航空动力市场的创新潮

董帼雄

尽管如今全球航空运输市场仍处于艰难的恢复期，但与飞机制造商对于新项目研发相对更为谨慎有所不同，全球航空动力市场在后疫情时代掀起了一股创新潮。在这些令人眼花缭乱的创新潮中，无论是GE、罗罗还是赛峰，甚至是美国国家航空航天安全局（NASA）都将创新的重点放在了革命性技术，在这些巨头企业的规划中，未来航空发动机都有了全新的“模样”。

RISE项目：新一代开式转子

2021年6月，GE公司与赛峰集团共同宣布启动RISE项目，该项目将开发一系列颠覆创新技术以推进新一代开式转子发动机的研发。需要指出的是，RISE项目并不是直接研发下一代发动机型号，而是一项技术成熟与演示项目，是瞄准未来市场做一些关键技术的开发。

开式转子技术并不是新鲜的概念。早在21世纪初，当时随着油价的不断攀升以及生态环境的恶化，美国和欧洲先后推出了亚声速固定翼飞机项目（SFW）、FAA持续低能耗、排放和噪声（CLEEN）计划、欧洲“净洁天空”计划等一系列计划，并在这些计划的推动下开展新一代开式转子发动机的研发。

在RISE项目之前，赛峰集团曾进行过一个名为CROR项目的对转开式转子项目。该项目以M88发动机为核心机，并在2017年完成地面试车。此次，RISE项目则是建立在GE和赛峰公司联合研发的GE36开式转子发动机的基础上，其主要目标是研究新的开式转子构架，以大幅提高热效率，同时RISE项目还将进行新的低排放燃烧室以及混合电力系统发电机研发。

开式转子发动机对于油耗的贡献已经不存在质疑，但噪声和飞机集成依旧是两大关键难题。对此，GE公司表示，经过多年的技术积累，在噪声控制方面，未来有望通过微调技术与相应工程工具的使用，将新一代发动机噪声控制在某一水平下。在与飞机集成方面，现有技术已经可以将开式转子发动机的风扇直径从20世纪80年代的400厘米缩小到300～330厘米，与现阶段主流发动机的短舱直径接近，可以较好地与单通道飞机的机身适配。因此，GE认为，下一代开式转子发动机将可以在满足噪声控制的同时，获得大幅度的性能提升。同时，GE和赛峰也会将两家企业近年来研发的新材料、新技术应用在RISE项目中。例如，近年来GE耗费巨资投资研发的陶瓷基复合材料（CMC）和3D打印技术将被应用在RISE项目中。

根据GE和赛峰公布的消息，RISE项目预计将在2025年前后开始第一台样机的测试工作，2035年左右研发新一代发动机，以装配下一代窄体客机。这个时间表与当前主流飞机制造商对于下一代飞机规划的时间表相吻合。此前，波音和空客也都表示过，将在这个时间段推出全新的窄体客机。同时，作为启动RISE项目的一部分，GE和赛峰已将在CFM国际公司的股权合作关系延长到了2050年，以支持CFM国际公司可以更好地推进下一代航空发动机计划。目前，在现役窄体客机发动机市场，CFM国际公司凭借LEAP系列发动机的优异表现占据了绝对领先的市场优势。如果能够在全新一代窄体客机发动机研发中继续占据先机的话，未来将十分值得期待，而赛峰与GE的这家合资企业，也将续写这一传奇的合作。

下一代GTF是什么样的

在现役窄体客机发动机中，CFM国际公司LEAP系列发动机和普惠公司GTF发动机采用了不同的技术路线。

普惠在GTF发动机后面安装了一个行星齿轮组，使得风扇与发动机主轴分离，从而可以使用大直径、低转速的风扇，以增大外涵道空气流量。LEAP系列发动机并没有采用齿轮减速器，而是通过使用陶瓷基复合材料等更耐高温的材料实现优化热效率的技术路线。尽管两家公司采用的产品技术路线不同，但GTF发动机和LEAP系列发动机都较上一代涡扇发动机提高了15%左右的燃油效率。如今，在GE和赛峰针对下一代窄体客机发动机研发推出RISE项目后，普惠及其母公司雷神技术公司也在7月的公司“投资者日”的活动中宣布了一系列未来规划。普惠公司表示，短期内公司的研发重点将主要围绕完善齿轮传动涡轮风扇（GTF）发动机的结构，并在此基础上适时开发出重大改型，并同步推进一系列更加成熟的低排放技术以满足未来行业对于碳排放的严苛要求。

举例来说，早前在GTF发动机中，相对于竞争对手，普惠更多地通过改进发动机产品的结构来提高燃油效率，但在未来，普惠将会投入更多精力在新材料领域。今年7月，普惠宣布其新建的陶瓷基复合材料工程与研发中心正式投入使用。同时，普惠的母公司雷神技术公司还在推进增材制造技术的研发，未来将可以通过3D打印技术“打印”由铝、钛和高温镍基超级合金等金属制成的部件。

尤为值得一提的是，由于目前窄体客机市场已经基本被GTF和LEAP两款产品所垄断，而波音和空客在短時间内似乎也不太可能推出全新的机型。对此，普惠在此次发布会上也表示，由于研发一款全新的发动机产品或一款革命性的产品需要耗费大量的资金，对于企业来说意味着巨大的风险，因此普惠对此将持非常谨慎的态度。公司甚至表示，如果飞机制造商无法承诺在新一代飞机上只选择一款发动机产品作为唯一动力来源，普惠将很难作出为新机型开发一款全新发动机产品的决定。

除了传统燃油发动机产品之外，普惠还在积极参与混合电推进飞机和氢燃料飞机项目。目前加普惠公司正在将混合电动技术整合至一架“冲8-100”飞机验证机中。这一验证机项目的前身是加普惠与柯林斯宇航在2019年联合启动的“804工程”。随着项目的不断推进，未来普惠也将参与到这一验证机项目中，将GTF发动机搭配1.5兆瓦的电力辅助系统应用在大型干线飞机上。

在氢燃料飞机项目中，普惠及其母公司雷神技术已经制定了技术研发时间表，基本上时间点与空客早前推出的氢能商用飞机研发时间表相吻合。由于氢能在涡扇发动机中很容易燃烧，因此目前普惠的工程师们还在讨论重新设计飞机以容纳氢燃料箱的可行性。

罗罗的进退有度

在2012年将所持有的IAE公司股份出售给普惠之后，发动机制造商罗罗基本退出了窄体客机发动机市场的竞争，转而将主要精力集中在宽体飞机动力市场。为此，罗罗在遄达系列发动机之外，着眼于未来20年技术和产品的发展，于2014年开始了基于齿轮传动技术的UltraFan发动机系列。由于UltraFan系列发动机的推力涵盖111.1～488.98kN，因此可以涵盖窄体客机和宽体客机市场，业界也一度看好罗罗可以凭借这款产品重回窄体客机市场。

2018年7月，罗罗宣布冻结概念设计，以“Advance核心机+复合材料叶片+齿轮箱”为典型特征的UltraFan发动机项目进展顺利，按最初的计划将于2025年左右投入市场。这个时间点也和曾经波音有意推出的新中型飞机（NMA）项目相吻合。

但2020年新冠肺炎疫情爆发后，迫于经营压力，罗罗宣布暂停UltraFan项目，直到出现更好的市场机会。但同时也有业内人士指出，从长远来看，罗罗并不适合重新进入窄体客机市场。这主要是考虑到，尽管UltraFan项目在技术上相比市场其他产品有着后发优势，但近年来GTF发动机在技术成熟度与产品可靠性方面已经得到了市场的认可，后续只要通过适当的技术升级就可以巩固已有的市场优势，因此对于罗罗来说，要“杀入”这一市场并非易事。

尽管战略性地叫停了UltraFan项目，但罗罗却在加大对电推进领域的投资力度。2019年，罗罗收购了西门子电动和混合动力的航空航天推进业务。之后，公司又与挪威支线航空公司Wideroe启动了一项关于零排放飞行的联合研究计划，今年5月，双方宣布将与Tecnam合作开发一款9座P-2012全电飞机。而在此前的2个月，罗罗宣布为Vertical Aerospace的VA-X4飞行器提供100kW的电动力系统，而这款飞行器将有望成为全球首款通过认证的eVTOL飞行器。未来，罗罗在电推进领域的布局值得长期关注。

NASA积极谋划未来

在各大发动机制造商积极谋划未来的同时，美国航空航天技术发展的风向标NASA自然也没有闲着，围绕着效率、环保等关键词，NASA也出台了一系列规划。

渐进式的电气化发展之路已成为业界共识，基于并联混合动力构架在发动机轴上安装电动机/发电机，在起飞和爬升阶段需要大推力时进行涡轮电力增强，可降低对传统涡扇发动机的设计要求，使之在巡航过程中的燃油效率更高，实现不同飞行阶段推力和效率更好的匹配。正因如此，处于“发现模式”的NASA明显意识到了混合电推进系统对于尽快实现大型商用电气化飞行的重要意义，推进大功率电动机及相关电力电子设备的研发工作已经势在必行。在X-57分布式电动验证机技术积累的基础上，NASA拟启动电气化动力系统飞行验证项目（EPFD），将首先在实验室进行兆瓦级电推进系统地面测试，随后在2023～2024财年和2024～2025财年分别开展两轮飞行测试（飞行平台尚未选定），并于2026年完成整个验证计划，所配装的飞机预计在2030年后服役。

发动机的推进效率与其构架密切相关，但与齿轮传动风扇或者开式转子这些不同公司所采用的各种具体方案相比，只有核心机上的技术突破才能够最广泛地带动整个行业的进步。显而易见的是，缩小核心机并不像缩小零部件尺寸那样容易实现。为了保证小型核心机依旧具有足够的驱动风扇和压气机的动力，燃燒温度会进一步升高，必须采用耐热性能更高且不易膨胀的先进材料，并确保较小的涡轮叶片和导向叶片能够承受多种应力。核心机内部间隙（如叶片之间以及叶片与机匣之间）也应缩小与核心机尺寸相同的百分比，同样带来了全新的设计挑战。NASA正在与普惠公司和美国空军合作，利用前期稀有金属和陶瓷材料以及发动机内部独特构型相关研究成果，实现对更高的温度和压力进行管理，这也是在更狭窄区域内燃烧反应的自然结果。

2020年2月，NASA首次公布了混合热效率核心机（HyTEC）项目，通过地面验证演示开发小型核心机所需要的关键技术、材料以及压气机和涡轮组件，预期发动机的涵道比将至少提升15%、燃油效率提升5%～10%，同时在高空状态下能够从中提取20%的电力，几乎是目前波音787飞机功率提取能力的4倍，有助于用更多的电子部件代替传统的液压系统，更好地满足未来飞机的电气化发展需求。根据NASA的愿景，选用这种核心机的新一代单通道飞机可能会在本世纪30年代初期投入使用。