目前，商用飛機的碳排放量約占全球二氧化碳排放量的1.5%，隨著(zhù)全球航空市場(chǎng)的發(fā)展，未來(lái)這個(gè)比例將逐步增大。盡管與20世紀60年代相比，如今在役的民用飛機燃油效率已經(jīng)提高了近70%，但顯然這個(gè)數據不足以滿(mǎn)足日益嚴苛的環(huán)保要求。
在此背景下，發(fā)動(dòng)機制造商與飛機制造商攜手，進(jìn)行了諸如分布式混合電推進(jìn)系統動(dòng)力解決方案、電動(dòng)飛機等新概念飛機的研究。同時(shí)，如何利用新材料、新工藝和新設計使飛機的燃油效率得到進(jìn)一步提高也是各大發(fā)動(dòng)機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)、新設計真的能顛覆現有的航空動(dòng)力市場(chǎng)格局嗎？
未來(lái)在哪里
隨著(zhù)人們環(huán)保意識的不斷增強，近年來(lái)電動(dòng)飛機、太陽(yáng)能飛機開(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的燃氣渦輪發(fā)動(dòng)機，被廣泛用于商用飛機運營(yíng)嗎？
2014年，空客E-Fan驗證機在法國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驗證機進(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。2015年5月，空客集團宣布將在法國西南部的波城建立第二代E-Fan全電動(dòng)飛機總裝線(xiàn)，首架E-Fan2.0飛機預計最早在2017年年底投入運營(yíng)。
此外，更大尺寸的4座電力飛機E-Fan4.0也已被空客列入了研發(fā)日程，預計在2019年投入使用。對于電動(dòng)飛機項目，空客的長(cháng)期計劃是生產(chǎn)電力支線(xiàn)飛機和電力直升機，最終的目標是生產(chǎn)出100座的電力支線(xiàn)飛機，預計2050年將實(shí)現這一宏偉目標。
與其他在研的電動(dòng)飛機一樣，E-Fan也面臨著(zhù)電池蓄電量的問(wèn)題。目前，由韓國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，對于機上高電荷負載的管理、能量的存儲也是混合電能飛機的設計難點(diǎn)。為此，空客正在進(jìn)一步研制更加穩定的鋰聚合物電池。
對于商用飛機來(lái)說(shuō)，電驅動(dòng)則顯得更為遙遠。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，目標是能夠讓汽車(chē)完成從阿布扎比直達法蘭克福這3000英里的路程，這個(gè)距離是目前其最大行駛距離的10倍。但對于一架單通道飛機來(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重量的一半。
太陽(yáng)能飛機的前景則更加黯淡。廣受關(guān)注的“陽(yáng)光動(dòng)力號”太陽(yáng)能飛機使用的太陽(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磅重的飛機以小于汽車(chē)的速度飛行。此外，目前“陽(yáng)光動(dòng)力號”的電池只有23%的有效性。即使未來(lái)電池的有效性能夠達到100%，并且重量可以忽略不計，但如果想要驅動(dòng)一架波音747飛機的話(huà)，也需要至少3個(gè)足球場(chǎng)大小的機翼才能實(shí)現。
因此，目前業(yè)內已經(jīng)達成共識，在2050年前，綠色航空的未來(lái)還是要靠不斷進(jìn)步的燃氣渦輪發(fā)動(dòng)機來(lái)實(shí)現。與傳統發(fā)動(dòng)機相結合的電推進(jìn)系統、全新的飛機/發(fā)動(dòng)機一體化設計、先進(jìn)材料的使用，仍將是未來(lái)發(fā)動(dòng)機制造商關(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年后服役的飛機環(huán)境和性能目標的概念，在NASA和歐盟系列研究計劃的資助下，波音、GE、空客、羅羅參與探索了分布式混合電推進(jìn)系統動(dòng)力解決方案。
對于未來(lái)寬體飛機，NASA探索了全復合材料、層流的N3-X概念飛機，其最突出的特點(diǎn)是采用了燃氣渦輪電力分布推進(jìn)系統。該系統將產(chǎn)生推進(jìn)力的裝置與產(chǎn)生動(dòng)力的裝置分開(kāi)，由兩臺安裝在翼尖的渦軸發(fā)動(dòng)機驅動(dòng)超導發(fā)電機產(chǎn)生電能，并驅動(dòng)15臺嵌入機身的超導電推進(jìn)器產(chǎn)生推力，最終實(shí)現比波音777-200LR飛機耗油率降低70%以上。
為了滿(mǎn)足歐盟“航跡2050”計劃中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，空客集團正在尋求開(kāi)發(fā)2030年服役的基于分布式混合電推進(jìn)系統的翼身融合飛機方案，并于2013年11月發(fā)布了與德國西門(mén)子公司和英國羅羅公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的基于分布式混合電推進(jìn)系統的100座級E-Airbus支線(xiàn)飛機。E-Airbus采用6臺電動(dòng)風(fēng)扇，每個(gè)機翼上沿展向分布3臺，并通過(guò)一個(gè)燃氣動(dòng)力單元（即渦扇發(fā)動(dòng)機連接到發(fā)電機，以產(chǎn)生電力）為6臺風(fēng)扇（產(chǎn)生推力）提供電力和為電能存儲裝置充電，推進(jìn)系統的等效涵道比預計將超過(guò)20。羅羅公司表示，分布式電推進(jìn)系統的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是能夠集成到機體結構上，優(yōu)化機體周?chē)牧鲌?chǎng)，同時(shí)減輕飛機的重量，降低阻力和噪聲水平。另外，當邊界層氣流被風(fēng)扇吸入并加速時(shí)，將減少飛機的尾跡，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。相比傳統發(fā)動(dòng)機，采用脈沖爆震燃燒的發(fā)動(dòng)機耗油率可降低22%?26%，發(fā)動(dòng)機單位推力可提高45%。GE公司表示，如果進(jìn)展順利，脈沖爆震發(fā)動(dòng)機和混合渦輪電力推進(jìn)系統最有可能在21世紀下半葉成為取代現有燃氣渦輪發(fā)動(dòng)機的候選動(dòng)力。
一體化設計
憑借齒輪傳動(dòng)技術(shù)，普惠在窄體客機市場(chǎng)重新贏(yíng)得了一席之地。而今，其創(chuàng )新性地提出了飛機／發(fā)動(dòng)機一體化設計，這個(gè)令業(yè)界稱(chēng)奇的新型發(fā)動(dòng)機結構布局是否會(huì )再次讓世界驚嘆呢？
普惠公司提出這一設想的源頭是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。這款飛機打破了傳統的“管狀機身＋機翼”的結構，發(fā)動(dòng)機被安裝在扁平化機身寬大尾部的上方。
這樣的設計能夠使飛機擁有高展弦比機翼，還能使發(fā)動(dòng)機利用流過(guò)機體表面的低速附面層，提高推進(jìn)效率。根據計劃，D8雙氣泡飛機以2035年左右投入使用的“N+3”代飛機為目標，燃油效率較現有窄體客機提高60%。
這一設想要成為現實(shí)還有不少難題。首先，發(fā)動(dòng)機與機體上表面距離過(guò)近,使得風(fēng)扇必須在吸入附面層時(shí)對流動(dòng)畸變有足夠的容忍裕度。此外，用于D8的發(fā)動(dòng)機涵道比至少要達到20，風(fēng)扇的尺寸將會(huì )很大，這勢必與D8所必須滿(mǎn)足的極低噪聲這一目標相矛盾。
由此，普惠公司產(chǎn)生了將核心機反向安裝的突破性想法�？諝馊匀煌ㄟ^(guò)風(fēng)扇進(jìn)入發(fā)動(dòng)機，但與之前直接進(jìn)入壓氣機不同，空氣通過(guò)外側通道到達核心機的后面，再從相反方向進(jìn)入。
這種布局與普惠加拿大公司的PT6發(fā)動(dòng)機類(lèi)似，空氣從后向前流經(jīng)發(fā)動(dòng)機，燃氣通過(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)相當短的軸。由于核心機并不與動(dòng)力部分相連，對于航空公司來(lái)說(shuō)，可以很方便地將核心機卸下進(jìn)行維修。
在這一方案中，由于核心機和推進(jìn)器不再有機械連接，設計者想出可以讓核心機彼此之間呈一定角度安裝的絕妙方式，其安裝角可以達到50°，核心機的出口也通過(guò)一個(gè)偏轉50°的管道再進(jìn)入動(dòng)力渦輪。通過(guò)這種方式，兩個(gè)核心機之間的角度就超過(guò)了90°，這在幾何結構上很容易實(shí)現。這也使發(fā)動(dòng)機能夠采用更大的涵道比，如果只是偏轉核心機氣流的話(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)一步確定構型，同時(shí)評估諸如空氣管道、使用陶瓷基復合材料等一系列問(wèn)題。如果這個(gè)項目能夠順利推進(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。
新材料新技術(shù)
在航空領(lǐng)域，新材料的大量應用已是大勢所趨，但相對于主制造商的激進(jìn)，一段時(shí)間內，發(fā)動(dòng)機制造商卻顯得略為保守。令人欣慰的是，這一現象正在慢慢改變。
在商用發(fā)動(dòng)機領(lǐng)域，借助于在機匣、風(fēng)扇葉片、涵道等部位引入輕質(zhì)的碳纖維樹(shù)脂基復合材料，CFM公司的LEAP發(fā)動(dòng)機涵道比上升到10。
為了應對新一代寬體機的發(fā)展需求，GE公司發(fā)展了GE9X發(fā)動(dòng)機核心機。這一核心機采用11級高壓壓氣機、第三代雙環(huán)預旋（TAPS）燃燒室和2級高壓渦輪，核心機增壓比達到27，是GE公司截至目前發(fā)展的增壓比最高的核心機。核心機增壓比的提高，使得GE9X發(fā)動(dòng)機總增壓比達到60以上，壓氣機后端和高壓渦輪進(jìn)口工作溫度已經(jīng)超出現有常規材料的承受范圍。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)機的燃油效率將比GE90-115B發(fā)動(dòng)機提升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，抗蠕變強度比鈦合金高許多。這些性能歸結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。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。
鈦鋁合金能夠實(shí)現發(fā)動(dòng)機組件減重，這為設計師開(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)的設計可以進(jìn)一步優(yōu)化。
在齒輪傳動(dòng)風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機中，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(cháng)期以來(lái)，使用常規、經(jīng)濟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)合一些機構共同進(jìn)行研發(fā)，試圖通過(guò)熱動(dòng)力計算以確定最佳的鍛造溫度范圍和金相組織。未來(lái)，鈦鋁合金的應用或將越來(lái)越廣泛。(文/彭靜宇)
