■ 王翔宇 劉金超 / 中國航發(fā)研究院

通過將開式轉(zhuǎn)子、混合電推進、緊湊型核心機與可持續(xù)航空燃料（SAF）、氫燃料相結(jié)合，GE公司努力打造特色鮮明、覆蓋全面的技術(shù)發(fā)展路線，為21世紀(jì)30年代中期開始服役的下一代航空發(fā)動機做準(zhǔn)備。

革命性技術(shù)和替代燃料將在航空業(yè)實現(xiàn)2050年零碳排放的征程中起到?jīng)Q定性作用。2022年7月，GE公司公布了開式轉(zhuǎn)子、混合電推進和緊湊型核心機等先進發(fā)動機架構(gòu)的工作進展，以及為增強SAF和氫燃料可用性所做的努力，描繪出公司百余年歷史上涉及的內(nèi)容最廣泛的技術(shù)發(fā)展路線圖。2023年3月，GE公司相關(guān)負(fù)責(zé)人在美國參議院商業(yè)、科學(xué)和運輸委員會組織的推動下一代航空技術(shù)發(fā)展聽證會上重申了對航空動力技術(shù)進步的理解，展示了近年來在定義和開發(fā)下一代航空發(fā)動機上采取的行動，希望能突破所謂的創(chuàng)新極限來引領(lǐng)整個行業(yè)的發(fā)展。

開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機

在20世紀(jì)80年代實現(xiàn)開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機GE36首飛之后，通過幾十年來對開式轉(zhuǎn)子架構(gòu)的不斷探索，GE公司認(rèn)為如今設(shè)計技術(shù)和材料技術(shù)的提升已經(jīng)能夠基本消除早期產(chǎn)品存在的質(zhì)量、尺寸及噪聲等問題。未來開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機不再像GE36那樣采用后置對轉(zhuǎn)風(fēng)扇結(jié)構(gòu)，可變間距的導(dǎo)流定子取代了第二級風(fēng)扇，不但增加了整體風(fēng)扇的壓比、降低了葉片的載荷，還使轉(zhuǎn)子系統(tǒng)大幅簡化，在質(zhì)量和可靠性上有更好的表現(xiàn)；借助現(xiàn)代化的碳纖維復(fù)合材料風(fēng)扇葉片設(shè)計制造方法，開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機在保持原有渦扇發(fā)動機巡航速度的同時噪聲較適航標(biāo)準(zhǔn)低10dB以上，風(fēng)扇直徑也將從接近5m縮小到4m以下，與當(dāng)今主流的短艙外徑相差無幾，具備安裝到現(xiàn)役窄體飛機上的潛力。

開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機飛行試驗（ 來源：空客公司 ）

2021年6月，GE公司和賽峰集團宣布依托CFM國際公司啟動可持續(xù)發(fā)動機革命性驗證（RISE）項目，以開式轉(zhuǎn)子為核心技術(shù)特征的下一代航空發(fā)動機較目前LEAP發(fā)動機的油耗和碳排放進一步降低20%以上。2022年7月，CFM國際公司和空客公司宣布聯(lián)合開展開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機的測試工作，地面測試在GE公司位于美國加州的測試中心進行，后續(xù)會轉(zhuǎn)移到法國圖盧茲的空客基地借助改裝后的A380開展飛行試驗，從而評估開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機的真實推進效率和飛發(fā)一體化后的氣動性能。GE公司認(rèn)為開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機那些曾經(jīng)困擾人們的問題都已經(jīng)找到了解決方案，相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品有望在2035年左右實現(xiàn)商業(yè)化運營。

GE公司對兆瓦級混合電推進系統(tǒng)進行測試

混合電推進系統(tǒng)

除了開式轉(zhuǎn)子架構(gòu)外，GE公司還準(zhǔn)備在RISE項目中通過混合電推進技術(shù)來進一步優(yōu)化發(fā)動機效率，提升飛機機載系統(tǒng)的電氣化水平。2021年9月，美國國家航空航天局（NASA）資助GE公司1.79億美元開展電氣化動力系統(tǒng)飛行驗證（EPFD）項目。通過與波音公司合作，GE公司將在2025年左右使用薩伯（Saab）340飛行平臺對由CT7-9B渦槳發(fā)動機、電池電源、發(fā)電機、電動機、逆變器和功率轉(zhuǎn)換器等組成的兆瓦級混合電推進系統(tǒng)進行地面和飛行測試，驗證為窄體飛機提供動力的可行性，并使之在擴展和改進后具備用于各種飛行平臺的潛力。而就在EPFD項目中標(biāo)之后，GE公司還從美國陸軍獲取了一份510萬美元的渦軸電氣化應(yīng)用項目（ARC-STEP）合同以加速兆瓦級混合電推進系統(tǒng)的研發(fā)。

2022年范堡羅航展期間，GE公司在NASA的電動飛機試驗平臺（NEAT）進行了全球首次兆瓦/千伏級混合電推進系統(tǒng)的高空模擬測試（對標(biāo)13700m飛行高度），初步展現(xiàn)了在低大氣密度和絕緣水平環(huán)境下大功率、高電壓混合電推進技術(shù)的成熟度。后續(xù)相關(guān)地面測試將對混合電推進系統(tǒng)各組件的電磁干擾和振動響應(yīng)進行安全性評估，重點關(guān)注抗沖擊和其他各種極端環(huán)境條件的耐受能力。2023年3月，西科斯基公司宣布將和GE公司聯(lián)合研制混合電動垂直起降無人機（HEX），最大起飛質(zhì)量超過3t、航程在800km以上，這無疑將為兆瓦級混合電推進系統(tǒng)提供更加廣闊的應(yīng)用場景和商業(yè)可能。

緊湊型核心機

作為NASA混合熱效率核心機（HyTEC）項目的合作伙伴，GE公司已獲得2000萬美元的合同用以開發(fā)小型高功率密度核心機，研究內(nèi)容包括用以提升熱效率的壓氣機、燃燒室和高壓渦輪技術(shù)以及功率提取技術(shù)等，計劃在2025年前完成地面測試。緊湊型核心機同樣是RISE項目中關(guān)鍵的一部分：一方面，縮小發(fā)動機的核心機可以加大涵道比，特別是對于開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機與現(xiàn)役飛機的配適具有重大意義；另一方面高達(dá)20%的發(fā)動機功率提取能力可與兆瓦級混合電推進系統(tǒng)深度集成，進一步改善燃油效率。

GE公司研發(fā)的CMC發(fā)動機部件

更小的核心機意味著更高的內(nèi)部溫度。陶瓷基復(fù)合材料（CMC）的密度只有常規(guī)合金的三分之一，但耐溫極限卻遠(yuǎn)超后者，大大減少了對冷卻氣流的需求，使發(fā)動機具有更高的能效和更好的耐用性。自1986年獲取第一個CMC專利以來，GE公司將之設(shè)定為未來航空技術(shù)發(fā)展的核心戰(zhàn)略方向，投入了超過10億美元和數(shù)百名技術(shù)專家對CMC開展技術(shù)攻關(guān)，構(gòu)建了全球第一個也是唯一一個一體化的CMC供應(yīng)鏈，相關(guān)產(chǎn)品已在公司的多型發(fā)動機上得到廣泛應(yīng)用，這可能也是GE公司實現(xiàn)HyTEC項目研究目標(biāo)的主要依托。

替代燃料：SAF和氫

2007年以來，GE公司一直在積極參與SAF的評估和認(rèn)證，與能源供應(yīng)商、航空運營商和監(jiān)管機構(gòu)通力合作為SAF的推廣應(yīng)用掃除障礙，支持的SAF飛行驗證活動創(chuàng)造了多個第一：2008年維珍大西洋航空公司配裝CF6發(fā)動機的波音747完成全球首次SAF商業(yè)測試飛行；2018年聯(lián)邦快遞公司配裝GE90發(fā)動機的波音777完成全球首次雙發(fā)100%SAF演示驗證；2021年美國聯(lián)合航空公司在波音737 MAX上配裝的一臺LEAP發(fā)動機使用100%SAF進行了全球首次載客飛行等。目前GE公司的所有航空發(fā)動機產(chǎn)品均可在不進行改動的情況下按照批準(zhǔn)的混合比例使用SAF。

GE公司在地面燃?xì)廨啓C應(yīng)用氫燃料上有著超過800萬h的運行經(jīng)驗。在此基礎(chǔ)上，2022年2月空客公司和CFM國際公司簽署協(xié)議合作進行氫渦輪動力系統(tǒng)研發(fā)驗證，為2035年氫動力航空器投入使用做準(zhǔn)備。CFM國際公司將負(fù)責(zé)改造“通行證”（Passport）發(fā)動機的燃燒室、燃料系統(tǒng)和控制系統(tǒng)使之能夠與液氫燃料相匹配，待地面測試完成后由空客公司集成到A380飛行試驗平臺對巡航階段的氫渦輪動力系統(tǒng)的性能和排放進行測試。空客公司認(rèn)為這是繼2020年提出ZEROe概念以來，為開創(chuàng)氫動力飛行新時代所邁出的最重要的一步。

GE公司相關(guān)SAF飛行測試活動

氫渦輪動力系統(tǒng)驗證機（ 來源：空客公司 ）

發(fā)展路線分析

如果用一句話來概括GE公司構(gòu)想的未來民用航空發(fā)動機，那就是“以開式轉(zhuǎn)子構(gòu)架為基礎(chǔ)，融合混合電推進和緊湊型核心機技術(shù)，能夠兼容SAF和氫燃料”。其中既有GE公司一貫堅持的較為獨特的技術(shù)導(dǎo)向（如開式轉(zhuǎn)子和CMC），也涉及當(dāng)前業(yè)界公認(rèn)的具有明顯減排前景的研究熱點領(lǐng)域（如電推進和氫動力），這些被打包整合起來形成了一攬子的RISE項目，2025年開始測試、2035年投入市場的時間節(jié)點能夠與未來LEAP發(fā)動機的更新?lián)Q代無縫銜接。不過，如此多元分散的業(yè)務(wù)布局也意味著RISE項目更多停留在對可能的各種新型動力技術(shù)的探索驗證階段，而不是像羅羅公司的“超扇”（UltraFan）項目那樣直接形成面向市場的單一型號產(chǎn)品。

發(fā)動機和飛機的匹配被視為航空工業(yè)中最為關(guān)鍵的設(shè)計決策，決定著未來三四十年產(chǎn)品的發(fā)展方向。有“超扇”發(fā)動機一波三折的選發(fā)教訓(xùn)在前，在缺乏明確飛機需求牽引的情況下貿(mào)然推動預(yù)研項目轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品存在巨大的經(jīng)營風(fēng)險，想獲取飛機制造商對開式轉(zhuǎn)子這條研發(fā)主線的認(rèn)可可能會比“超扇”發(fā)動機更不容易，很難想象空客公司和波音公司會為了開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機而對A320neo或737 MAX機體結(jié)構(gòu)進行大幅修改。雖然RISE項目中混合電推進和緊湊型核心機是與開式轉(zhuǎn)子構(gòu)架捆綁出現(xiàn)的，但GE公司同樣有著深厚的技術(shù)積累，二者也并不是開式轉(zhuǎn)子發(fā)展過程的附屬品、都具備獨立的技術(shù)路徑和應(yīng)用前景，這是GE公司避免單一路徑技術(shù)成功但市場失敗的均衡性決策體現(xiàn)。

與美國政府航空氣候行動計劃一致，GE公司給出了“到2050年實現(xiàn)航空零碳排放的最大機會在于SAF”的觀點，支持美國正在實施的可持續(xù)航空燃料大挑戰(zhàn)（SAF Grand Challenge）戰(zhàn)略，積極推進SAF相關(guān)測試鑒定工作?？紤]到SAF產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵在于提升產(chǎn)能、降低成本并增強可持續(xù)性，未來航空制造商與能源供應(yīng)商和航空運營商的通力合作尤為關(guān)鍵。針對其他零排放技術(shù)方向，不只是全電推進系統(tǒng)（含氫燃料電池）的優(yōu)先級被GE公司放在較后的位置，研發(fā)氫渦輪動力似乎也更多是在飛機制造商的主導(dǎo)下亦步亦趨開展的、更像是為“下下一代”航空動力的主方案做探索，用GE公司自己的話形容就是“這不是一件容易的事情，需要對推進系統(tǒng)進行重大改變才能燃燒液氫”。

過去的五十年里，GE公司與NASA、美國聯(lián)邦航空局（FAA）的合作改變了全球航空動力發(fā)展格局，這種政府和行業(yè)的伙伴關(guān)系是維持美國航空產(chǎn)業(yè)競爭力的源泉。GE公司在參議院聽證會證詞中特別強調(diào)了NASA和FAA在通過項目投資加速新技術(shù)研發(fā)方面發(fā)揮的不可替代的作用。無論是NASA發(fā)起的EPFD和HyTEC計劃，還是FAA主導(dǎo)的持續(xù)降低能耗、排放和噪聲（CLEEN）計劃，都會對GE公司下一代航空動力技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。GE公司認(rèn)為美國航空業(yè)正面臨著來自歐洲的激烈競爭（如在歐盟地平線計劃下建立的清潔航空伙伴關(guān)系）和來自中國的新挑戰(zhàn)（中國制造2025計劃），呼吁美國政府加大對航空技術(shù)的戰(zhàn)略性、結(jié)構(gòu)性投資，從而確保美國的國家安全和經(jīng)濟利益。

為跟上產(chǎn)品和技術(shù)發(fā)展的步伐，有必要破除那些老舊僵化的規(guī)章制度的制約，迅速更新法規(guī)、政策和指南以支持新產(chǎn)品、新技術(shù)在認(rèn)證和運營期間的持續(xù)適航性。這不僅能夠讓用戶更快體驗到航空業(yè)綠色變革的現(xiàn)實效益，也大大降低了航空市場參與者在綠色轉(zhuǎn)型中的運營風(fēng)險和經(jīng)濟壓力。GE公司表示將大力支持FAA在綠色航空產(chǎn)業(yè)認(rèn)證和監(jiān)管上的改革措施，實現(xiàn)航空制造商和航空運營商的利益深度融合互鎖，加快下一代航空動力的市場應(yīng)用進程。此外，綠色航空發(fā)展過程中伴隨的新型技術(shù)人才需求問題應(yīng)引起重視，GE公司正在發(fā)起專項職業(yè)準(zhǔn)備計劃，借助獎學(xué)金、學(xué)徒制、特色航空課程和其他產(chǎn)學(xué)研合作方式，提供充足的資源和合適的平臺以幫助培養(yǎng)更多的技術(shù)人才、創(chuàng)造更多的就業(yè)機會。

結(jié)束語

雖然航空業(yè)可持續(xù)發(fā)展的未來是如此的清晰，不過如何實現(xiàn)這一愿景，不同的市場參與者可能會給出不同的答案。從GE 公司下一代航空動力技術(shù)發(fā)展路線選擇來看，一是充分發(fā)揮前期開式轉(zhuǎn)子技術(shù)儲備優(yōu)勢，爭取在短時間內(nèi)形成高水平且特異化的產(chǎn)品競爭力；二是廣泛布局，有一定的傾向性而又不完全押注某一條技術(shù)路徑，注重飛機制造商的需求牽引，降低不可預(yù)知的研發(fā)和市場風(fēng)險；三是以SAF 為代表，將國家頂層戰(zhàn)略與企業(yè)發(fā)展方向盡可能融合起來，順應(yīng)全局發(fā)展趨勢爭取更大的市場機遇；四是以多種形式深化政府和行業(yè)間的合作，尋求更多的外部資金支持，推動新技術(shù)、新產(chǎn)品從研發(fā)到運營的全鏈條貫通。