■ 李明 / 中國航發(fā)研究院

2023年5月，英國羅羅公司在80號試車臺完成“超扇”（UltraFan）發(fā)動機技術驗證機的首次試車，且采用了100%可持續(xù)航空燃料（SAF） 。應用了超高涵道比（UHBR）技術的“超扇”發(fā)動機的效率較遄達XWB發(fā)動機提高10%，這標志著英國在改善航空發(fā)動機效率、環(huán)保性等方面向前邁進一大步。

過去30年，大涵道比渦扇發(fā)動機極大地降低了飛機對環(huán)境的影響。2022年4月，英國航空航天技術研究院（ATI）在其2022年技術戰(zhàn)略文件《零排放目標：通向2050的技術之路》確定了零碳排放飛機技術、超高效飛機技術和跨領域使能技術與基礎設施等3個重點技術領域[1]，為航空業(yè)確定實現(xiàn)2050凈零排放所需的技術開發(fā)和潛在應用時間提供指導。超高效飛機技術中動力領域明確就是UHBR發(fā)動機技術，提出推進其技術成熟度（TRL）在2025年達到6，確保為新一代民用飛機從2030年開始投入使用做好準備。此前，ATI還公布了UHBR發(fā)動機的發(fā)展路線圖[2]，介紹了相關技術和與之相關的應用對象，以及這些技術背后的驅動因素。

超高涵道比發(fā)動機發(fā)展需求

航空發(fā)動機一直是英國航空業(yè)乃至整個國家創(chuàng)新發(fā)展的重要推動力，其研發(fā)和制造約占該行業(yè)直接經濟活動產值的50%，且主要集中在寬體客機的大型大涵道比渦扇發(fā)動機。研制UHBR發(fā)動機是英國實現(xiàn)2050凈零碳排放的重要手段，更是其保持發(fā)動機以下幾方面技術優(yōu)勢的重要抓手。

羅羅公司“超扇”技術驗證機在80號試車臺完成首次試車

一是降低成本，減少浪費，提高生產制造效率，以更好地利用資源和技術；二是提高能源效率，通過新型的架構設計提高推進效率；三是保護環(huán)境，減少CO2、NOx、非揮發(fā)性顆粒物（nvPM）、可感知噪聲、材料使用與浪費；四是滿足使用需求與靈活性、有韌性且可高效維護的推進和動力系統(tǒng)；五是改善乘客體驗，降低艙內的感知噪聲；六是提高安全性，包括損傷容限、異物侵入包容、可預測性和質量保證等。

超高涵道比發(fā)動機環(huán)境目標

對于重點的環(huán)保需求，英國對UHBR發(fā)動機提出了CO2、NOx和噪聲等方面的量化階段性目標。

CO2方面，相比2000年基線，2025年排放降低20%，2035年降低25%；NOx方面，相比2000年基線，參考CAEP/6標準，2025年降低55%，2035年降低65%；感知噪聲方面，相比噪聲標準，參考遠程雙發(fā)飛機的平均值，2025年累計降低30有效感知噪聲分貝（EPNdB），2035年累計降低36EPNdB。

UHBR發(fā)動機技術路線圖

超高涵道比發(fā)動機技術路線圖

UHBR發(fā)動機采用復合材料、齒輪傳動風扇系統(tǒng)，可實現(xiàn)高推進效率、高氣動效率、低噪聲，利用超高效高溫高壓核心機和智能監(jiān)控系統(tǒng)，旨在到2030年實現(xiàn)10%以上的效率提升和CO2排放降低，以及2030年后從混電和變槳距風扇等技術中獲得更多收益。與此同時，需要克服輕質低噪聲齒輪傳動復合材料風扇、高效多級渦輪、貧油低排放燃燒室、高強度高溫材料等諸多技術挑戰(zhàn)。

超高涵道比發(fā)動機關鍵技術體系

ATI針對路線圖涉及的13類技術進行了關鍵技術分解，分別闡明各關鍵技術的使用對象及其發(fā)展的直接需求，即驅動因素。

輕質低速低噪聲復合材料風扇

航空業(yè)一直致力于減輕部件質量以降低燃油消耗，碳纖維復合材料是理想的風扇系統(tǒng)材料，可使每架飛機減輕700kg，相當于7名乘客及其行李的質量。更低成本的工藝和凈零制造是該技術成功應用的關鍵，見表1。

表1 輕質低速低噪聲復合材料風扇技術分解

高壓比高效率核心機

高壓比高效率核心機是實現(xiàn)高燃油效率、低排放和產品全生命周期成功的關鍵。所需的關鍵能力包括：先進合金和制造方法、高溫密封方法和傳感器，以及在役產品的新型維修和檢測技術，見表2。

表2 高壓比高效率核心機技術分解

貧油低NOx燃燒系統(tǒng)

UHBR發(fā)動機將采用先進的燃燒系統(tǒng)以減少排放和顆粒物的產生，同時使用未來的可持續(xù)航空燃料。新的流體控制機制將結合智能電驅和增材制造的流量裝置來優(yōu)化燃油輸送。有效的持續(xù)運行需要能克服惡劣環(huán)境的低成本傳感能力，以及改進的檢測和維修技術等，見表3。

表3 貧油低NOx燃燒系統(tǒng)技術分解

可持續(xù)航空燃料

生物燃料、合成燃料和氫燃料都被視為未來可持續(xù)航空燃料。生物燃料和合成燃料的主要挑戰(zhàn)分別是原料供應和成本，兩者都只需要對燃氣渦輪發(fā)動機進行很小程度的改變。氫燃料是實現(xiàn)零碳航空的另一條潛在途徑，其主要挑戰(zhàn)是配套基礎供應設施建設。將氫燃料引入UHBR發(fā)動機需要在熱力、燃料和燃燒系統(tǒng)方面采取技術措施。可持續(xù)航空燃料相關技術分解見表4。

表4 可持續(xù)航空燃料技術分解

高強高溫材料

UHBR發(fā)動機的減重、性能增強和工作溫度升高推動了對先進材料和制造工藝的需求。研發(fā)更高強度、更高溫度的復合材料和金屬、黏合連接技術，以及更廣泛地使用增材制造技術，可應用于各種核心件和外部件，見表5。

表5 高強高溫材料技術分解

低阻輕質短艙

大型UHBR發(fā)動機的短艙對推進系統(tǒng)性能有重大影響。航空發(fā)動機運行的環(huán)境惡劣，需要低空氣阻力、輕量化部件的短艙，并采用降噪、熱管理、防火安全和環(huán)境保護的技術，見表6。

表6 低阻輕質短艙技術分解

先進集成換熱器和熱管理系統(tǒng)

未來UHBR發(fā)動機架構要求冷卻滑油的熱管理系統(tǒng)的性能、尺寸、質量和成本得到進一步改善。氫燃料等可持續(xù)航空燃料的引入和一定程度的混電動力，將給熱管理系統(tǒng)帶來進一步的技術挑戰(zhàn)。一系列換熱器需要提高技術，新的微型系統(tǒng)需集成到發(fā)動機中，見表7。

表7 先進集成換熱器和熱管理系統(tǒng)技術分解

針對核心機優(yōu)化的下一代復合材料風扇系統(tǒng)

大量部件，甚至承重件采用更先進的復合材料制造方法、智能結構，進一步減輕風扇系統(tǒng)的質量，見表8。

表8 針對核心機優(yōu)化的下一代復合材料風扇系統(tǒng)技術分解

變槳距風扇系統(tǒng)

變槳距風扇可在發(fā)動機節(jié)流時調整風扇槳距，改善單位燃油消耗率（SFC），并可能省去對反推裝置的需求，應用的對象將是2030年以后的UHBR發(fā)動機。這一概念的使能要素包括作動器、控制和監(jiān)測技術、智能結構及模擬工具，見表9。

表9 變槳距風扇系統(tǒng)技術分解

可變面積風扇噴管系統(tǒng)

可變面積風扇噴管（VAFN）能夠調節(jié)風扇噴口面積以匹配發(fā)動機運行，并帶來降低燃油消耗和噪聲等收益，適用于2030年后的UHBR發(fā)動機，需要開發(fā)驅動、密封、監(jiān)控和智能結構等技術，見表10。

表10 可變面積風扇噴管系統(tǒng)技術分解

新型變熱力循環(huán)

復雜的工作循環(huán)，如換熱循環(huán)（級間冷卻和回熱）和末端循環(huán)（廢熱轉化為動力），可以在2035年后應用，進一步提高發(fā)動機的循環(huán)熱效率。短期內需要進行可行性研究，以引導技術開發(fā)和系統(tǒng)驗證，見表11。

表11 新型變熱力循環(huán)技術分解

動力系統(tǒng)的集成

為充分發(fā)揮大型UHBR發(fā)動機的性能優(yōu)勢，需要提高部件和系統(tǒng)的集成度，包括跨傳統(tǒng)組裝邊界的部件。先進架構將挑戰(zhàn)實體和功能接口，并充分利用完善的模擬、先進材料和新型制造和裝配技術，見表12。

表12 動力系統(tǒng)的集成技術分解

自適應控制系統(tǒng)

未來的控制系統(tǒng)需要靈活性，以適應來自飛機系統(tǒng)和部件的大量數(shù)據(jù)。在增強可靠性、提高效率和減輕質量等需求的推動下，智能傳感器、綜合健康管理和智能作動器控制等技術將促進新產品的開發(fā)，包括微型連接器、新型防冰方案、智能葉片和先進控制器，見表13。

表13 自適應控制系統(tǒng)技術分解

結束語

航空業(yè)對更安全、更安靜、更潔凈和更經濟飛行的需求不斷增長，超高涵道比發(fā)動機是滿足這些需求的主要可行方案之一，也是當前大推力民用航空發(fā)動機的重要發(fā)展方向。超高涵道比發(fā)動機涉及的關鍵技術廣泛，其研制不但能促進整個航空發(fā)動機行業(yè)的多種先進技術成熟，更能帶動整個發(fā)動機產業(yè)鏈的升級換代，能對航空業(yè)甚至國民經濟發(fā)展發(fā)揮較大的溢出效應。英國超高涵道比發(fā)動機的技術體系和路線圖對各國開展相關研究具有一定參考意義。