NASA為下一代民用飛機(jī)及發(fā)動機(jī)做準(zhǔn)備

■ 王翔宇 / 中國航發(fā)研究院

（王翔宇，中國航發(fā)研究院，高級工程師，主要從事航空發(fā)動機(jī)發(fā)展戰(zhàn)略研究）

順應(yīng)航空業(yè)可持續(xù)發(fā)展的歷史趨勢，美國國家航空航天局（NASA）已經(jīng)將電推進(jìn)系統(tǒng)、小型化核心機(jī)、跨聲速桁架支撐機(jī)翼以及復(fù)合材料快速制造作為下一代民用飛機(jī)和發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新領(lǐng)域。

隨著可持續(xù)發(fā)展成為全球航空產(chǎn)業(yè)議程的重中之重，大西洋兩岸都在緊鑼密鼓地制訂計劃并進(jìn)行新一輪的大規(guī)模技術(shù)演示，為下一代商用飛機(jī)和發(fā)動機(jī)研發(fā)鋪平道路。幾乎就在歐洲推出全新的清潔航空伙伴關(guān)系計劃的同時，美國國家航空航天局（NASA）將環(huán)境（Environment）、效率（Efficiency）、電氣化（Electrification）和經(jīng)濟(jì)（Economy）鎖定為未來民用航空發(fā)展的核心要素，在與美國空軍和工業(yè)界合作的基礎(chǔ)上，通過采用一系列顛覆性技術(shù)提升飛行效率，這樣不但能夠降低航空公司運營成本、激發(fā)潛在市場需求，還可以切實促進(jìn)航空產(chǎn)業(yè)的深度去碳化發(fā)展，為更好地保護(hù)地球生態(tài)環(huán)境貢獻(xiàn)力量。

NASA關(guān)于航空業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基本邏輯構(gòu)架

NASA下一代民用飛機(jī)關(guān)注的技術(shù)領(lǐng)域

電推進(jìn)系統(tǒng)

早在2016年NASA就提出了X-57全電動推進(jìn)驗證飛機(jī)計劃，當(dāng)時的《華盛頓郵報》將其稱為“朝著空中旅行更高效、更環(huán)保新時代邁出了重要的第一步”。在起飛和著陸階段機(jī)翼前緣的12個升力電動機(jī)為X-57提供推力，到達(dá)巡航高度后則改由兩個翼尖的巡航電動機(jī)驅(qū)動，此時效率將比傳統(tǒng)飛機(jī)高出500%，且不產(chǎn)生任何排放物，噪聲也會小很多。經(jīng)過了前期的攻關(guān)與準(zhǔn)備，NASA 2021年4月在位于加利福尼亞州愛德華的阿姆斯特朗飛行研究中心對X-57進(jìn)行了高電壓地面測試，項目團(tuán)隊為其接通高壓電以檢查飛機(jī)系統(tǒng)，并熟悉了新構(gòu)型飛機(jī)的操作，這一階段試驗的完成也意味著X-57距離首飛更近了一步。當(dāng)然在通航飛行器范疇以外，即便由于當(dāng)前技術(shù)的限制使大型噴氣飛機(jī)整機(jī)無法做到完全電氣化，只要在飛行包線內(nèi)的某些部分能夠通過電力完成，那么就存在著不同的方式設(shè)計其動力系統(tǒng)以及飛機(jī)總體布局，從而使飛行效率得到進(jìn)一步的提升。

漸進(jìn)式的電氣化發(fā)展之路已成為業(yè)界共識，基于并聯(lián)混合動力構(gòu)架在發(fā)動機(jī)軸上安裝電動機(jī)/發(fā)電機(jī)，在起飛和爬升階段需要大推力時進(jìn)行渦輪電力增強(qiáng)，可降低對傳統(tǒng)渦扇發(fā)動機(jī)的設(shè)計要求，使之在巡航過程中的燃油效率更高，實現(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明顯意識到了混合電推進(jìn)系統(tǒng)對于盡快實現(xiàn)大型商用電氣化飛行的重要意義，推進(jìn)大功率電動機(jī)及相關(guān)電力電子設(shè)備的研發(fā)工作已經(jīng)勢在必行。在X-57分布式電動驗證機(jī)技術(shù)積累的基礎(chǔ)上，NASA擬啟動電氣化動力系統(tǒng)飛行驗證項目（EPFD），將首先在實驗室進(jìn)行兆瓦級電推進(jìn)系統(tǒng)地面測試，隨后在2023—2024財年和2024—2025財年分別開展兩輪飛行測試（飛行平臺尚未選定），并于2026年完成整個驗證計劃，所配裝的飛機(jī)預(yù)計在2030年后服役。

NASA的大功率電推進(jìn)系統(tǒng)測試臺

小型化核心機(jī)

與電氣化推進(jìn)系統(tǒng)相比，改善燃油效率更直接的方法毫無疑問就是調(diào)整發(fā)動機(jī)空氣流經(jīng)方式以及渦輪前壓力和溫度，事實上業(yè)界從未停止過進(jìn)一步挖掘布萊頓循環(huán)下傳統(tǒng)燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的性能潛力。長期以來，配裝大型商用飛機(jī)的渦扇發(fā)動機(jī)通過不斷提高涵道比、增加流經(jīng)風(fēng)扇的空氣量變得更加高效，但是從安全的角度出發(fā)，核心機(jī)和風(fēng)扇必須被安裝在短艙內(nèi)，而發(fā)動機(jī)翼吊式布局則對短艙尺寸有嚴(yán)格限制，否則會造成發(fā)動機(jī)拖地或者起落架過長，一個最鮮明的例子就是波音737MAX通過種種修形手段才安裝上了LEAP-1B發(fā)動機(jī)，但吊掛過于前置不利于飛行俯仰穩(wěn)定性才被迫安裝了機(jī)動特性增強(qiáng)系統(tǒng)，成為了后續(xù)重大墜機(jī)事故的根源?？傊?，這意味著在短艙直徑基本不變的前提下想要讓更多的氣流在外涵道流動，解決的辦法就只能是讓核心機(jī)變小。

NASA將在美國空軍C-17運輸機(jī)上進(jìn)行小型核心機(jī)飛行測試

發(fā)動機(jī)的推進(jìn)效率與其構(gòu)架密切相關(guān)，但與齒輪傳動風(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整個行業(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現(xiàn)。為了保證小型核心機(jī)依舊具有足夠的驅(qū)動風(fēng)扇和壓氣機(jī)的動力，燃燒溫度會進(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，同樣帶來了全新的設(shè)計挑戰(zhàn)。NASA正在與普惠公司和美國空軍合作，利用前期稀有金屬和陶瓷材料以及發(fā)動機(jī)內(nèi)部獨特構(gòu)型相關(guān)研究成果，實現(xiàn)對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）項目，通過地面驗證演示開發(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)動機(jī)的涵道比將至少提升15%、燃油效率提升5%～10%，同時在高空狀態(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)可能會在本世紀(jì)30年代初期投入使用。

配裝跨聲速桁架支撐機(jī)翼的飛機(jī)模型

跨聲速桁架支撐機(jī)翼

跨聲速桁架支撐機(jī)翼（TTBW）是早期對未來飛行器設(shè)計研究形成的布局方案之一，本質(zhì)上仍舊是經(jīng)典的桶狀機(jī)體加機(jī)翼結(jié)構(gòu)，只是機(jī)翼非常長、非常薄以至于在機(jī)體兩側(cè)需要額外的桁架進(jìn)行輔助支撐。當(dāng)機(jī)翼延展到合適的展弦比后可產(chǎn)生與常規(guī)的較短、較厚機(jī)翼等同的升力，但阻力卻小得多，雖然桁架并不直接參與這方面的作用，但其卻是機(jī)翼能夠真正延展的依托，并使整體結(jié)構(gòu)輕盈靈活（如翼尖可折疊）的同時減輕振動，可最大程度地發(fā)揮這種飛機(jī)總體設(shè)計的優(yōu)勢。

波音787飛機(jī)采用的電動起落架系統(tǒng)

2010年，波音公司開展了桁架支撐機(jī)翼有效性的驗證工作，測試機(jī)翼翼展達(dá)到了52m，展弦比接近波音737-800飛機(jī)機(jī)翼的兩倍。根據(jù)測試結(jié)果分析，在6500km的航程上其燃油效率能夠較常規(guī)懸臂式機(jī)翼高9%左右。NASA自2013年起陸續(xù)進(jìn)行了一系列風(fēng)洞試驗以探索其低速和高速性能，并于2020年10月開始了基于跨聲速桁架支撐機(jī)翼的超高效率客機(jī)構(gòu)型的飛行演示，確保在幾乎不增加整機(jī)質(zhì)量的前提下，桁架結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以支撐超高展弦比的機(jī)翼。NASA認(rèn)為跨聲速桁架支撐機(jī)翼設(shè)計技術(shù)已經(jīng)成為目前眾多革命性高效飛機(jī)設(shè)計概念中的領(lǐng)先者，未來10年內(nèi)即可進(jìn)入市場應(yīng)用階段，而諸如雙氣泡和翼身融合等其他布局方案可能還會晚5～10年。

復(fù)合材料快速制造

復(fù)合材料可以制造成各種復(fù)雜的形狀，結(jié)構(gòu)上更加堅固、壽命更長、損壞時更易修復(fù)，并且其質(zhì)量比相同的金屬部件要輕得多。雖然在航空航天領(lǐng)域已經(jīng)有幾十年的應(yīng)用歷史，且波音787飛機(jī)更是超過50%由復(fù)合材料制成，但在很多大型商用飛機(jī)及其動力裝置的生產(chǎn)制造中仍有機(jī)會進(jìn)一步加大對復(fù)合材料的應(yīng)用。一般認(rèn)為這其中的制約因素主要有兩點：一是從概念到設(shè)計、制造和測試，再到局方對材料進(jìn)行認(rèn)證的流程冗雜，需要花費大量的時間；二是目前復(fù)合材料部件，特別是大型部件制造速度太慢，遠(yuǎn)不能滿足市場對飛機(jī)交付的要求。

從公開的信息看，NASA于2019年完成的先進(jìn)復(fù)合材料項目（ACP）已經(jīng)基本解決了第一個問題，利用具備更好建模功能的設(shè)計方法、檢查手段以及零部件自動化制造技術(shù)，能夠大幅節(jié)約新型復(fù)合材料的適航認(rèn)證時間。后續(xù)NASA將針對復(fù)合材料快速制造啟動新的計劃，重點是在常規(guī)認(rèn)證框架體系下發(fā)展一種可靠可重復(fù)的高效制造模式，到2030年后實現(xiàn)復(fù)合材料飛機(jī)每月100架產(chǎn)能預(yù)期，將目前的制造速度提升5～6倍。

發(fā)展特點

NASA將電推進(jìn)系統(tǒng)、小型化核心機(jī)、跨聲速桁架支撐機(jī)翼以及復(fù)合材料快速制造，作為下一代商用飛機(jī)和發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新領(lǐng)域，總的來說呈現(xiàn)了以下發(fā)展特點。

第一，通過傾聽政府機(jī)構(gòu)、工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和其他利益相關(guān)方對于未來航空的需求，NASA構(gòu)建了極為廣闊的合作伙伴關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，更側(cè)重開發(fā)對可持續(xù)發(fā)展有利、對航空市場開拓有利的普適性技術(shù)，這使整個行業(yè)都能從中獲益、形成的技術(shù)成果也能更快更有力地推向市場。

第二，NASA目前重點關(guān)注的不是超聲速客機(jī)也不是洲際跨洋飛行的大型寬體飛機(jī)，而是能夠搭載150～175名乘客以亞聲速飛行，可以在2030年左右補(bǔ)充或取代A320和737這樣的單通道窄體飛機(jī)。顯然在以數(shù)字化和電氣化為典型特征的航空產(chǎn)業(yè)“第三時代”大幕拉開之際盡快搶占需求量最大、經(jīng)濟(jì)收益最好的細(xì)分市場是當(dāng)務(wù)之急。

第三，NASA選擇的技術(shù)領(lǐng)域幾乎都經(jīng)歷了數(shù)年乃至十?dāng)?shù)年的前期探索，已經(jīng)具備了較好的基礎(chǔ)，距離成熟應(yīng)用只差最后的“臨門一腳”。相比之下，歐洲的航空可持續(xù)發(fā)展愿景似乎更加宏大、發(fā)展路線也更加激進(jìn)，未來二者到底誰能占得先機(jī)，有待進(jìn)一步觀察。

第四，NASA針對每個技術(shù)領(lǐng)域都計劃開展相應(yīng)的研發(fā)項目，但在后疫情時代航空市場需求下行、研發(fā)資金被大幅壓縮的背景下，盡可能地兼顧那些與NASA利益重疊的美國工業(yè)合作伙伴的訴求變得越來越充滿挑戰(zhàn)，能否如愿推進(jìn)其相關(guān)計劃、是否會對技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行調(diào)整都存在著較大的不確定性。

NASA正在使用可延展6.5m的機(jī)械臂對復(fù)合材料進(jìn)行制造和測試

結(jié)束語

在過去的10～15年，NASA一直與工業(yè)界和其他科研機(jī)構(gòu)合作研究那些可以應(yīng)用到下一代民用飛機(jī)和發(fā)動機(jī)、能夠改變游戲規(guī)則的使能技術(shù)，并期望在本世紀(jì)20年代中期將技術(shù)成熟度提高到6級的水平，2030—2035年實現(xiàn)新型單通道窄體飛機(jī)投入市場使用。事實上，除了順應(yīng)保護(hù)地球環(huán)境、實現(xiàn)航空產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展這一歷史趨勢外，NASA也始終關(guān)注著提升飛行效率所附加的經(jīng)濟(jì)效益，通過降低航空公司的運營成本激發(fā)航空運輸市場活力，進(jìn)一步拉抬對航空制造商的產(chǎn)品需求，實現(xiàn)航空市場的持久繁榮。