英国超高涵道比发动机技术发展路线图分析

■ 李明 / 中国航发研究院

2023年5月，英国罗罗公司在80号试车台完成“超扇”（UltraFan）发动机技术验证机的首次试车，且采用了100%可持续航空燃料（SAF） 。应用了超高涵道比（UHBR）技术的“超扇”发动机的效率较遄达XWB发动机提高10%，这标志着英国在改善航空发动机效率、环保性等方面向前迈进一大步。

过去30年，大涵道比涡扇发动机极大地降低了飞机对环境的影响。2022年4月，英国航空航天技术研究院（ATI）在其2022年技术战略文件《零排放目标：通向2050的技术之路》确定了零碳排放飞机技术、超高效飞机技术和跨领域使能技术与基础设施等3个重点技术领域[1]，为航空业确定实现2050净零排放所需的技术开发和潜在应用时间提供指导。超高效飞机技术中动力领域明确就是UHBR发动机技术，提出推进其技术成熟度（TRL）在2025年达到6，确保为新一代民用飞机从2030年开始投入使用做好准备。此前，ATI还公布了UHBR发动机的发展路线图[2]，介绍了相关技术和与之相关的应用对象，以及这些技术背后的驱动因素。

超高涵道比发动机发展需求

航空发动机一直是英国航空业乃至整个国家创新发展的重要推动力，其研发和制造约占该行业直接经济活动产值的50%，且主要集中在宽体客机的大型大涵道比涡扇发动机。研制UHBR发动机是英国实现2050净零碳排放的重要手段，更是其保持发动机以下几方面技术优势的重要抓手。

罗罗公司“超扇”技术验证机在80号试车台完成首次试车

一是降低成本，减少浪费，提高生产制造效率，以更好地利用资源和技术；二是提高能源效率，通过新型的架构设计提高推进效率；三是保护环境，减少CO2、NOx、非挥发性颗粒物（nvPM）、可感知噪声、材料使用与浪费；四是满足使用需求与灵活性、有韧性且可高效维护的推进和动力系统；五是改善乘客体验，降低舱内的感知噪声；六是提高安全性，包括损伤容限、异物侵入包容、可预测性和质量保证等。

超高涵道比发动机环境目标

对于重点的环保需求，英国对UHBR发动机提出了CO2、NOx和噪声等方面的量化阶段性目标。

CO2方面，相比2000年基线，2025年排放降低20%，2035年降低25%；NOx方面，相比2000年基线，参考CAEP/6标准，2025年降低55%，2035年降低65%；感知噪声方面，相比噪声标准，参考远程双发飞机的平均值，2025年累计降低30有效感知噪声分贝（EPNdB），2035年累计降低36EPNdB。

UHBR发动机技术路线图

超高涵道比发动机技术路线图

UHBR发动机采用复合材料、齿轮传动风扇系统，可实现高推进效率、高气动效率、低噪声，利用超高效高温高压核心机和智能监控系统，旨在到2030年实现10%以上的效率提升和CO2排放降低，以及2030年后从混电和变桨距风扇等技术中获得更多收益。与此同时，需要克服轻质低噪声齿轮传动复合材料风扇、高效多级涡轮、贫油低排放燃烧室、高强度高温材料等诸多技术挑战。

超高涵道比发动机关键技术体系

ATI针对路线图涉及的13类技术进行了关键技术分解，分别阐明各关键技术的使用对象及其发展的直接需求，即驱动因素。

轻质低速低噪声复合材料风扇

航空业一直致力于减轻部件质量以降低燃油消耗，碳纤维复合材料是理想的风扇系统材料，可使每架飞机减轻700kg，相当于7名乘客及其行李的质量。更低成本的工艺和净零制造是该技术成功应用的关键，见表1。

表1 轻质低速低噪声复合材料风扇技术分解

高压比高效率核心机

高压比高效率核心机是实现高燃油效率、低排放和产品全生命周期成功的关键。所需的关键能力包括：先进合金和制造方法、高温密封方法和传感器，以及在役产品的新型维修和检测技术，见表2。

表2 高压比高效率核心机技术分解

贫油低NOx燃烧系统

UHBR发动机将采用先进的燃烧系统以减少排放和颗粒物的产生，同时使用未来的可持续航空燃料。新的流体控制机制将结合智能电驱和增材制造的流量装置来优化燃油输送。有效的持续运行需要能克服恶劣环境的低成本传感能力，以及改进的检测和维修技术等，见表3。

表3 贫油低NOx燃烧系统技术分解

可持续航空燃料

生物燃料、合成燃料和氢燃料都被视为未来可持续航空燃料。生物燃料和合成燃料的主要挑战分别是原料供应和成本，两者都只需要对燃气涡轮发动机进行很小程度的改变。氢燃料是实现零碳航空的另一条潜在途径，其主要挑战是配套基础供应设施建设。将氢燃料引入UHBR发动机需要在热力、燃料和燃烧系统方面采取技术措施。可持续航空燃料相关技术分解见表4。

表4 可持续航空燃料技术分解

高强高温材料

UHBR发动机的减重、性能增强和工作温度升高推动了对先进材料和制造工艺的需求。研发更高强度、更高温度的复合材料和金属、黏合连接技术，以及更广泛地使用增材制造技术，可应用于各种核心件和外部件，见表5。

表5 高强高温材料技术分解

低阻轻质短舱

大型UHBR发动机的短舱对推进系统性能有重大影响。航空发动机运行的环境恶劣，需要低空气阻力、轻量化部件的短舱，并采用降噪、热管理、防火安全和环境保护的技术，见表6。

表6 低阻轻质短舱技术分解

先进集成换热器和热管理系统

未来UHBR发动机架构要求冷却滑油的热管理系统的性能、尺寸、质量和成本得到进一步改善。氢燃料等可持续航空燃料的引入和一定程度的混电动力，将给热管理系统带来进一步的技术挑战。一系列换热器需要提高技术，新的微型系统需集成到发动机中，见表7。

表7 先进集成换热器和热管理系统技术分解

针对核心机优化的下一代复合材料风扇系统

大量部件，甚至承重件采用更先进的复合材料制造方法、智能结构，进一步减轻风扇系统的质量，见表8。

表8 针对核心机优化的下一代复合材料风扇系统技术分解

变桨距风扇系统

变桨距风扇可在发动机节流时调整风扇桨距，改善单位燃油消耗率（SFC），并可能省去对反推装置的需求，应用的对象将是2030年以后的UHBR发动机。这一概念的使能要素包括作动器、控制和监测技术、智能结构及模拟工具，见表9。

表9 变桨距风扇系统技术分解

可变面积风扇喷管系统

可变面积风扇喷管（VAFN）能够调节风扇喷口面积以匹配发动机运行，并带来降低燃油消耗和噪声等收益，适用于2030年后的UHBR发动机，需要开发驱动、密封、监控和智能结构等技术，见表10。

表10 可变面积风扇喷管系统技术分解

新型变热力循环

复杂的工作循环，如换热循环（级间冷却和回热）和末端循环（废热转化为动力），可以在2035年后应用，进一步提高发动机的循环热效率。短期内需要进行可行性研究，以引导技术开发和系统验证，见表11。

表11 新型变热力循环技术分解

动力系统的集成

为充分发挥大型UHBR发动机的性能优势，需要提高部件和系统的集成度，包括跨传统组装边界的部件。先进架构将挑战实体和功能接口，并充分利用完善的模拟、先进材料和新型制造和装配技术，见表12。

表12 动力系统的集成技术分解

自适应控制系统

未来的控制系统需要灵活性，以适应来自飞机系统和部件的大量数据。在增强可靠性、提高效率和减轻质量等需求的推动下，智能传感器、综合健康管理和智能作动器控制等技术将促进新产品的开发，包括微型连接器、新型防冰方案、智能叶片和先进控制器，见表13。

表13 自适应控制系统技术分解

结束语

航空业对更安全、更安静、更洁净和更经济飞行的需求不断增长，超高涵道比发动机是满足这些需求的主要可行方案之一，也是当前大推力民用航空发动机的重要发展方向。超高涵道比发动机涉及的关键技术广泛，其研制不但能促进整个航空发动机行业的多种先进技术成熟，更能带动整个发动机产业链的升级换代，能对航空业甚至国民经济发展发挥较大的溢出效应。英国超高涵道比发动机的技术体系和路线图对各国开展相关研究具有一定参考意义。