2018航空發動機熱點事件及趨勢分析

2018年世界航空發動機行業在新一代產品研制和先進航空推進技術研究方面取得了一系列進展，特別是在戰斗機動力、大涵道比渦扇發動機、公務機動力，以及混合電推進領域都發生了很多熱點事件，對其進行深入分析有助于認清未來的發展趨勢。

新一輪戰斗機發動機換代全面啟動

在戰斗機動力領域，已經有近20年沒有出現過新型號了。逐漸縮減的機隊規模以及非傳統威脅環境任務增多，使得高性能制空戰機的更新換代需求并不強烈，美國正在推進新一代戰斗機動力的研發，并將自適應發動機確定為空軍第六代戰斗機的動力形式，開展了持續的技術成熟與風險降低工作。根據美國國會預算辦公室發布的報告，美國空軍將從2030年起陸續采購414架穿透型制空戰斗機（PCA），以逐步替換目前在役的F-15C/D和F-22。相比F-35A每架9400萬美元的采購單價（2018年），PCA的單價預計將達到3億美元。按照動力占整機價格的15%計，其發動機采購總成本將近200億美元，加上研制費有可能達到300億美元，這將是美國未來30年軍用航空發動機最大的一筆合同，對于目前正在承擔自適應發動機研發的GE公司和普惠公司來說都將是必爭之地。兩家公司在2018年分別得到來自美國空軍價值4.37億美元的追加合同，擴展了XA100/101發動機驗證機的驗證范圍，并開展飛行驗證準備工作。GE公司已經完成了第一臺XA100的核心機測試，開始驗證機組裝，將于2020年年初開始整機試驗。

與之相比，俄羅斯目前的重心仍在持續推進五代機的動力裝置飛行試驗。有報道稱俄羅斯已經開始研發第六代戰斗機，但目前僅在材料方面開展了研究，未見其披露有關發動機總體布局和關鍵技術方面的進展。反倒是此前一直未見有實質性行動的歐洲諸國相繼推出了新一代戰斗機研發項目，日本也開展了下一代戰斗機發動機的測試，使得戰斗機動力換代的氣息撲面而來。

在英國準備脫歐的背景下，法國和德國在2018年6月宣布聯合研制新一代戰斗機，稱作“下一代武器系統”（NGWS），將替代現役的“陣風”與“臺風”戰機。該戰斗機要求具有更好的生存力、航程和任務靈活性，需要更強勁的推進系統。除了更高的結構完整性、可靠性和推重比，還要具備低的研發和生產成本、好的維修性、長且可規劃的維修間隔，以及綜合雷達信號特征和電力提取，并有可能采用變循環技術或智能發動機技術。德國MTU公司正在開展前期研究工作，一方面表示有能力獨立完成該發動機的研制，另一方面也已準備好與法國進行合作。MTU在壓氣機、渦輪和控制系統方面有著豐富的研發經驗，并開展了增材制造、陶瓷基復合材料等先進工藝和材料研發。法國和德國計劃在2024—2026年做出正式的研發決策，2031年前完成發動機的設計、組裝和鑒定試驗，然后開始飛機原型機的飛行試驗和軍方鑒定，于2040年開始交付。

英國則在2018年7月宣布將研制名為“暴風”（Tempest）的新一代戰斗機概念原型機，并揭曉了該機模型，計劃于2025年開始驗證機試飛。此后如進入裝備研制，將在2035年前向英國皇家空軍交付，取代將在2040年退役的“臺風”。“暴風”戰斗機的發動機由羅羅公司負責研發，將采用抗畸變風扇、嵌入式起動發電機、先進復合材料和增材制造、全集成的熱管理系統，使發動機具有更高的功率密度、智能和多電特征、綜合電力與熱管理以及流線型外形。據外媒推測“暴風”戰斗機將很可能采用EJ-200發動機的改進型號，即EJ-230發動機或EJ-270發動機。隨后，歐洲其他國家開始選邊站隊，西班牙宣布加入法德下一代戰斗機項目，意大利和荷蘭則加入英國“暴風”項目，此外英國還在與包括瑞典和日本在內的許多潛在伙伴國進行討論。

日本近年來一直在推動自行研發下一代戰斗機發動機。2018年6月，石川島播磨重工（IHI）向防衛裝備廳交付了XF9-1發動機原型機，由于采用了第五代單晶等新材料，渦輪前溫度達到1800℃。隨后該發動機在試車中連續實現不加力推力110kN（1tf≈10kN）、加力推力150kN的預定指標，計劃于2020年3月前完成包含高空臺在內的測試試驗。未來研發目標是不加力推力130kN，加力推力200kN，與F135相當。

可以看出，戰斗機動力裝置已經進入新一輪研制周期，從各國的方案和進展來看，加力式渦扇發動機仍是下一代戰斗機動力選擇的主要形式。其中，美國空軍已經明確下一代戰斗機采用自適應發動機，海軍則并未表示認同，加上兩大軍種間一向不愿意共用機型，海軍下一步的選擇仍存在變數；德國也提出可能應用變循環技術，但MTU缺乏整機研發經驗，法國賽峰集團則是在部件技術水平上略有不足，二者聯合能否攻克或者應用變循環技術仍需觀察；英國和日本則都選擇了常規循環，后者的XF9-1的總體布局與F119類似，通過提高循環參數進一步提高推重比和單位迎面推力。從使用環境來看，變循環發動機（包括自適應發動機）比較適合美國海外作戰和俄羅斯幅員遼闊的特點，特別是美國針對“反介入/區域拒止”環境下遠程突防和穿透型制空需求；而對于國土面積狹小且重點在于本土防空的歐洲國家來說，作戰環境與冷戰時期差別并不大，核心需求是高速迎敵和機動空戰，加上國家經濟形勢和研發投入的限制，采用復雜的變循環發動機對歐洲國家來說未必適宜，因此下一代戰斗機動力選擇何種形式要根據國家安全戰略、作戰模式以及研發資源綜合權衡。

下一代大涵道比發動機雛形初現

民用大涵道比渦扇發動機的競爭也開始轉向下一代市場，美國、英國、俄羅斯都在大推力級產品研發和驗證方面取得了重大進展。隨著商業運輸對經濟性要求的不斷提高，發動機涵道比也在持續增大，由此帶來的匹配性問題成為下一代渦扇發動機方案需要解決的重點問題。

GE公司于2018年3月實現了GE9X發動機的首飛，推力為445 kN，風扇直徑達到3.4m，涵道比為10.3，總壓比為61，耗油率比GE90-115B低10%。對于直接驅動型渦扇發動機，由于受到風扇葉尖切線速度的限制，涵道比越大，低壓軸轉速越慢，會導致低壓渦輪級數增加、質量加大。為了解決這個問題，GE公司采取了相對“簡單粗暴”的辦法，在GE9X上采用了強度更高的第四代碳纖維復合材料風扇葉片，并將葉片前緣包覆的鈦合金薄片改為合金鋼，大大提高了葉片強度，允許風扇采用更高的葉尖切線速度，從而提高了低壓渦輪轉速，使低壓渦輪效率得到提升，只需要6級，比GEnx的7級還少1級，大大緩解了涵道比增大帶來的負面影響。由于風扇葉片強度增大，葉身可以做得更薄，加上先進的氣動設計，使風扇葉片數減為16片，在提高流通能力的同時減輕了質量。

羅羅先進低壓系統（ALPS）驗證機（來源：羅羅公司）

羅羅公司則采取了類似普惠PW1000G的齒輪驅動方式。2018年8月，羅羅公司凍結了下一代UltraFan發動機的構型，同時宣布和空客公司合作研發該型發動機。UltraFan發動機采用齒輪驅動方式，涵道比將達到15，總增壓比將達到70，燃油消耗和排放將比遄達700發動機降低25%，計劃于2025年投入使用。為了保障該型發動機的研發，羅羅公司同步開展了三大關鍵技術的驗證工作。首當其沖的就是大功率齒輪減速器，羅羅公司在德國建立了獨立的減速器試驗器，用以評估變速箱內部的載荷情況，設計功率可達74600kW。近期試驗主要集中在耐久性和可靠性評估上，并對已完成第一輪試驗的齒輪箱進行評估，對該部件的性能預測已經得到證實，將為建造完整的UltraFan驗證機提供參考。同時，可用于UltraFan發動機的新型核心機正在隨Advance 3發動機驗證機開展地面試驗。該核心機有10級高壓壓氣機和4級中壓壓氣機，分別由2級高壓渦輪和1級中壓渦輪驅動。驗證機是在核心機上加裝遄達XWB發動機的風扇系統和遄達1000發動機的低壓渦輪構成，已經運行到近90%的核心機功率，并開展了軸承載荷測量，進一步的試驗將包括吞水、噪聲以及運行中的X射線檢查、核心區域和熱端部件的熱量測量等。此外，羅羅公司還開展了先進低壓系統（ALPS）驗證機的地面試驗，利用遄達1000發動機對鈦合金前緣復合材料風扇葉片和復合材料風扇機匣進行了試驗，開展了側風、起動、吞冰、鳥撞、葉尖碰磨以及自然結冰條件下的性能試驗。隨后還將在室外臺架上進行噪聲試驗，并在未來幾年內進行飛行試驗。

俄羅斯于2018年1月宣布啟動PD-35發動機研制，推力將達到333.2kN，由聯合發動機制造集團（UEC）研制，計劃2019年完成設計，2021年完成核心機試驗，2023年完成驗證機試驗，2028年投入批量生產。PD-35將采用寬弦復合材料風扇葉片和復合材料風扇機匣，渦輪前最高溫度將達到1450℃，熱端部件將采用陶瓷基復合材料。PD-35的核心機將借鑒PD-14核心機，在其基礎上將高壓壓氣機增加一級，最終形成9級壓氣機和2級渦輪結構。盡管俄羅斯也曾經研究過齒輪傳動方式，但從目前的信息看，PD-35仍將采用直接驅動構型。

隨著近些年各級別干線客機逐漸完成更新換代，預定2025年投入使用的波音“新中型飛機”（NMA）動力的選擇將成為下一代大涵道比渦扇發動機的風向標。羅羅公司和普惠公司都轉向齒輪傳動方式，而GE公司則表示如果有需要也可以提供這一構型，因為在面臨再提高兩位數的燃油效率改善需求時，進一步提高風扇葉片強度的空間非常有限，齒輪傳動或將成為各方共同的選擇。在關鍵技術方面，GE公司、羅羅公司和UEC都廣泛采用了樹脂基復合材料風扇葉片和機匣、陶瓷基復合材料熱端部件以及鈦鋁合金低壓渦輪，并逐步加大增材制造應用的范圍；在壓氣機設計上，GE9X高壓壓氣機平均級壓比為1.349（11級壓比27），低于GEnx的1.368（10級壓比23），而羅羅公司新推出的“珍珠”公務機發動機10級壓氣機壓比達到24，平均級壓比為1.374，相信Advance 3也能達到同等水平；俄羅斯PD-35則計劃用9級壓氣機達到壓比23，平均級壓比高達1.417（PD-14的8級壓氣機壓比為16，平均級壓比為1.414，達到這一水平還是有可能的）。因此，下一代大涵道比渦扇發動機無論是在性能指標、關鍵技術還是材料工藝上，這些已經可以看到的參照系可能都會成為初始標準，只有在驅動方式、氣動設計、參數選取上更勝一籌，才能在激烈的市場競爭中占得一席之地。

公務機動力高速化趨勢顯現

2018年10月，新加坡航空公司恢復全球最長航線SQ21/22，從新加坡樟宜機場直飛美國紐瓦克機場，航程超過15000km，飛行時間接近18h。采用遠程型A350-900ULR飛機執飛，為了保證舒適性，載客量只有161人，是正常航班的一半。實際上，同樣起終點的經停航班只需要多花4～5h，價格卻要便宜得多，但對于追求工作效率的商業人士來說，對更高效航空運輸的需求從未停止。因此，速度更高的公務機市場需求依然強勁，且表現出向超聲速、甚至高超聲速發展的勢頭。

2018年5月，羅羅公司宣布推出全新的“珍珠”系列公務機發動機，并表示該發動機已被龐巴迪“環球”5500/6500公務機選為唯一動力，已于2018年2月獲得了EASA認證，計劃于2019年年底投入使用。該系列的第一個型號“珍珠”15在推力、油耗、噪聲及排放方面都有較大改善，能夠應對普惠公司的PW800和GE公司的Passport的競爭。該發動機采用比競爭機型略小的涵道比（4.8），使得飛行速度能夠達到馬赫數（Ma）0.9，相比常規的商業航班能夠更好地滿足公務需求。

然而，高亞聲速還是不夠快，在“協和”號飛機退役十多年后，新的超聲速公務航空市場又重現復蘇的跡象。除了洛馬、波音等老牌制造商，博姆（Boom）科技、Aerion航空等初創公司也瞄準了超聲速客機市場。Boom科技推出了可乘坐55名乘客的Overture客機方案，能以Ma 2.2的速度巡航，航程超過8000km，預計20年代中期投入市場。2019年該公司計劃試飛1/3比例的驗證機XB-1，對空氣動力學、復合材料和推進系統進行測試。原計劃該驗證機的動力采用3臺GE公司J85-21渦噴發動機，但目前Boom公司已經決定用3臺GE公司J85-15發動機替換J85-21發動機，對于全尺寸飛機來說，發動機的選擇仍是Boom公司面臨的重大問題。出于成本的考慮，Boom公司更傾向于利用現有的發動機進行衍生，但缺乏具有合適低增壓比壓氣機的發動機。比較合適的是涵道比為3～4的中等涵道比渦扇發動機，在這個工作點上飛機起飛的噪聲比較低，足夠低的涵道比不會引起太多波阻，并且能保證足夠的燃油效率。

Aerion公司的AS2超聲速公務機同樣采用3發布局，載客12人，最大巡航速度為Ma1.4，計劃將于2023年首飛，2025年完成適航取證。2017年Aerion公司確定由GE 公司為AS2提供動力。2018年10月，GE公司完成發動機的初始設計，將其命名為 “親和力”（Affinity），計劃在2020年前完成詳細設計審查，并開始原型機生產。Affinity發動機的推力為80kN，涵道比為3，是在CFM56/F101核心機基礎上加裝2級風扇和2級低壓渦輪，并配以低阻、可調的進排氣系統和全權限數字式電子控制（FADEC）系統而來，可以視為現代化版本的F101，其較低的壓氣機壓比和中等涵道比剛好能夠滿足超聲速發動機在相對較高的高度工作的需求。

該發動機兼顧了超聲速飛行和亞聲速飛行的需求，但并未徹底解決AS2的聲爆和油耗高的問題。GE公司給出的解決方案是在起飛階段不使用全推力。Affinity發動機使GE公司利用成熟核心機技術搶占了超聲速商業市場的先機，也使GE公司以較低的投入試探超聲速動力市場的接受度和合理區間，以便下一步提出更能滿足市場需求的發動機方案。

而在高超聲速范圍也不乏試水者。在美國航空航天學會（AIAA）2018年航空學術大會上，波音公司披露了一種高超聲速客運飛機的初始概念方案，巡航速度為Ma5，巡航高度約29260m，能夠2h跨越大西洋或3h跨越太平洋。該方案載客量介于遠程公務機和波音737之間，投入運營的時間點大概是在21世紀30年代末。波音公司認為，選擇Ma5是在效率和成本之間的有效平衡，既能在一天之內完成跨洋往返飛行，又不需要采用復雜的超燃沖壓動力，只需要用到渦輪-亞燃沖壓發動機就夠了。超過Ma5以后，速度提升帶來的邊際收益在減小，而邊際成本則在增加，并會在推進或材料上碰到技術臺階。

航空電推進呈現兩極分化

當前對航空電推進技術研發和驗證的力度不斷加強，除傳統航空發動機廠商和政府科研機構外，眾多初創企業也加入了電推進航空器的研制。目前全球范圍內有約100型電推進飛機正處于研制階段，其中約有60%的項目是由新興初創公司和獨立公司投資，航空航天公司占了30%（其中主要的原始設備制造商占一半左右），其他10%左右來自美國國家航空航天局（NASA）等學術和政府機構。

羅羅混合電支線客機結構示意圖

目前，航空電推進主要包括全電動和渦輪-電混合兩種模式。由于電池能量密度的限制，大量純電推進的飛行器都在朝著通用航空（GA）或城市空中交通（UAM）方向發展。而針對商業航空市場的大型研發項目大多是混合電推進的，并使用傳統碳氫燃料來提高功率輸出和/或擴展航程。目前大部分的項目都使用螺旋槳，大約有1/3的項目使用涵道風扇。

歐盟Mahepa項目計劃采用的HY4氫燃料電池動力飛機

賽峰分布式混合電推進系統地面試驗

各大航空企業都已成立了專門的電推進技術研發團隊，并在該領域取得一定的研究成果。GE公司通過采用軍用渦輪發動機來驗證雙轉子功率提取方式，并對1MW電機/發電機進行了試驗，效率達到98%。羅羅公司提出電動變速發動機概念，在短途飛行中可節省20%的燃油。聯合技術公司研發出利用電池在飛機起飛和爬升階段協助推進，而在巡航階段對渦扇發動機進行再次優化，使整個能耗降低5%。賽峰集團則被貝爾公司和Zunum Aero公司選中，提供分布式混合電推進系統解決方案，并在2018年7月完成分布式推進系統的首次地面試車。霍尼韋爾公司正在研發基于HTS900的混合電推進系統，但其兆瓦級發電機因為效率未達到預期目標，導致極光飛行科學公司的XV-24A研發項目被美國國防預先研究計劃局（DARPA）取消。空中客車公司與西門子公司、羅羅公司計劃在2020年對混合電推進支線飛機驗證機E-Fan X進行試飛。而西門子公司研發的航空電動機已經在飛機上進行了驗證，并將為空中客車公司的4座eVTOL驗證機提供動力。歐盟“模塊化混合電推進系統”（Mahepa）項目計劃在輕型飛機上對模塊化混合電推進技術進行研發和試驗，使技術成熟度（TRL）達到6級，并研究是否可在19～70座商用飛機上應用。巴航工業與優步合作提出空中出租車概念，主要目標是城市空運市場。NASA則支持流體能源公司研究納米電燃料（NEF）液流電池，可以為飛機提供安全、清潔和安靜的電力能源。

繼賽峰集團在2017年發布航空電推進技術路線圖后，由日本宇航局（JAXA）和工業界組建的飛機電氣化聯盟也在2018年12月發布了電動飛機技術路線圖，預計到21世紀20年代小型電動通用飛機將投入使用，到30年代小型電動商用飛機、窄體客機將成為可能，到40年代電力推進將成為窄體和小型飛機的核心技術，50年代后大型飛機的電氣化將達到其理想形式。路線圖分別提出了以大型飛機和通用飛機為主的兩種技術發展方案，確定的關鍵技術包括實現電力元件的高功率密度和效率、電池的高能量密度，以及電池和電力系統的高安全性和可靠性。

可以看出，目前羅羅、GE、賽峰等傳統航空發動機制造商以及波音、空客、西門子、NASA等航空制造企業和科研機構的重點都在混合電推進系統，并選擇現有比較先進的渦輪發動機作為原動力，預計到2030年后具備進入商業運行的技術成熟水平，屆時將會對傳統渦扇發動機市場造成巨大沖擊。同時，航空電推進的普及也會對行業構成帶來巨大的影響，目前以傳統飛機和發動機制造商為核心的格局將被打破，在未來的電推進系統中電力系統供應商和新興互聯網運營商將具備強大的競爭實力。這類企業能夠借助電力電子行業的技術優勢和類似SpaceX的商業互聯網模式，以城市空運和通用航空市場為突破口，繼而謀求進入大型商用飛機動力市場，可能會對傳統發動機制造業造成侵蝕，但同時也有助于整個產業規模的可持續增長，并促進傳統航空發動機廠商的發展和轉型。