在此背景下，發(fā)動機制造商與飛機制造商攜手，進行了諸如分布式混合電推進系統(tǒng)動力解決方案、電動飛機等新概念飛機的研究。同時，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一步提高也是各大發(fā)動機制造商正在如火如荼進行的工作。這些奪人眼球的新技術、新設計真的能顛覆現有的航空動力市場格局嗎？

　　未來在哪里

　　隨著人們環(huán)保意識的不斷增強，近年來電動飛機、太陽能飛機開始受到越來越多的關注。然而,它們真的能夠替代傳統(tǒng)的燃氣渦輪發(fā)動機，被廣泛用于商用飛機運營嗎？

　　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驗證機進行飛行表演，還展出了即將投入批生產的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全電動飛機總裝線，首架E-Fan2.0飛機預計最早在2017年年底投入運營。

　　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。對于電動飛機項目，空客的長期計劃是生產電力支線飛機和電力直升機，最終的目標是生產出100座的電力支線飛機，預計2050年將實現這一宏偉目標。

　　與其他在研的電動飛機一樣，E-Fan也面臨著電池蓄電量的問題。目前，由韓國KOKAM公司生產的250伏鋰聚合物電池僅能維持飛行半個小時。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。為此，空客正在進一步研制更加穩(wěn)定的鋰聚合物電池。

　　對于商用飛機來說，電驅動則顯得更為遙遠。舉一個簡單的例子，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，目標是能夠讓汽車完成從阿布扎比直達法蘭克福這3000英里的路程，這個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說，這些電量甚至不足以使其離開地面，而這塊電池的重量卻有可能要占去飛機重量的一半。

　　太陽能飛機的前景則更加黯淡。廣受關注的“陽光動力號”太陽能飛機使用的太陽能電池的大小約為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的速度飛行。此外，目前“陽光動力號”的電池只有23%的有效性。即使未來電池的有效性能夠達到100%，并且重量可以忽略不計，但如果想要驅動一架波音747飛機的話，也需要至少3個足球場大小的機翼才能實現。

　　因此，目前業(yè)內已經達成共識，在2050年前，綠色航空的未來還是要靠不斷進步的燃氣渦輪發(fā)動機來實現。與傳統(tǒng)發(fā)動機相結合的電推進系統(tǒng)、全新的飛機/發(fā)動機一體化設計、先進材料的使用，仍將是未來發(fā)動機制造商關注的重點。

　　奪人眼球的創(chuàng)意

　　為了開發(fā)能夠滿足未來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系統(tǒng)動力解決方案。

　　對于未來寬體飛機，NASA探索了全復合材料、層流的N3-X概念飛機，其最突出的特點是采用了燃氣渦輪電力分布推進系統(tǒng)。該系統(tǒng)將產生推進力的裝置與產生動力的裝置分開，由兩臺安裝在翼尖的渦軸發(fā)動機驅動超導發(fā)電機產生電能，并驅動15臺嵌入機身的超導電推進器產生推力，最終實現比波音777-200LR飛機耗油率降低70%以上。

　　為了滿足歐盟“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發(fā)2030年服役的基于分布式混合電推進系統(tǒng)的翼身融合飛機方案，并于2013年11月發(fā)布了與德國西門子公司和英國羅羅公司聯(lián)合開發(fā)的基于分布式混合電推進系統(tǒng)的100座級E-Airbus支線飛機。E-Airbus采用6臺電動風扇，每個機翼上沿展向分布3臺，并通過一個燃氣動力單元（即渦扇發(fā)動機連接到發(fā)電機，以產生電力）為6臺風扇（產生推力）提供電力和為電能存儲裝置充電，推進系統(tǒng)的等效涵道比預計將超過20。羅羅公司表示，分布式電推進系統(tǒng)的一個主要優(yōu)點是能夠集成到機體結構上，優(yōu)化機體周圍的流場，同時減輕飛機的重量，降低阻力和噪聲水平。另外，當邊界層氣流被風扇吸入并加速時，將減少飛機的尾跡，并帶來阻力的進一步降低。

　　此外，NASA和歐盟還進一步探索了面向未來的混合脈沖爆震發(fā)動機。相比傳統(tǒng)發(fā)動機，采用脈沖爆震燃燒的發(fā)動機耗油率可降低22%?26%，發(fā)動機單位推力可提高45%。GE公司表示，如果進展順利，脈沖爆震發(fā)動機和混合渦輪電力推進系統(tǒng)最有可能在21世紀下半葉成為取代現有燃氣渦輪發(fā)動機的候選動力。

　　一體化設計

　　憑借齒輪傳動技術，普惠在窄體客機市場重新贏得了一席之地。而今，其創(chuàng)新性地提出了飛機／發(fā)動機一體化設計，這個令業(yè)界稱奇的新型發(fā)動機結構布局是否會再次讓世界驚嘆呢？

　　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(tǒng)的“管狀機身＋機翼”的結構，發(fā)動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)動機利用流過機體表面的低速附面層，提高推進效率。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還有不少難題。首先，發(fā)動機與機體上表面距離過近,使得風扇必須在吸入附面層時對流動畸變有足夠的容忍裕度。此外，用于D8的發(fā)動機涵道比至少要達到20，風扇的尺寸將會很大，這勢必與D8所必須滿足的極低噪聲這一目標相矛盾。

　　由此，普惠公司產生了將核心機反向安裝的突破性想法�？諝馊匀煌ㄟ^風扇進入發(fā)動機，但與之前直接進入壓氣機不同，空氣通過外側通道到達核心機的后面，再從相反方向進入。

　　這種布局與普惠加拿大公司的PT6發(fā)動機類似，空氣從后向前流經發(fā)動機，燃氣通過動力（低壓）渦輪后向前排出，渦輪再通過一套齒輪系統(tǒng)連接到風扇。渦輪、齒輪箱和風扇的連接將通過一個相當短的軸。由于核心機并不與動力部分相連，對于航空公司來說，可以很方便地將核心機卸下進行維修。

　　在這一方案中，由于核心機和推進器不再有機械連接，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一個偏轉50°的管道再進入動力渦輪。通過這種方式，兩個核心機之間的角度就超過了90°，這在幾何結構上很容易實現。這也使發(fā)動機能夠采用更大的涵道比，如果只是偏轉核心機氣流的話，其流量不會太大，壓力損失也可以降低。

　　普惠公司希望能與NASA合作來進一步確定構型，同時評估諸如空氣管道、使用陶瓷基復合材料等一系列問題。如果這個項目能夠順利推進，將有利于普惠研發(fā)下一代齒輪傳動渦扇發(fā)動機。

　　新材料新技術

　　在航空領域，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，一段時間內，發(fā)動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)動機領域，借助于在機匣、風扇葉片、涵道等部位引入輕質的碳纖維樹脂基復合材料，CFM公司的LEAP發(fā)動機涵道比上升到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)動機總增壓比達到60以上，壓氣機后端和高壓渦輪進口工作溫度已經超出現有常規(guī)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冷卻技術。未來，GE9X發(fā)動機的燃油效率將比GE90-115B發(fā)動機提升10％。

　　MTU公司近年來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)動機市場的巨大潛力。在力學性能方面，這種材料與鎳合金幾乎相同，但其密度更低、熔點更高，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門開發(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。

　　鈦鋁合金能夠實現發(fā)動機組件減重，這為設計師開辟了新天地。以往，渦輪盤和軸上作用的離心力大，需要用較重的鎳合金制造，從而導致重量過大。使用了鈦鋁葉片后，離心力大大減小，渦輪盤的設計可以進一步優(yōu)化。

　　在齒輪傳動風扇發(fā)動機中，使用輕質材料的最大障礙是它們的成形和制造極為困難。長期以來，使用常規(guī)、經濟可承受的方法鍛造新材質渦輪葉片是不可能完成的任務。因此，MTU正聯(lián)合一些機構共同進行研發(fā)，試圖通過熱動力計算以確定最佳的鍛造溫度范圍和金相組織。未來，鈦鋁合金的應用或將越來越廣泛。(文/彭靜宇)