在此背景下，發(fā)動(dòng)機(jī)制造商與飛機(jī)制造商攜手，進(jìn)行了諸如分布式混合電推進(jìn)系統(tǒng)動(dòng)力解決方案、電動(dòng)飛機(jī)等新概念飛機(jī)的研究。同時(shí)，如何利用新材料、新工藝和新設(shè)計(jì)使飛機(jī)的燃油效率得到進(jìn)一步提高也是各大發(fā)動(dòng)機(jī)制造商正在如火如荼進(jìn)行的工作。這些奪人眼球的新技術(shù)、新設(shè)計(jì)真的能顛覆現(xiàn)有的航空動(dòng)力市場(chǎng)格局嗎？

　　未來(lái)在哪里

　　隨著人們環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，近年來(lái)電動(dòng)飛機(jī)、太陽(yáng)能飛機(jī)開(kāi)始受到越來(lái)越多的關(guān)注。然而,它們真的能夠替代傳統(tǒng)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，被廣泛用于商用飛機(jī)運(yùn)營(yíng)嗎？

　　2014年，空客E-Fan驗(yàn)證機(jī)在法國(guó)波爾多完成了第一次試飛。同年6月，空客在第51屆巴黎航展上不僅安排E-Fan驗(yàn)證機(jī)進(jìn)行飛行表演，還展出了即將投入批生產(chǎn)的E-Fan2.0全尺寸樣機(jī)。2015年5月，空客集團(tuán)宣布將在法國(guó)西南部的波城建立第二代E-Fan全電動(dòng)飛機(jī)總裝線(xiàn)，首架E-Fan2.0飛機(jī)預(yù)計(jì)最早在2017年年底投入運(yùn)營(yíng)。

　　此外，更大尺寸的4座電力飛機(jī)E-Fan4.0也已被空客列入了研發(fā)日程，預(yù)計(jì)在2019年投入使用。對(duì)于電動(dòng)飛機(jī)項(xiàng)目，空客的長(zhǎng)期計(jì)劃是生產(chǎn)電力支線(xiàn)飛機(jī)和電力直升機(jī)，最終的目標(biāo)是生產(chǎn)出100座的電力支線(xiàn)飛機(jī)，預(yù)計(jì)2050年將實(shí)現(xiàn)這一宏偉目標(biāo)。

　　與其他在研的電動(dòng)飛機(jī)一樣，E-Fan也面臨著電池蓄電量的問(wèn)題。目前，由韓國(guó)KOKAM公司生產(chǎn)的250伏鋰聚合物電池僅能維持飛行半個(gè)小時(shí)。此外，對(duì)于機(jī)上高電荷負(fù)載的管理、能量的存儲(chǔ)也是混合電能飛機(jī)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。為此，空客正在進(jìn)一步研制更加穩(wěn)定的鋰聚合物電池。

　　對(duì)于商用飛機(jī)來(lái)說(shuō)，電驅(qū)動(dòng)則顯得更為遙遠(yuǎn)。舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，特斯拉公司目前正在研發(fā)一種具有足夠高功率、重量密度比的電池，目標(biāo)是能夠讓汽車(chē)完成從阿布扎比直達(dá)法蘭克福這3000英里的路程，這個(gè)距離是目前其最大行駛距離的10倍。但對(duì)于一架單通道飛機(jī)來(lái)說(shuō)，這些電量甚至不足以使其離開(kāi)地面，而這塊電池的重量卻有可能要占去飛機(jī)重量的一半。

　　太陽(yáng)能飛機(jī)的前景則更加黯淡。廣受關(guān)注的“陽(yáng)光動(dòng)力號(hào)”太陽(yáng)能飛機(jī)使用的太陽(yáng)能電池的大小約為2900平方英尺，但這樣大小的一塊電池只能讓一架5060磅重的飛機(jī)以小于汽車(chē)的速度飛行。此外，目前“陽(yáng)光動(dòng)力號(hào)”的電池只有23%的有效性。即使未來(lái)電池的有效性能夠達(dá)到100%，并且重量可以忽略不計(jì)，但如果想要驅(qū)動(dòng)一架波音747飛機(jī)的話(huà)，也需要至少3個(gè)足球場(chǎng)大小的機(jī)翼才能實(shí)現(xiàn)。

　　因此，目前業(yè)內(nèi)已經(jīng)達(dá)成共識(shí)，在2050年前，綠色航空的未來(lái)還是要靠不斷進(jìn)步的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)相結(jié)合的電推進(jìn)系統(tǒng)、全新的飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)一體化設(shè)計(jì)、先進(jìn)材料的使用，仍將是未來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)制造商關(guān)注的重點(diǎn)。

　　奪人眼球的創(chuàng)意

　　為了開(kāi)發(fā)能夠滿(mǎn)足未來(lái)25?30年后服役的飛機(jī)環(huán)境和性能目標(biāo)的概念，在NASA和歐盟系列研究計(jì)劃的資助下，波音、GE、空客、羅羅參與探索了分布式混合電推進(jìn)系統(tǒng)動(dòng)力解決方案。

　　對(duì)于未來(lái)寬體飛機(jī)，NASA探索了全復(fù)合材料、層流的N3-X概念飛機(jī)，其最突出的特點(diǎn)是采用了燃?xì)鉁u輪電力分布推進(jìn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)將產(chǎn)生推進(jìn)力的裝置與產(chǎn)生動(dòng)力的裝置分開(kāi)，由兩臺(tái)安裝在翼尖的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)超導(dǎo)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能，并驅(qū)動(dòng)15臺(tái)嵌入機(jī)身的超導(dǎo)電推進(jìn)器產(chǎn)生推力，最終實(shí)現(xiàn)比波音777-200LR飛機(jī)耗油率降低70%以上。

　　為了滿(mǎn)足歐盟“航跡2050”計(jì)劃中2050年前將二氧化碳排放降低75%、氮氧化物排放降低90%、噪音降低65%的目標(biāo)，空客集團(tuán)正在尋求開(kāi)發(fā)2030年服役的基于分布式混合電推進(jìn)系統(tǒng)的翼身融合飛機(jī)方案，并于2013年11月發(fā)布了與德國(guó)西門(mén)子公司和英國(guó)羅羅公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的基于分布式混合電推進(jìn)系統(tǒng)的100座級(jí)E-Airbus支線(xiàn)飛機(jī)。E-Airbus采用6臺(tái)電動(dòng)風(fēng)扇，每個(gè)機(jī)翼上沿展向分布3臺(tái)，并通過(guò)一個(gè)燃?xì)鈩?dòng)力單元（即渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)連接到發(fā)電機(jī)，以產(chǎn)生電力）為6臺(tái)風(fēng)扇（產(chǎn)生推力）提供電力和為電能存儲(chǔ)裝置充電，推進(jìn)系統(tǒng)的等效涵道比預(yù)計(jì)將超過(guò)20。羅羅公司表示，分布式電推進(jìn)系統(tǒng)的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是能夠集成到機(jī)體結(jié)構(gòu)上，優(yōu)化機(jī)體周?chē)�的流�?chǎng)，同時(shí)減輕飛機(jī)的重量，降低阻力和噪聲水平。另外，當(dāng)邊界層氣流被風(fēng)扇吸入并加速時(shí)，將減少飛機(jī)的尾跡，并帶來(lái)阻力的進(jìn)一步降低。

　　此外，NASA和歐盟還進(jìn)一步探索了面向未來(lái)的混合脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)。相比傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)，采用脈沖爆震燃燒的發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率可降低22%?26%，發(fā)動(dòng)機(jī)單位推力可提高45%。GE公司表示，如果進(jìn)展順利，脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)和混合渦輪電力推進(jìn)系統(tǒng)最有可能在21世紀(jì)下半葉成為取代現(xiàn)有燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的候選動(dòng)力。

　　一體化設(shè)計(jì)

　　憑借齒輪傳動(dòng)技術(shù)，普惠在窄體客機(jī)市場(chǎng)重新贏得了一席之地。而今，其創(chuàng)新性地提出了飛機(jī)／發(fā)動(dòng)機(jī)一體化設(shè)計(jì)，這個(gè)令業(yè)界稱(chēng)奇的新型發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)布局是否會(huì)再次讓世界驚嘆呢？

　　普惠公司提出這一設(shè)想的源頭是NASA和麻省理工學(xué)院（MIT）正在聯(lián)合研發(fā)的D8雙氣泡飛機(jī)。這款飛機(jī)打破了傳統(tǒng)的“管狀機(jī)身＋機(jī)翼”的結(jié)構(gòu)，發(fā)動(dòng)機(jī)被安裝在扁平化機(jī)身寬大尾部的上方。

　　這樣的設(shè)計(jì)能夠使飛機(jī)擁有高展弦比機(jī)翼，還能使發(fā)動(dòng)機(jī)利用流過(guò)機(jī)體表面的低速附面層，提高推進(jìn)效率。根據(jù)計(jì)劃，D8雙氣泡飛機(jī)以2035年左右投入使用的“N+3”代飛機(jī)為目標(biāo)，燃油效率較現(xiàn)有窄體客機(jī)提高60%。

　　這一設(shè)想要成為現(xiàn)實(shí)還有不少難題。首先，發(fā)動(dòng)機(jī)與機(jī)體上表面距離過(guò)近,使得風(fēng)扇必須在吸入附面層時(shí)對(duì)流動(dòng)畸變有足夠的容忍裕度。此外，用于D8的發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比至少要達(dá)到20，風(fēng)扇的尺寸將會(huì)很大，這勢(shì)必與D8所必須滿(mǎn)足的極低噪聲這一目標(biāo)相矛盾。

　　由此，普惠公司產(chǎn)生了將核心機(jī)反向安裝的突破性想法。空氣仍然通過(guò)風(fēng)扇進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)，但與之前直接進(jìn)入壓氣機(jī)不同，空氣通過(guò)外側(cè)通道到達(dá)核心機(jī)的后面，再?gòu)南喾捶较蜻M(jìn)入。

　　這種布局與普惠加拿大公司的PT6發(fā)動(dòng)機(jī)類(lèi)似，空氣從后向前流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)，燃?xì)馔ㄟ^(guò)動(dòng)力（低壓）渦輪后向前排出，渦輪再通過(guò)一套齒輪系統(tǒng)連接到風(fēng)扇。渦輪、齒輪箱和風(fēng)扇的連接將通過(guò)一個(gè)相當(dāng)短的軸。由于核心機(jī)并不與動(dòng)力部分相連，對(duì)于航空公司來(lái)說(shuō)，可以很方便地將核心機(jī)卸下進(jìn)行維修。

　　在這一方案中，由于核心機(jī)和推進(jìn)器不再有機(jī)械連接，設(shè)計(jì)者想出可以讓核心機(jī)彼此之間呈一定角度安裝的絕妙方式，其安裝角可以達(dá)到50°，核心機(jī)的出口也通過(guò)一個(gè)偏轉(zhuǎn)50°的管道再進(jìn)入動(dòng)力渦輪。通過(guò)這種方式，兩個(gè)核心機(jī)之間的角度就超過(guò)了90°，這在幾何結(jié)構(gòu)上很容易實(shí)現(xiàn)。這也使發(fā)動(dòng)機(jī)能夠采用更大的涵道比，如果只是偏轉(zhuǎn)核心機(jī)氣流的話(huà)，其流量不會(huì)太大，壓力損失也可以降低。

　　普惠公司希望能與NASA合作來(lái)進(jìn)一步確定構(gòu)型，同時(shí)評(píng)估諸如空氣管道、使用陶瓷基復(fù)合材料等一系列問(wèn)題。如果這個(gè)項(xiàng)目能夠順利推進(jìn)，將有利于普惠研發(fā)下一代齒輪傳動(dòng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。

　　新材料新技術(shù)

　　在航空領(lǐng)域，新材料的大量應(yīng)用已是大勢(shì)所趨，但相對(duì)于主制造商的激進(jìn)，一段時(shí)間內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)制造商卻顯得略為保守。令人欣慰的是，這一現(xiàn)象正在慢慢改變。

　　在商用發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，借助于在機(jī)匣、風(fēng)扇葉片、涵道等部位引入輕質(zhì)的碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料，CFM公司的LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比上升到10。

　　為了應(yīng)對(duì)新一代寬體機(jī)的發(fā)展需求，GE公司發(fā)展了GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)。這一核心機(jī)采用11級(jí)高壓壓氣機(jī)、第三代雙環(huán)預(yù)旋（TAPS）燃燒室和2級(jí)高壓渦輪，核心機(jī)增壓比達(dá)到27，是GE公司截至目前發(fā)展的增壓比最高的核心機(jī)。核心機(jī)增壓比的提高，使得GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)總增壓比達(dá)到60以上，壓氣機(jī)后端和高壓渦輪進(jìn)口工作溫度已經(jīng)超出現(xiàn)有常規(guī)材料的承受范圍。因此，GE發(fā)展了第四代粉末合金材料、陶瓷基復(fù)合材料（CMC）火焰筒與渦輪以及先進(jìn)冷卻技術(shù)。未來(lái)，GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油效率將比GE90-115B發(fā)動(dòng)機(jī)提升10％。

　　MTU公司近年來(lái)一直在思索如何激發(fā)鈦鋁基金屬間化合物用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)的巨大潛力。在力學(xué)性能方面，這種材料與鎳合金幾乎相同，但其密度更低、熔點(diǎn)更高，抗蠕變強(qiáng)度比鈦合金高許多。這些性能歸結(jié)于合金的特定組成以及為此專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的熱處理方法。

　　鈦鋁渦輪葉片比鎳合金組件輕一半，但可靠性和耐久性基本相當(dāng)。此外，較高的鋁含量讓新材料的抗氧化、抗腐蝕能力明顯提升。MTU公司表示，鈦鋁是用于高速低壓渦輪等組件的理想候選材料。

　　鈦鋁合金能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)組件減重，這為設(shè)計(jì)師開(kāi)辟了新天地。以往，渦輪盤(pán)和軸上作用的離心力大，需要用較重的鎳合金制造，從而導(dǎo)致重量過(guò)大。使用了鈦鋁葉片后，離心力大大減小，渦輪盤(pán)的設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步優(yōu)化。

　　在齒輪傳動(dòng)風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)中，使用輕質(zhì)材料的最大障礙是它們的成形和制造極為困難。長(zhǎng)期以來(lái)，使用常規(guī)、經(jīng)濟(jì)可承受的方法鍛造新材質(zhì)渦輪葉片是不可能完成的任務(wù)。因此，MTU正聯(lián)合一些機(jī)構(gòu)共同進(jìn)行研發(fā)，試圖通過(guò)熱動(dòng)力計(jì)算以確定最佳的鍛造溫度范圍和金相組織。未來(lái)，鈦鋁合金的應(yīng)用或?qū)⒃絹?lái)越廣泛。(文/彭靜宇)