàng)目將開發(fā)一系列顛覆創(chuàng)新技術(shù)以推進(jìn)新一代開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)。需要指出的是，RISE項(xiàng)目并不是直接研發(fā)下一代發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)，而是一項(xiàng)技術(shù)成熟與演示項(xiàng)目，是瞄準(zhǔn)未來(lái)市場(chǎng)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(jì)初，當(dāng)時(shí)隨著油價(jià)的不斷攀升以及生態(tài)環(huán)境的惡化，美國(guó)和歐洲先后推出了亞聲速固定翼飛機(jī)項(xiàng)目（SFW）、FAA持續(xù)低能耗、排放和噪聲（CLEEN）計(jì)劃、歐洲“凈潔天空”計(jì)劃等一系列計(jì)劃，并在這些計(jì)劃的推動(dòng)下開展新一代開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)。

在RISE項(xiàng)目之前，賽峰集團(tuán)曾進(jìn)行過一個(gè)名為CROR項(xiàng)目的對(duì)轉(zhuǎn)開式轉(zhuǎn)子項(xiàng)目。該項(xiàng)目以M88發(fā)動(dòng)機(jī)為核心機(jī)，并在2017年完成地面試車。此次，RISE項(xiàng)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(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上，其主要目標(biāo)是研究新的開式轉(zhuǎn)子構(gòu)架，以大幅提高熱效率，同時(shí)RISE項(xiàng)目還將進(jìn)行新的低排放燃燒室以及混合電力系統(tǒng)發(fā)電機(jī)研發(fā)。

開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)于油耗的貢獻(xiàn)已經(jīng)不存在質(zhì)疑，但噪聲和飛機(jī)集成依舊是兩大關(guān)鍵難題。對(duì)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(lái)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(dòng)機(jī)噪聲控制在某一水平下。在與飛機(jī)集成方面，現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)可以將開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇直徑從20世紀(jì)80年代的400厘米縮小到300～330厘米，與現(xiàn)階段主流發(fā)動(dòng)機(jī)的短艙直徑接近，可以較好地與單通道飛機(jī)的機(jī)身適配。因此，GE認(rèn)為，下一代開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)將可以在滿足噪聲控制的同時(shí)，獲得大幅度的性能提升。同時(shí)，GE和賽峰也會(huì)將兩家企業(yè)近年來(lái)研發(fā)的新材料、新技術(shù)應(yīng)用在RISE項(xiàng)目中。例如，近年來(lái)GE耗費(fèi)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(xiàng)目中。

根據(jù)GE和賽峰公布的消息，RISE項(xiàng)目預(yù)計(jì)將在2025年前后開始第一臺(tái)樣機(jī)的測(cè)試工作，2035年左右研發(fā)新一代發(fā)動(dòng)機(jī)，以裝配下一代窄體客機(jī)。這個(gè)時(shí)間表與當(dāng)前主流飛機(jī)制造商對(duì)于下一代飛機(jī)規(guī)劃的時(shí)間表相吻合。此前，波音和空客也都表示過，將在這個(gè)時(shí)間段推出全新的窄體客機(jī)。同時(shí)，作為啟動(dòng)RISE項(xiàng)目的一部分，GE和賽峰已將在CFM國(guó)際公司的股權(quán)合作關(guān)系延長(zhǎng)到了2050年，以支持CFM國(guó)際公司可以更好地推進(jìn)下一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)劃。目前，在現(xiàn)役窄體客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)，CFM國(guó)際公司憑借LEAP系列發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)異表現(xiàn)占據(jù)了絕對(duì)領(lǐng)先的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。如果能夠在全新一代窄體客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)中繼續(xù)占據(jù)先機(jī)的話，未來(lái)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(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中，CFM國(guó)際公司LEAP系列發(fā)動(dòng)機(jī)和普惠公司GTF發(fā)動(dòng)機(jī)采用了不同的技術(shù)路線。

普惠在GTF發(fā)動(dòng)機(jī)后面安裝了一個(gè)行星齒輪組，使得風(fēng)扇與發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(shí)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(dòng)機(jī)和LEAP系列發(fā)動(dòng)機(jī)都較上一代渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)提高了15%左右的燃油效率。如今，在GE和賽峰針對(duì)下一代窄體客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)推出RISE項(xiàng)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(dòng)中宣布了一系列未來(lái)規(guī)劃。普惠公司表示，短期內(nèi)公司的研發(fā)重點(diǎn)將主要圍繞完善齒輪傳動(dòng)渦輪風(fēng)扇（GTF）發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上適時(shí)開發(fā)出重大改型，并同步推進(jìn)一系列更加成熟的低排放技術(shù)以滿足未來(lái)行業(yè)對(duì)于碳排放的嚴(yán)苛要求。

舉例來(lái)說，早前在GTF發(fā)動(dòng)機(jī)中，相對(duì)于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，普惠更多地通過改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)來(lái)提高燃油效率，但在未來(lái)，普惠將會(huì)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(shí)，普惠的母公司雷神技術(shù)公司還在推進(jìn)增材制造技術(shù)的研發(fā)，未來(lái)將可以通過3D打印技術(shù)“打印”由鋁、鈦和高溫鎳基超級(jí)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(jī)市場(chǎng)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(shí)間內(nèi)似乎也不太可能推出全新的機(jī)型。對(duì)此，普惠在此次發(fā)布會(huì)上也表示，由于研發(fā)一款全新的發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品或一款革命性的產(chǎn)品需要耗費(fèi)大量的資金，對(duì)于企業(yè)來(lái)說意味著巨大的風(fēng)險(xiǎn)，因此普惠對(duì)此將持非常謹(jǐn)慎的態(tài)度。公司甚至表示，如果飛機(jī)制造商無(wú)法承諾在新一代飛機(jī)上只選擇一款發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品作為唯一動(dòng)力來(lái)源，普惠將很難作出為新機(jī)型開發(fā)一款全新發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的決定。

除了傳統(tǒng)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品之外，普惠還在積極參與混合電推進(jìn)飛機(jī)和氫燃料飛機(jī)項(xiàng)目。目前加普惠公司正在將混合電動(dòng)技術(shù)整合至一架“沖8-100”飛機(jī)驗(yàn)證機(jī)中。這一驗(yàn)證機(jī)項(xiàng)目的前身是加普惠與柯林斯宇航在2019年聯(lián)合啟動(dòng)的“804工程”。隨著項(xiàng)目的不斷推進(jìn)，未來(lái)普惠也將參與到這一驗(yàn)證機(jī)項(xiàng)目中，將GTF發(fā)動(dòng)機(jī)搭配1.5兆瓦的電力輔助系統(tǒng)應(yīng)用在大型干線飛機(jī)上。

在氫燃料飛機(jī)項(xiàng)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(shí)間表，基本上時(shí)間點(diǎn)與空客早前推出的氫能商用飛機(jī)研發(fā)時(shí)間表相吻合。由于氫能在渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)飛機(jī)以容納氫燃料箱的可行性。

羅羅的進(jìn)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(dòng)機(jī)制造商羅羅基本退出了窄體客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)，轉(zhuǎn)而將主要精力集中在寬體飛機(jī)動(dòng)力市場(chǎng)。為此，羅羅在遄達(dá)系列發(fā)動(dòng)機(jī)之外，著眼于未來(lái)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(dòng)技術(shù)的UltraFan發(fā)動(dòng)機(jī)系列。由于UltraFan系列發(fā)動(dòng)機(jī)的推力涵蓋111.1～488.98kN，因此可以涵蓋窄體客機(jī)和寬體客機(jī)市場(chǎng)，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(jī)市場(chǎng)。

2018年7月，羅羅宣布凍結(jié)概念設(shè)計(jì)，以“Advance核心機(jī)+復(fù)合材料葉片+齒輪箱”為典型特征的UltraFan發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目進(jìn)展順利，按最初的計(jì)劃將于2025年左右投入市場(chǎng)。這個(gè)時(shí)間點(diǎn)也和曾經(jīng)波音有意推出的新中型飛機(jī)（NMA）項(xiàng)目相吻合。

但2020年新冠肺炎疫情爆發(fā)后，迫于經(jīng)營(yíng)壓力，羅羅宣布暫停UltraFan項(xiàng)目，直到出現(xiàn)更好的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。但同時(shí)也有業(yè)內(nèi)人士指出，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，羅羅并不適合重新進(jìn)入窄體客機(jī)市場(chǎng)。這主要是考慮到，盡管UltraFan項(xiàng)目在技術(shù)上相比市場(chǎng)其他產(chǎn)品有著后發(fā)優(yōu)勢(shì)，但近年來(lái)GTF發(fā)動(dòng)機(jī)在技術(shù)成熟度與產(chǎn)品可靠性方面已經(jīng)得到了市場(chǎng)的認(rèn)可，后續(xù)只要通過適當(dāng)?shù)募夹g(shù)升級(jí)就可以鞏固已有的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，因此對(duì)于羅羅來(lái)說，要“殺入”這一市場(chǎng)并非易事。

盡管戰(zhàn)略性地叫停了UltraFan項(xiàng)目，但羅羅卻在加大對(duì)電推進(jìn)領(lǐng)域的投資力度。2019年，羅羅收購(gòu)了西門子電動(dòng)和混合動(dòng)力的航空航天推進(jìn)業(yè)務(wù)。之后，公司又與挪威支線航空公司W(wǎng)ideroe啟動(dòng)了一項(xiàng)關(guān)于零排放飛行的聯(lián)合研究計(jì)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(jī)。而在此前的2個(gè)月，羅羅宣布為Vertical Aerospace的VA-X4飛行器提供100kW的電動(dòng)力系統(tǒng)，而這款飛行器將有望成為全球首款通過認(rèn)證的eVTOL飛行器。未來(lái)，羅羅在電推進(jìn)領(lǐng)域的布局值得長(zhǎng)期關(guān)注。

NASA積極謀劃未來(lái)

在各大發(fā)動(dòng)機(jī)制造商積極謀劃未來(lái)的同時(shí)，美國(guó)航空航天技術(shù)發(fā)展的風(fēng)向標(biāo)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(tái)了一系列規(guī)劃。

漸進(jìn)式的電氣化發(fā)展之路已成為業(yè)界共識(shí)，基于并聯(lián)混合動(dòng)力構(gòu)架在發(fā)動(dòng)機(jī)軸上安裝電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)，在起飛和爬升階段需要大推力時(shí)進(jìn)行渦輪電力增強(qiáng)，可降低對(duì)傳統(tǒng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)要求，使之在巡航過程中的燃油效率更高，實(shí)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(shí)到了混合電推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)于盡快實(shí)現(xiàn)大型商用電氣化飛行的重要意義，推進(jìn)大功率電動(dòng)機(jī)及相關(guān)電力電子設(shè)備的研發(fā)工作已經(jīng)勢(shì)在必行。在X-57分布式電動(dòng)驗(yàn)證機(jī)技術(shù)積累的基礎(chǔ)上，NASA擬啟動(dòng)電氣化動(dòng)力系統(tǒng)飛行驗(yàn)證項(xiàng)目（EPFD），將首先在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行兆瓦級(jí)電推進(jìn)系統(tǒng)地面測(cè)試，隨后在2023～2024財(cái)年和2024～2025財(cái)年分別開展兩輪飛行測(cè)試（飛行平臺(tái)尚未選定），并于2026年完成整個(gè)驗(yàn)證計(jì)劃，所配裝的飛機(jī)預(yù)計(jì)在2030年后服役。

發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)效率與其構(gòu)架密切相關(guān)，但與齒輪傳動(dòng)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(jī)上的技術(shù)突破才能夠最廣泛地帶動(dòng)整個(gè)行業(yè)的進(jìn)步。顯而易見的是，縮小核心機(jī)并不像縮小零部件尺寸那樣容易實(shí)現(xiàn)。為了保證小型核心機(jī)依舊具有足夠的驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇和壓氣機(jī)的動(dòng)力，燃燒溫度會(huì)進(jìn)一步升高，必須采用耐熱性能更高且不易膨脹的先進(jìn)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(jī)內(nèi)部間隙（如葉片之間以及葉片與機(jī)匣之間）也應(yīng)縮小與核心機(jī)尺寸相同的百分比，同樣帶來(lái)了全新的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。NASA正在與普惠公司和美國(guó)空軍合作，利用前期稀有金屬和陶瓷材料以及發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部獨(dú)特構(gòu)型相關(guān)研究成果，實(shí)現(xiàn)對(duì)更高的溫度和壓力進(jìn)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(jī)（HyTEC）項(xiàng)目，通過地面驗(yàn)證演示開發(fā)小型核心機(jī)所需要的關(guān)鍵技術(shù)、材料以及壓氣機(jī)和渦輪組件，預(yù)期發(fā)動(dòng)機(jī)的涵道比將至少提升15%、燃油效率提升5%～10%，同時(shí)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(jī)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(lái)飛機(jī)的電氣化發(fā)展需求。根據(jù)NASA的愿景，選用這種核心機(jī)的新一代單通道飛機(jī)可能會(huì)在本世紀(jì)30年代初期投入使用。