航空動力市場的創新潮

董幗雄

盡管如今全球航空運輸市場仍處于艱難的恢復期，但與飛機制造商對于新項目研發相對更為謹慎有所不同，全球航空動力市場在后疫情時代掀起了一股創新潮。在這些令人眼花繚亂的創新潮中，無論是GE、羅羅還是賽峰，甚至是美國國家航空航天安全局（NASA）都將創新的重點放在了革命性技術，在這些巨頭企業的規劃中，未來航空發動機都有了全新的“模樣”。

RISE項目：新一代開式轉子

2021年6月，GE公司與賽峰集團共同宣布啟動RISE項目，該項目將開發一系列顛覆創新技術以推進新一代開式轉子發動機的研發。需要指出的是，RISE項目并不是直接研發下一代發動機型號，而是一項技術成熟與演示項目，是瞄準未來市場做一些關鍵技術的開發。

開式轉子技術并不是新鮮的概念。早在21世紀初，當時隨著油價的不斷攀升以及生態環境的惡化，美國和歐洲先后推出了亞聲速固定翼飛機項目（SFW）、FAA持續低能耗、排放和噪聲（CLEEN）計劃、歐洲“凈潔天空”計劃等一系列計劃，并在這些計劃的推動下開展新一代開式轉子發動機的研發。

在RISE項目之前，賽峰集團曾進行過一個名為CROR項目的對轉開式轉子項目。該項目以M88發動機為核心機，并在2017年完成地面試車。此次，RISE項目則是建立在GE和賽峰公司聯合研發的GE36開式轉子發動機的基礎上，其主要目標是研究新的開式轉子構架，以大幅提高熱效率，同時RISE項目還將進行新的低排放燃燒室以及混合電力系統發電機研發。

開式轉子發動機對于油耗的貢獻已經不存在質疑，但噪聲和飛機集成依舊是兩大關鍵難題。對此，GE公司表示，經過多年的技術積累，在噪聲控制方面，未來有望通過微調技術與相應工程工具的使用，將新一代發動機噪聲控制在某一水平下。在與飛機集成方面，現有技術已經可以將開式轉子發動機的風扇直徑從20世紀80年代的400厘米縮小到300～330厘米，與現階段主流發動機的短艙直徑接近，可以較好地與單通道飛機的機身適配。因此，GE認為，下一代開式轉子發動機將可以在滿足噪聲控制的同時，獲得大幅度的性能提升。同時，GE和賽峰也會將兩家企業近年來研發的新材料、新技術應用在RISE項目中。例如，近年來GE耗費巨資投資研發的陶瓷基復合材料（CMC）和3D打印技術將被應用在RISE項目中。

根據GE和賽峰公布的消息，RISE項目預計將在2025年前后開始第一臺樣機的測試工作，2035年左右研發新一代發動機，以裝配下一代窄體客機。這個時間表與當前主流飛機制造商對于下一代飛機規劃的時間表相吻合。此前，波音和空客也都表示過，將在這個時間段推出全新的窄體客機。同時，作為啟動RISE項目的一部分，GE和賽峰已將在CFM國際公司的股權合作關系延長到了2050年，以支持CFM國際公司可以更好地推進下一代航空發動機計劃。目前，在現役窄體客機發動機市場，CFM國際公司憑借LEAP系列發動機的優異表現占據了絕對領先的市場優勢。如果能夠在全新一代窄體客機發動機研發中繼續占據先機的話，未來將十分值得期待，而賽峰與GE的這家合資企業，也將續寫這一傳奇的合作。

下一代GTF是什么樣的

在現役窄體客機發動機中，CFM國際公司LEAP系列發動機和普惠公司GTF發動機采用了不同的技術路線。

普惠在GTF發動機后面安裝了一個行星齒輪組，使得風扇與發動機主軸分離，從而可以使用大直徑、低轉速的風扇，以增大外涵道空氣流量。LEAP系列發動機并沒有采用齒輪減速器，而是通過使用陶瓷基復合材料等更耐高溫的材料實現優化熱效率的技術路線。盡管兩家公司采用的產品技術路線不同，但GTF發動機和LEAP系列發動機都較上一代渦扇發動機提高了15%左右的燃油效率。如今，在GE和賽峰針對下一代窄體客機發動機研發推出RISE項目后，普惠及其母公司雷神技術公司也在7月的公司“投資者日”的活動中宣布了一系列未來規劃。普惠公司表示，短期內公司的研發重點將主要圍繞完善齒輪傳動渦輪風扇（GTF）發動機的結構，并在此基礎上適時開發出重大改型，并同步推進一系列更加成熟的低排放技術以滿足未來行業對于碳排放的嚴苛要求。

舉例來說，早前在GTF發動機中，相對于競爭對手，普惠更多地通過改進發動機產品的結構來提高燃油效率，但在未來，普惠將會投入更多精力在新材料領域。今年7月，普惠宣布其新建的陶瓷基復合材料工程與研發中心正式投入使用。同時，普惠的母公司雷神技術公司還在推進增材制造技術的研發，未來將可以通過3D打印技術“打印”由鋁、鈦和高溫鎳基超級合金等金屬制成的部件。

尤為值得一提的是，由于目前窄體客機市場已經基本被GTF和LEAP兩款產品所壟斷，而波音和空客在短時間內似乎也不太可能推出全新的機型。對此，普惠在此次發布會上也表示，由于研發一款全新的發動機產品或一款革命性的產品需要耗費大量的資金，對于企業來說意味著巨大的風險，因此普惠對此將持非常謹慎的態度。公司甚至表示，如果飛機制造商無法承諾在新一代飛機上只選擇一款發動機產品作為唯一動力來源，普惠將很難作出為新機型開發一款全新發動機產品的決定。

除了傳統燃油發動機產品之外，普惠還在積極參與混合電推進飛機和氫燃料飛機項目。目前加普惠公司正在將混合電動技術整合至一架“沖8-100”飛機驗證機中。這一驗證機項目的前身是加普惠與柯林斯宇航在2019年聯合啟動的“804工程”。隨著項目的不斷推進，未來普惠也將參與到這一驗證機項目中，將GTF發動機搭配1.5兆瓦的電力輔助系統應用在大型干線飛機上。

在氫燃料飛機項目中，普惠及其母公司雷神技術已經制定了技術研發時間表，基本上時間點與空客早前推出的氫能商用飛機研發時間表相吻合。由于氫能在渦扇發動機中很容易燃燒，因此目前普惠的工程師們還在討論重新設計飛機以容納氫燃料箱的可行性。

羅羅的進退有度

在2012年將所持有的IAE公司股份出售給普惠之后，發動機制造商羅羅基本退出了窄體客機發動機市場的競爭，轉而將主要精力集中在寬體飛機動力市場。為此，羅羅在遄達系列發動機之外，著眼于未來20年技術和產品的發展，于2014年開始了基于齒輪傳動技術的UltraFan發動機系列。由于UltraFan系列發動機的推力涵蓋111.1～488.98kN，因此可以涵蓋窄體客機和寬體客機市場，業界也一度看好羅羅可以憑借這款產品重回窄體客機市場。

2018年7月，羅羅宣布凍結概念設計，以“Advance核心機+復合材料葉片+齒輪箱”為典型特征的UltraFan發動機項目進展順利，按最初的計劃將于2025年左右投入市場。這個時間點也和曾經波音有意推出的新中型飛機（NMA）項目相吻合。

但2020年新冠肺炎疫情爆發后，迫于經營壓力，羅羅宣布暫停UltraFan項目，直到出現更好的市場機會。但同時也有業內人士指出，從長遠來看，羅羅并不適合重新進入窄體客機市場。這主要是考慮到，盡管UltraFan項目在技術上相比市場其他產品有著后發優勢，但近年來GTF發動機在技術成熟度與產品可靠性方面已經得到了市場的認可，后續只要通過適當的技術升級就可以鞏固已有的市場優勢，因此對于羅羅來說，要“殺入”這一市場并非易事。

盡管戰略性地叫停了UltraFan項目，但羅羅卻在加大對電推進領域的投資力度。2019年，羅羅收購了西門子電動和混合動力的航空航天推進業務。之后，公司又與挪威支線航空公司Wideroe啟動了一項關于零排放飛行的聯合研究計劃，今年5月，雙方宣布將與Tecnam合作開發一款9座P-2012全電飛機。而在此前的2個月，羅羅宣布為Vertical Aerospace的VA-X4飛行器提供100kW的電動力系統，而這款飛行器將有望成為全球首款通過認證的eVTOL飛行器。未來，羅羅在電推進領域的布局值得長期關注。

NASA積極謀劃未來

在各大發動機制造商積極謀劃未來的同時，美國航空航天技術發展的風向標NASA自然也沒有閑著，圍繞著效率、環保等關鍵詞，NASA也出臺了一系列規劃。

漸進式的電氣化發展之路已成為業界共識，基于并聯混合動力構架在發動機軸上安裝電動機/發電機，在起飛和爬升階段需要大推力時進行渦輪電力增強，可降低對傳統渦扇發動機的設計要求，使之在巡航過程中的燃油效率更高，實現不同飛行階段推力和效率更好的匹配。正因如此，處于“發現模式”的NASA明顯意識到了混合電推進系統對于盡快實現大型商用電氣化飛行的重要意義，推進大功率電動機及相關電力電子設備的研發工作已經勢在必行。在X-57分布式電動驗證機技術積累的基礎上，NASA擬啟動電氣化動力系統飛行驗證項目（EPFD），將首先在實驗室進行兆瓦級電推進系統地面測試，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，所配裝的飛機預計在2030年后服役。

發動機的推進效率與其構架密切相關，但與齒輪傳動風扇或者開式轉子這些不同公司所采用的各種具體方案相比，只有核心機上的技術突破才能夠最廣泛地帶動整個行業的進步。顯而易見的是，縮小核心機并不像縮小零部件尺寸那樣容易實現。為了保證小型核心機依舊具有足夠的驅動風扇和壓氣機的動力，燃燒溫度會進一步升高，必須采用耐熱性能更高且不易膨脹的先進材料，并確保較小的渦輪葉片和導向葉片能夠承受多種應力。核心機內部間隙（如葉片之間以及葉片與機匣之間）也應縮小與核心機尺寸相同的百分比，同樣帶來了全新的設計挑戰。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動機內部獨特構型相關研究成果，實現對更高的溫度和壓力進行管理，這也是在更狹窄區域內燃燒反應的自然結果。

2020年2月，NASA首次公布了混合熱效率核心機（HyTEC）項目，通過地面驗證演示開發小型核心機所需要的關鍵技術、材料以及壓氣機和渦輪組件，預期發動機的涵道比將至少提升15%、燃油效率提升5%～10%，同時在高空狀態下能夠從中提取20%的電力，幾乎是目前波音787飛機功率提取能力的4倍，有助于用更多的電子部件代替傳統的液壓系統，更好地滿足未來飛機的電氣化發展需求。根據NASA的愿景，選用這種核心機的新一代單通道飛機可能會在本世紀30年代初期投入使用。