王天正

2018年范堡羅航展期間，羅爾斯·羅伊斯通過官方渠道發(fā)布召集令，號召支持者前往樂高官方網(wǎng)站參與一項創(chuàng)意模型的投票，該創(chuàng)意是由一位樂高玩家搭建的羅羅“超扇”（Ultra Fan）發(fā)動機小比例模型。時至今年8月，網(wǎng)友對該模型的投票已經(jīng)達到了官方要求的1萬票，并進入了評審階段。如果官方在后續(xù)評審中通過了該創(chuàng)意，其將會在未來一到兩年內(nèi)以正式產(chǎn)品的形式上市銷售。

丹麥著名玩具制造商樂高十分重視其產(chǎn)品的寓教于樂功能，在此之前，樂高發(fā)行過多款與航空航天相關(guān)的玩具產(chǎn)品，其中較為經(jīng)典的當(dāng)屬美國航天飛機和前兩年上市的“土星五號”運載火箭，后者與羅羅“超扇”發(fā)動機一樣，也是在獲得了網(wǎng)友超過1萬票的支持后，由官方發(fā)行的正式產(chǎn)品。此外，比較經(jīng)典的航空航天產(chǎn)品還有獲得波音公司官方授權(quán)的787夢想客機。此次進入最終評審階段的羅羅“超扇”發(fā)動機，通過樂高積木精巧的搭建，具有較高的仿真效果，加之擁有羅羅公司官方的強力支持，相信這款航空發(fā)動機模型未來極有可能與大眾見面。

羅羅為什么如此支持其新一代“超扇”發(fā)動機呢？作為全球航空發(fā)動機的頂級制造商，羅羅以其遄達系列在世界航空發(fā)動機市場與通用電氣、普惠三足鼎立，為全球絕大多數(shù)民用客機提供動力來源。但隨著市場上對新一代中小型客機更新?lián)Q代的需求，飛機制造商空客和波音分別拿出了A320neo家族和B737MAX系列來回應(yīng)客戶，對新一代客機性能促進最大的就是油耗更低的發(fā)動機。不過，這些新一代窄體客機所選用的發(fā)動機被普惠公司的GTF系列和通用電氣的LEAP系列搶占了市場，絲毫沒有給英國的羅羅公司留下任何機會。雖然說羅羅的遄達系列發(fā)動機在大型機市場上具有廣泛的應(yīng)用，尤其是遄達XWB發(fā)動機——是空客A350家族飛機的唯一動力來源，但對中小型窄體客機發(fā)動機來說，羅羅顯然已經(jīng)丟掉了很大的市場。

幸運的是，在2017年，波音公司表示計劃推出一款介于窄體機和寬體機之間的新中型客機，以此填補其在757、767客機退役之后，在737和787飛機之間留下的空擋。波音曾表示，該款中型機預(yù)計將在2025年前后問世，屆時，飛機將需要一款18-23噸級推力的發(fā)動機。羅羅的“超扇”發(fā)動機也正是以此定位，希望能在未來5到7年內(nèi)，全新研制的“超扇”發(fā)動機能成為波音新中型飛機的動力來源。

機遇就在眼前

技術(shù)指標(biāo)方面，羅羅為“超扇”發(fā)動機設(shè)定的目標(biāo)是：涵道比達到15，總增壓比達到70，燃油消耗和排放與遄達700相比降低25%。為了實現(xiàn)這些目標(biāo)，羅羅采用的新技術(shù)新設(shè)計包括：全新的核心機構(gòu)架，旨在最大程度提高燃油效率，降低排放;CTi（碳-鈦）復(fù)合材料風(fēng)扇系統(tǒng)和復(fù)材機匣，以減輕重量;全新設(shè)計的陶瓷基復(fù)合材料，降低冷卻空氣使用量，提高耐熱組件效率等。

不過，如果只是單純使用新技術(shù)，而不對航空發(fā)動機的設(shè)計理念進行更新，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的剩余提升空間將會越來越小，提升發(fā)動機性能的成本也將以幾何級數(shù)增加。為此，羅羅公司為“超扇”發(fā)動機設(shè)計了動力齒輪箱，并將其表述成“超扇”發(fā)動機設(shè)計的重要組成部分。羅羅公司與利勃海爾宇航公司就動力齒輪箱進行合作，并成立了合資企業(yè)——航宇傳動技術(shù)公司，在此合作框架下，羅羅公司正在引領(lǐng)動力變速箱的設(shè)計、集成和試驗測試。

“超扇”發(fā)動機指標(biāo)之高，很難一步實現(xiàn)，為此羅羅將新一代發(fā)動機的發(fā)展之路分為兩步，第一步是以已有的遄達XWB為起點，開發(fā)并驗證Advance發(fā)動機。我們可以簡單的將Advance理解為“超扇”發(fā)動機的低配版或原始版，該型發(fā)動機將具有超過11的涵道比和超過60的壓縮比，油耗將比目前的遄達700降低20%。Advance同樣將采用CTi復(fù)合材料風(fēng)扇，試驗團隊已經(jīng)于2014年將該風(fēng)扇安裝在一臺遄達1000發(fā)動機上，并在747空中試車平臺上對風(fēng)扇系統(tǒng)進行了第一次空中飛行試驗。之后3年內(nèi)，羅羅又對風(fēng)扇、渦輪等系統(tǒng)進行了多次空中試驗，

動力齒輪箱是新發(fā)動機的核心部件。

第二步是在Advance核心機的基礎(chǔ)上，研發(fā)在可預(yù)見的未來具有顛覆性的“超扇”發(fā)動機。“超扇”發(fā)動機除了將使用上述先進核心機、新風(fēng)扇和渦輪系統(tǒng)、動力齒輪箱外，還將引入可變距風(fēng)扇技術(shù)、先進短艙等此前從未出現(xiàn)在渦輪風(fēng)扇發(fā)動機上的全新結(jié)構(gòu)設(shè)計。也只有這些全新的突破，羅羅“超扇”發(fā)動機才有可能實現(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)。

其中，動力齒輪箱概念無需多言，普惠公司的GTF“靜潔動力”發(fā)動機使用的就是這項技術(shù)，安裝在低壓渦輪軸和風(fēng)扇轉(zhuǎn)子之間的減速齒輪可以保證兩套系統(tǒng)都處于各自最高效的運轉(zhuǎn)區(qū)間，從而提升發(fā)動機的效率。

十分值得一提的是，“超扇”發(fā)動機將采用可變槳距風(fēng)扇系統(tǒng)，該系統(tǒng)此前僅在渦輪螺旋槳發(fā)動機上應(yīng)用，發(fā)動機控制系統(tǒng)可以在不改變轉(zhuǎn)速的情況下，通過調(diào)整風(fēng)扇葉片槳距，進而改變推力大小，飛機著陸減速時，風(fēng)扇葉片的攻角甚至可以變成負角度產(chǎn)生反向推力。羅羅將把該設(shè)計應(yīng)用在具有涵道的渦輪風(fēng)扇發(fā)動機上，如果成功，發(fā)動機將不再需要反推系統(tǒng)，整個發(fā)動機短艙的結(jié)構(gòu)和重量都將簡化和減輕。羅羅預(yù)計采用新風(fēng)扇系統(tǒng)的發(fā)動機將最多減輕340千克。

但是新技術(shù)帶來的挑戰(zhàn)也前所未有。傳統(tǒng)渦槳發(fā)動機的風(fēng)扇最多采用8槳葉，無外涵道可以確保槳距改變時，風(fēng)扇周圍的流場不會對葉片造成震顫或失速，但如果將風(fēng)扇放置在涵道內(nèi)，涵道對流場具有單向約束性，如果改變槳葉角度，極有可能在外涵道內(nèi)造成喘振和推力突變，因此風(fēng)扇翼型和強度設(shè)計此時就尤為重要。同時，風(fēng)扇變距需要一套安裝在轉(zhuǎn)子鼻錐內(nèi)部的機械結(jié)構(gòu)，變距的動力來源是通過獨立驅(qū)動？還是從動力齒輪箱引入？是一個需要工程師花費心思設(shè)計的地方。前者需要在風(fēng)扇鼻錐內(nèi)部安裝獨立的驅(qū)動系統(tǒng)，會占用寶貴的空間資源;后者動力齒輪箱原本就是一個極其復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)，再從該結(jié)構(gòu)尋求動力輸出，恐怕會增加整個齒輪箱系統(tǒng)的風(fēng)險。

“超扇”發(fā)動機的短艙是一種帶出口導(dǎo)向葉片支撐的懸臂短艙，名為先進短艙技術(shù)，可以簡單將其理解為，將現(xiàn)有發(fā)動機短艙的后二分之一部分去掉，以減輕發(fā)動機重量。這樣的設(shè)計得益于可變槳距風(fēng)扇，使現(xiàn)有的反推系統(tǒng)成為多余。新短艙設(shè)計同樣可以減小內(nèi)外涵道的排氣損失，同時可以有效降低噪音。

左側(cè)為Advance發(fā)動機結(jié)構(gòu)圖，右側(cè)為“超扇”發(fā)動機?！俺取憋L(fēng)扇根部采用可旋轉(zhuǎn)的變距結(jié)構(gòu)，外涵道短艙長度明顯縮短，渦輪尺寸與Advance相比也小了很多。

挑戰(zhàn)不容小覷

除了渦輪機運轉(zhuǎn)的基本原理外，羅羅的“超扇”發(fā)動機從內(nèi)到外都采用了全新的技術(shù)，想不提升發(fā)動機性能都難。然而在項目一切都在很順利的進行途中，一個尖銳且敏感的聲音吸引了人們的關(guān)注——“超扇”發(fā)動機涉及專利侵權(quán)。

去年5月，普惠公司總裁鮑勃·特勒杜語氣強硬的向媒體表示，未來如果羅羅的“超扇”發(fā)動機被選為波音新中型飛機的動力，羅羅公司可能會面臨普惠的專利訴訟。主要原因是“超扇”發(fā)動機使用的動力齒輪箱設(shè)計，可能侵犯了普惠的GTF發(fā)動機的齒輪傳動技術(shù)。

目前，普惠GTF發(fā)動機的減速箱采用的是行星齒輪系統(tǒng)，這是同軸反向減速齒輪中最簡單高效的設(shè)計，普惠公司對該設(shè)計在航空發(fā)動機上的應(yīng)用擁有專利。外界普遍認為，如果羅羅想要繞開專利壁壘，首先至少應(yīng)該在減速齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計上有所創(chuàng)新。

但令人感到意外的是，特勒杜表示說：“即使‘超扇發(fā)動機使用不同類型的齒輪箱，普惠仍可以發(fā)起專利訴訟。因為我認為無論是行星減速齒輪，或者是其他什么類型的結(jié)構(gòu)，都無關(guān)緊要。如果他們試圖向波音公司出售齒輪架構(gòu)的航空發(fā)動機，那么我們就可能會按照要求執(zhí)行我們的權(quán)利?！?/p>

看來普惠在研發(fā)GTF發(fā)動機之前，早已對“應(yīng)用在渦扇發(fā)動機轉(zhuǎn)子的齒輪減速系統(tǒng)”這個構(gòu)架性質(zhì)的概念申請了專利，也就是說，只要其他制造商在發(fā)動機的低壓轉(zhuǎn)子和風(fēng)扇之間使用齒輪減速技術(shù)，就可能造成專利侵權(quán)。

樂高玩家設(shè)計的羅羅“超扇”發(fā)動機展示模型，細節(jié)精巧甚至可以轉(zhuǎn)動，但不知道有沒有將最關(guān)鍵的動力齒輪箱結(jié)構(gòu)設(shè)計出來。

這無疑是羅羅“超扇”發(fā)動機在應(yīng)用環(huán)節(jié)上的一個巨大挑戰(zhàn)，羅羅公司未來會通過怎樣的手段，繞開？或是向普惠的專利妥協(xié)？我們無法確定，但也不是最重要的。羅羅此次最大的挑戰(zhàn)，其實來源于自身。

新技術(shù)——齒輪傳動，且不論專利問題，單從技術(shù)上分析，航空發(fā)動機推力越大，意味著齒輪箱受力越大，越容易出現(xiàn)故障。在齒輪傳動技術(shù)具有行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)地位的普惠公司，在把減速齒輪箱應(yīng)用于渦扇發(fā)動機之前，經(jīng)歷了幾十款渦槳發(fā)動機的研發(fā)與應(yīng)用，并且在上世紀(jì)90年代首次嘗試了在PW8000大型渦扇發(fā)動機使用減速齒輪，但PW8000最終以失敗告終。又經(jīng)過近20年的技術(shù)積累，終于在2010年代將齒輪傳動技術(shù)應(yīng)用在了窄體客機發(fā)動機上，至此普惠已經(jīng)花費了超過100億美元。

因此在齒輪傳動技術(shù)上，羅羅與利勃海爾宇航強強聯(lián)手。目前，羅羅已經(jīng)投入了約1億英鎊，用于建設(shè)基礎(chǔ)試驗臺和組織開展相關(guān)試驗。其實羅羅公司在大功率齒輪箱的應(yīng)用方面也擁有較多經(jīng)驗，時至2017年，已經(jīng)有4類產(chǎn)品使用這種齒輪箱（AE2100、T56、升力風(fēng)扇、Model 250），有上千臺發(fā)動機正在服役。利勃海爾宇航同樣在齒輪傳動、空氣管理系統(tǒng)和機械作動系統(tǒng)具有較高造詣。

新技術(shù)的應(yīng)用還有新材料渦輪系統(tǒng)，這也是一個關(guān)乎新發(fā)動機能否達到設(shè)計指標(biāo)的重要系統(tǒng)。羅羅公司為此啟動了一個名為高溫渦輪技術(shù)驗證機的新計劃，為Advance和“超扇”發(fā)動機提供先進渦輪試驗支持。該項目將在一臺遄達XWB-97發(fā)動機基礎(chǔ)上重點開展陶瓷基復(fù)合材料和其他先進高溫材料的研發(fā)，羅羅希望其最新研制的渦輪系統(tǒng)能夠超過1300開爾文的溫度，更高的溫度可以使燃料更加充分的燃燒，從而降低污染和提升燃油效率。

除了具體的大系統(tǒng)外，“超扇”發(fā)動機的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)也會進行全新設(shè)計，中壓壓氣機從目前遄達XWB的8級減少到4級，中壓渦輪從2級減少到1級，高壓轉(zhuǎn)子采用10級壓氣和2級渦輪。低壓壓氣機部分，羅羅尚未給出計劃采用的級數(shù)，但前端既然采用了減速齒輪，那么低壓渦輪級數(shù)或?qū)⒈痊F(xiàn)在普遍采用的5-6級更低，且減速齒輪也或?qū)惭b在低壓軸上，隨低壓轉(zhuǎn)子共同轉(zhuǎn)動。這樣的設(shè)計也可能會讓羅羅繞開普惠在定義齒輪傳動技術(shù)時的專利壁壘。

但細節(jié)改變越多，可能出現(xiàn)的問題就越大，眼下普惠GTF發(fā)動機就是一個典型的例子，雖然普惠已經(jīng)承諾將在今年對出現(xiàn)問題的GTF發(fā)動機完成維修升級，但因發(fā)動機問題導(dǎo)致飛機無法交付或交付之后無法運行，不少客戶將訂單投向了通用電氣的LEAP系列。然而導(dǎo)致GTF發(fā)動機故障的問題沒有一件來自其使用的最新技術(shù)——減速齒輪箱，而是來自那些原本看來并不應(yīng)該出現(xiàn)問題的、成熟的位置，例如GTF發(fā)動機此前遇到的刀鋒封嚴等問題。這也是羅羅“超扇”發(fā)動機在研發(fā)過程中尤其需要注意，以及未來極有可能面對的問題。

挑戰(zhàn)與機遇共存

羅羅“超扇”是一款集當(dāng)前航空動力所有頂尖技術(shù)于一身的新一代概念發(fā)動機，我們期待它能在不遠的未來以產(chǎn)品的身份吊裝在翼下，就像希望樂高能夠通過對“超扇”發(fā)動機模型的審核一樣。只不過真機的意義更大。因為普惠的齒輪傳動技術(shù)已經(jīng)在當(dāng)今航空發(fā)動機技術(shù)接近瓶頸的時候做出了突破性貢獻，而羅羅將在渦輪機原理的基礎(chǔ)上登峰造極。因為在目前的航空器動力設(shè)計領(lǐng)域，且不考慮研發(fā)難度，單是在技術(shù)層面，已經(jīng)沒有什么方法可以大幅度提高航空發(fā)動機的性能了。羅羅“超扇”發(fā)動機未來的誕生，或許將注解航空發(fā)動機一個時代的印記。

責(zé)任編輯：陳肖