■ 何萍 王翔宇 / 中國航發(fā)研究院

通過可持續(xù)發(fā)動機革新技術(shù)（RISE）演示驗證計劃，賽峰集團和GE公司將合作為民機市場帶來一系列具有革命性的動力技術(shù)，使下一代干線飛機的燃油消耗和碳排放降低到一個前所未有的水平，共同塑造航空業(yè)低碳化發(fā)展的未來。

賽峰集團和GE公司于2021年6月在法國巴黎簽署協(xié)議，將雙方在CFM國際公司的平股合作關(guān)系延長至2050年，同時為秉承航空業(yè)到2050年碳排放減半的承諾、共同引領(lǐng)未來航空業(yè)可持續(xù)發(fā)展，兩家公司宣布依托CFM國際公司啟動可持續(xù)發(fā)動機革新技術(shù)（RISE）演示驗證計劃，旨在通過一系列全新的顛覆性技術(shù)來推動下一代窄體機動力系統(tǒng)的研發(fā)。與LEAP發(fā)動機相比其油耗和碳排放將降低20%以上，并能夠與可持續(xù)航空燃料（SAF）和氫燃料等替代能源100%兼容。為了達成這一宏偉目標，RISE計劃實施的關(guān)鍵就是采用開式風扇發(fā)動機架構(gòu)，結(jié)合混合電推進系統(tǒng)、緊湊型核心機以及先進復合材料等其他技術(shù)，在大幅提升動力系統(tǒng)效率的基礎上提供與當前干線機相同的飛行速度和環(huán)境體驗，實現(xiàn)更多飛機部件系統(tǒng)的電氣化。

跌宕起伏的開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機發(fā)展史

1973年和1979年的兩次中東戰(zhàn)爭誘發(fā)了全球性能源危機，原油價格暴漲，高效節(jié)能的新推進技術(shù)受到了航空發(fā)動機制造商和科研機構(gòu)的格外重視，開式轉(zhuǎn)子航空發(fā)動機概念也應運而生。它既可看作帶先進高速螺旋槳的渦槳發(fā)動機，又可看作除去外涵道的超高涵道比渦扇發(fā)動機，兼具渦槳發(fā)動機推進效率高、耗油率低和渦扇發(fā)動機飛行速度快的優(yōu)點。在美國國家航空航天局（NASA）先進渦輪螺旋槳計劃的支持下，GE公司設計完成了無涵道、無齒輪、逆向旋轉(zhuǎn)的推進式開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機GE36，斯奈克瑪公司（2016年更名為賽峰飛機發(fā)動機公司）也是其合作伙伴。GE36發(fā)動機有兩排反向旋轉(zhuǎn)的開式轉(zhuǎn)子風扇，前一級風扇直接連接在內(nèi)部的渦輪葉片上，后一級風扇則由連接在主軸上、位于渦輪和噴管之間的葉片驅(qū)動，而這也帶來了熱和負荷不平衡的問題。為此輕質(zhì)復合材料風扇葉片設計制造技術(shù)得以快速發(fā)展，并在后來GE90發(fā)動機上得到了應用。

CFM國際公司推出CFM RISE計劃

1985年的地面測試結(jié)果顯示，GE36發(fā)動機的燃油消耗較常規(guī)渦扇發(fā)動機下降了20%，航空業(yè)大幅節(jié)省燃料的迫切愿望似乎越來越接近現(xiàn)實。一年之后，GE公司借助一架波音727飛機對GE36發(fā)動機進行了飛行測試，在1988年的范堡羅航展上，配裝GE36發(fā)動機的MD-80飛機完成試飛時，NASA甚至認為“所有的指標都表明，到20世紀90年代民用飛機將廣泛采用全新的渦槳發(fā)動機”。令人遺憾的是，伴隨著后續(xù)原油價格意想不到的持續(xù)走低，航空業(yè)對于開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機的興趣開始急轉(zhuǎn)直下。在那個經(jīng)濟性至上的年代，一旦渡過了能源危機，整個市場對先進高效動力的需求很快就消失了。不僅如此，阻礙GE36發(fā)動機從試驗驗證走向真正商業(yè)化的技術(shù)問題也沒有被完全解決，其中最有代表性的一點就是噪聲。缺乏短艙遮蔽的外部對轉(zhuǎn)槳扇葉片會產(chǎn)生比渦扇發(fā)動機大得多的噪聲，且這種噪聲會比核心機的寬頻噪聲更讓乘客無法接受，同期也只有烏克蘭的D-27開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機應用到了對噪聲水平相對寬容的安-70軍用運輸機上。

1988年正在進行飛行測試的GE36開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機

安-70軍用運輸機上的D-27開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機

在 塵 封 了30年 之 后，2009—2012年GE公司聯(lián)合NASA和美國聯(lián)邦航空局（FAA）再次啟動了開式轉(zhuǎn)子風洞外流試驗，基于現(xiàn)代方法重新設計制造的葉片相對于20世紀80年代最佳設計的凈效率提高了3%，噪聲已能達到比適航標準要求還低10～13dB的水平。不僅如此，借鑒這幾十年來的降噪經(jīng)驗與成果，GE公司還測試了很多其他方法，如增加葉片數(shù)量、減少輪盤載荷、增加轉(zhuǎn)子之間和塔架與轉(zhuǎn)子之間的間距，以及去掉機尾轉(zhuǎn)子以減少葉尖渦的相互作用等。顯然，除了航空業(yè)低碳發(fā)展的迫切性驅(qū)動外，許多曾與當初開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機一同攻關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)在這段時間里通過其他項目渠道取得了重大的進展，這些技術(shù)正在使更高的效率、更少的排放和更低的噪聲的開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機逐漸成為現(xiàn)實。

幾乎就在同時，受歐盟“清潔天空”（Clean Sky）計劃的資助，賽峰集團啟動了為期8年的反向旋轉(zhuǎn)開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機（CROR）項目。在2013年的風洞試驗和2015年組裝驗證機之后，賽峰集團于2017年5—12月對SAGE 2樣機進行了超過70h的地面測試。該樣機基于M88發(fā)動機改造完成，三維編織碳纖維復合材料葉片呈前12個、后10個分布排列，能夠產(chǎn)生100kN的推力，基本與LEAP發(fā)動機保持一致，但測試產(chǎn)生的燃油消耗卻較LEAP發(fā)動機減少15%左右、噪聲也控制在國際民航組織（ICAO）附件16第14章限制范圍內(nèi)。賽峰集團對測試的結(jié)果非常滿意，并表示開式轉(zhuǎn)子是“迄今已知的唯一一種既具備兩位數(shù)的油耗降低潛力，又能滿足日益嚴苛噪聲適航標準的動力構(gòu)型”。2020年年底，賽峰集團透露將以CROR項目為基礎競標“清潔天空”的后繼計劃“清潔航空”（Clean Aviation），除了通過飛行試驗進一步證明開式轉(zhuǎn)子構(gòu)型的推進效率優(yōu)勢外，下一階段的工作重點還包括提高核心機的熱力學效率與進行混合電推進改造。

2017年賽峰集團對CROR樣機進行地面測試

RISE計劃的前景與挑戰(zhàn)

通過賽峰集團和GE公司幾十年來對開式轉(zhuǎn)子架構(gòu)不懈地探索努力，相關(guān)設計技術(shù)和材料技術(shù)的改進已經(jīng)能夠基本消除早期產(chǎn)品存在的尺寸、質(zhì)量以及噪聲等問題。預計RISE計劃下的開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機外部風扇直徑會進一步減小到365～398cm，推力將維持在133kN，并具備向?qū)掦w機動力擴展的可能性。不同于CROR和GE36的“推進式”構(gòu)型，前置葉片的“牽引式”布局方案很可能會被采用，能夠在幾乎不改變機體構(gòu)架的前提下為窄體機提供動力。此外，發(fā)動機自身整體架構(gòu)也會得到簡化，反向旋轉(zhuǎn)的第二級風扇被取消，具有可變槳距的碳纖維風扇葉片后面就是一排靜態(tài)導流葉片，這種設計可在減少轉(zhuǎn)子負荷的同時增加整個風扇的壓比，從而可以進一步提升飛行速度。CFM國際公司目前并未公開核心機各部件的具體技術(shù)細節(jié)，只表示屆時渦輪前溫度和壓比必將超過LEAP發(fā)動機，并將更為廣泛地使用陶瓷基復合材料（CMC）和增材制造技術(shù)來生產(chǎn)新型零件，例如具有內(nèi)部通路的定子葉片以提供更好的冷卻性能。

需要特別說明的是，CFM國際公司RISE計劃的初衷只是用來促進未來新型動力技術(shù)的成熟與發(fā)展，并不會借此機會推出全新的民用航空發(fā)動機產(chǎn)品。蒂爾（Teal）咨詢公司更是認為，雖然RISE計劃對開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機表現(xiàn)出了極大的信心與熱情，但還不能將其等同于GE公司和賽峰集團未來將會走開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機發(fā)展路線的承諾，它可能只是把若干潛在的技術(shù)發(fā)展方向融合了起來，看看哪些才是真正的出路。事實上，GE公司在2020年9月首次闡述其新技術(shù)演示計劃構(gòu)想時，開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機、提升渦輪前溫度和壓比，以及混合電推進系統(tǒng)就被并稱為實現(xiàn)20%動力效率提升的3個主要“技術(shù)籃子”，可以預見在RISE計劃的實施過程中后二者顯然不會缺席。未來的開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機一方面會集成多個先進發(fā)電機組并根據(jù)飛行狀態(tài)的需求進行功率提取、為飛機實現(xiàn)燃油動力和電動力之間的轉(zhuǎn)換提供切口，另一方面也會兼容航空煤油、生物燃油等多種燃料，甚至在某些時候直接燃燒氫氣，CFM國際公司宣稱20%的效率提升足可以抵消液氫燃料罐所帶來的額外飛行質(zhì)量。

不過在RISE計劃公布后，波音公司和空客公司都拒絕就此發(fā)表官方的評論或聲明。從公開的報道看，波音公司首席執(zhí)行官大衛(wèi)·卡爾霍恩對在10年左右的時間里通過下一代動力系統(tǒng)立即實現(xiàn)15%～20%的效率提升表示悲觀，空客公司也似乎更傾向于賽峰集團的超高涵道比發(fā)動機（UHBR）演示驗證項目，該發(fā)動機涵道比約為15∶1，仍為帶短艙的傳統(tǒng)動力結(jié)構(gòu)，雖然其燃油消耗較LEAP發(fā)動機僅下降5%～10%，但總體技術(shù)較為成熟，預計到2025年就可以投入商業(yè)運營且不需要對發(fā)動機安裝進行太多的調(diào)整，事實上除了噪聲問題外，影響開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機適航取證的另一個關(guān)鍵難點就是安全性。由于缺乏短艙和密封環(huán)的包容，一旦風扇葉片發(fā)生故障可能會對飛機機體產(chǎn)生嚴重破壞，也正是這種顧慮的存在，盡管當時賽峰集團認為復合材料葉片并不存在像金屬那樣疲勞失效的風險，空客公司還是擱置了原定于2017年年底利用A340飛機對CROR樣機進行飛行測試的計劃。而如果在機體加裝防護層，飛機起飛質(zhì)量無疑會大幅增加，這也是飛機制造商萬萬不愿意接受的。

RISE計劃下開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機與飛機集成概念(來源：CFM國際公司)

開式轉(zhuǎn)子與齒輪傳動的路線選擇

除了飛機制造商，CFM國際公司在窄體機動力領(lǐng)域的競爭對手普惠公司對RISE計劃的反應也引起了業(yè)界的關(guān)注，要知道，20世紀80年代GE公司在開發(fā)GE36發(fā)動機的同時，普惠公司和艾利遜公司也聯(lián)合研制了578DX開式轉(zhuǎn)子演示樣機，并順利完成了地面和飛行驗證試驗。然而時殊事異，普惠公司在齒輪傳動渦扇（GTF）發(fā)動機研發(fā)上的空前成功似乎沒有理由使其再回到開式轉(zhuǎn)子這條老路。2020年10月，普惠公司宣布即將啟動第二代GTF發(fā)動機的研發(fā)，在通過齒輪傳動系統(tǒng)提升推進效率的基礎上未來可能會重點針對發(fā)動機的熱效率開展工作，而這一塊也是CFM國際公司的傳統(tǒng)優(yōu)勢領(lǐng)域。普惠公司正在加速應用能夠承受1320℃的超高溫陶瓷基復合材料，并嘗試利用增材制造技術(shù)生產(chǎn)熱交換器和燃油泵等高溫鎳基合金組件。普惠公司還將與NASA合作建造涵道比高達18∶1的GTF樣機（PW1000系列的涵道比為12∶1），探索進一步提升GTF構(gòu)架效率的方法以及對100%SAF和液氫燃料的兼容性。雖然目前民用飛機已經(jīng)可以使用最高50%SAF組成的混合燃料，普惠公司還是希望能盡快完全放開SAF的使用限制，這樣有望減少80%的航空碳排放。

一個有意思的事實是，雖然CFM國際公司在公開的RISE計劃中對是否采用齒輪傳動系統(tǒng)只字不提，不過之前賽峰集團的CROR項目實際上就是在研發(fā)齒輪傳動開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機，GE公司旗下的意大利Avio公司則負責其中齒輪箱的設計制造工作，要知道當年普惠公司在578-DX的低壓渦輪和風扇葉片之間就加入了一個13：1的減速箱，這也是其與直接驅(qū)動的GE36的最大不同。很快在后續(xù)的媒體報道中，CFM國際公司還是承認了RISE驗證機的前級旋轉(zhuǎn)葉片將由高壓壓氣機和高速低壓軸驅(qū)動的前齒輪箱提供動力。NASA格倫研究中心在2010年曾預測，單考慮推進技術(shù)的進步，與基準發(fā)動機CFM56-7B相比，2030年服役的齒輪傳動開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機和GTF發(fā)動機的單位耗油率將分別改善38%和24%，典型任務總耗油量分別降低44%和28%，將齒輪傳動和開式轉(zhuǎn)子這兩種革新技術(shù)結(jié)合起來所產(chǎn)生的巨大增益可見一斑。也許關(guān)于開式轉(zhuǎn)子和齒輪傳動這兩種發(fā)展路線的爭論最終還需要市場來檢驗，但無論是CFM國際公司還是普惠公司，它們似乎都在積極學習借鑒對方的成功經(jīng)驗來不斷改進自身的技術(shù)和產(chǎn)品，這也意味著可能越到最后越會殊途同歸，對于混合電推進系統(tǒng)和SAF的支持就是一個很好的證明。

結(jié)束語

根據(jù)CFM國際公司的計劃，預計在2025年左右完成RISE驗證機的地面測試與飛行測試，到2035年前實現(xiàn)市場商業(yè)化運營，這與波音公司和空客公司推出下一代窄體飛機的時間表高度一致。經(jīng)過過去幾十年的努力，CFM國際公司相信開式轉(zhuǎn)子構(gòu)架那些曾經(jīng)困擾人們的問題都已經(jīng)找到了解決方案，也許就在不遠的未來，開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機將會實現(xiàn)航空史上最大的飛行效率提升，并達到令人滿意的噪聲和安全水平。