【行業(yè)動態(tài)】噴氣發(fā)動機(jī)的未來為何是無涵道設(shè)計

導(dǎo)讀：據(jù)createdigital網(wǎng)站3月19日報道，從開式風(fēng)扇設(shè)計到碳纖維復(fù)合材料風(fēng)扇葉片，一家企業(yè)正在重新構(gòu)想噴氣發(fā)動機(jī)。

CFM國際公司是通用電氣航空集團(tuán)與賽峰飛機(jī)發(fā)動機(jī)公司的合資企業(yè)，其可持續(xù)發(fā)動機(jī)革命性創(chuàng)新（RISE）項目是一款先進(jìn)技術(shù)驗證機(jī)，在推動下一代飛機(jī)發(fā)展的進(jìn)程中已取得多項突破。RISE將開式風(fēng)扇氣動設(shè)計與先進(jìn)材料、3D打印技術(shù)及燃料靈活性相結(jié)合，其創(chuàng)新的無涵道風(fēng)扇發(fā)動機(jī)設(shè)計有望實現(xiàn)更高效率，同時大幅降低排放。

該項目自2021年公布以來，全球2000名工程師與美國國家航空航天局（NASA）、美國能源部國家實驗室等合作伙伴網(wǎng)絡(luò)協(xié)同發(fā)力，使CFM有望在本十年內(nèi)完成地面與飛行測試。

通用電氣航空集團(tuán)CFM RISE項目執(zhí)行總監(jiān)亞歷克斯·辛普森向《create》雜志表示：“如果你真的想做出與眾不同的成果，就必須采用不同的做事方式。”

推進(jìn)效率

RISE項目的創(chuàng)新核心是其全新的開式風(fēng)扇架構(gòu)。這款新型噴氣發(fā)動機(jī)設(shè)計取消了傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)涵道。通過這種方式釋放葉片，可實現(xiàn)更大的風(fēng)扇尺寸并降低阻力，從而提升燃油效率、減少碳排放。

單就開式風(fēng)扇（或稱“槳扇”）概念而言，早已不算新穎。但通用電氣航空集團(tuán)與賽峰在20世紀(jì)80年代研發(fā)的無涵道試驗發(fā)動機(jī)，盡管驗證了該概念的燃油效率優(yōu)勢，卻存在體積龐大、重量沉重且噪音極高的問題。相比之下，這款單級開式風(fēng)扇發(fā)動機(jī)的涵道比有望達(dá)到當(dāng)前最先進(jìn)涵道式發(fā)動機(jī)的五倍以上，而后者的推進(jìn)效率已逼近極限。

辛普森表示：“回顧民用航空的發(fā)展歷程，我們一直在逐步增大風(fēng)扇尺寸以提升推進(jìn)效率。事實證明，保留涵道結(jié)構(gòu)的提升空間是有限的。當(dāng)通過增大風(fēng)扇尺寸獲得的效率收益，與涵道的重量和阻力相互抵消時，就達(dá)到了平衡點。想要更進(jìn)一步，就必須邁出重大一步——取消涵道。”

概念飛躍

在技術(shù)與計算能力重大進(jìn)步的助力下，RISE項目將開式風(fēng)扇置于航空重構(gòu)的核心位置。相比之下，上世紀(jì)的開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)宛如博物館藏品——而這一概念飛躍的實現(xiàn)，幾乎是通過簡化架構(gòu)這一有違直覺的方式達(dá)成的。

“我們上世紀(jì)80年代試飛的是對轉(zhuǎn)開式轉(zhuǎn)子，擁有兩排旋轉(zhuǎn)葉片，既沉重又復(fù)雜，”辛普森說，“由于設(shè)計能力大幅提升，我們可以從兩排旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇葉片簡化為一排葉片搭配固定式出口導(dǎo)向葉片。”

“如今我們在超級計算方面的設(shè)計能力，比以往提升了數(shù)個數(shù)量級。”——亞歷克斯·辛普森

開式風(fēng)扇的一大關(guān)鍵優(yōu)勢在于，主風(fēng)扇葉片后方的固定式導(dǎo)向葉片，可使這款無涵道且高效的風(fēng)扇，實現(xiàn)與當(dāng)前窄體機(jī)發(fā)動機(jī)及飛機(jī)相同的飛行速度。

“從諸多方面來看，這都是一次意義重大的進(jìn)步。”

先進(jìn)計算能力使CFM RISE團(tuán)隊能夠以極高精度分析氣動特性，打造出比前代產(chǎn)品氣動效率更高、噪音更低的風(fēng)扇。

“如今我們在超級計算方面的設(shè)計能力，以及設(shè)計工具的精度，比以往提升了數(shù)個數(shù)量級，”辛普森表示，“這讓我們能夠以前所未有的精細(xì)度探索物理機(jī)理。無論如何強(qiáng)調(diào)這一能力的飛躍都不為過。”

新一代材料

除超級計算技術(shù)外，通用電氣航空集團(tuán)自上世紀(jì)90年代前便開始取得的復(fù)合材料技術(shù)突破同樣至關(guān)重要。材料與制造領(lǐng)域的進(jìn)步有助于提升發(fā)動機(jī)性能、降低生產(chǎn)成本。

該風(fēng)扇未采用金屬材質(zhì)，而是配備碳纖維復(fù)合材料葉片，其重量更輕、強(qiáng)度更高、耐久性更強(qiáng)，優(yōu)于全金屬合金葉片。

“事實證明，超大尺寸風(fēng)扇必須實現(xiàn)輕量化，而復(fù)合材料風(fēng)扇葉片是依托該領(lǐng)域經(jīng)驗的關(guān)鍵。如今我們能夠打造出氣動與聲學(xué)設(shè)計更優(yōu)的開式風(fēng)扇發(fā)動機(jī)，搭配輕量化復(fù)合材料葉片，為這一架構(gòu)的成功奠定基礎(chǔ)。只有通用電氣航空集團(tuán)與CFM具備這一能力。”

除開式風(fēng)扇設(shè)計與碳纖維復(fù)合材料風(fēng)扇葉片外，RISE項目還在重新構(gòu)想發(fā)動機(jī)核心部件的材料。開式風(fēng)扇的緊湊型核心（容納壓縮與燃燒模塊）采用陶瓷基復(fù)合材料（CMCs）制造。該材料重量輕于鋼材，卻能承受極高溫度，是民用飛機(jī)發(fā)動機(jī)熱端部件的突破性材料。

“這種材料本身具備優(yōu)異的耐高溫性能，且重量輕于金屬，因此可用于合適的部件，實現(xiàn)減重并提升熱承載能力。如果能夠減少冷卻需求，發(fā)動機(jī)效率就會更高。”

此外，該核心正通過設(shè)計與測試，適配包括純可持續(xù)航空燃料在內(nèi)的新一代替代燃料。這種燃料與普通噴氣燃料化學(xué)成分相同，但源自可再生資源而非化石原料。

CFM還在持續(xù)推進(jìn)氫燃燒技術(shù)研發(fā)。RISE項目的另一重要方向是混合動力電氣化技術(shù)集成：通用電氣航空集團(tuán)目前正與NASA等合作伙伴研發(fā)混合動力系統(tǒng)，進(jìn)一步降低對液體燃料的依賴。

辛普森指出，復(fù)合材料風(fēng)扇、陶瓷基復(fù)合材料與替代燃料，體現(xiàn)了通用電氣航空集團(tuán)與賽峰歷經(jīng)多年研發(fā)開創(chuàng)的材料與制造技術(shù)進(jìn)步。

“這一案例彰顯了該行業(yè)的長遠(yuǎn)布局屬性。我們的技術(shù)研發(fā)跨越數(shù)十年。”

從實驗室到駕駛艙

RISE項目的核心目標(biāo)是，相比當(dāng)前最高效發(fā)動機(jī)降低20%以上的燃油消耗與二氧化碳排放，助力實現(xiàn)2050年凈零排放目標(biāo)。全球航空業(yè)目前碳排放約占全球總量的2%，隨著民用航空規(guī)模擴(kuò)張，這一比例有望進(jìn)一步上升。

“這一目標(biāo)極具雄心，在歷史上也是單代技術(shù)的重大跨越，”辛普森表示，“以往各代技術(shù)通常實現(xiàn)15%的提升，因此相比當(dāng)前最先進(jìn)發(fā)動機(jī)降低20%燃油消耗的目標(biāo)意義重大。”

對仿真的信賴

開式風(fēng)扇的革命性潛力能否成為航空業(yè)的現(xiàn)實？截至目前，超級計算仿真的精度與大量風(fēng)洞測試表明，開式風(fēng)扇技術(shù)的商業(yè)落地只是時間問題。

美國國家實驗室是這一進(jìn)程的關(guān)鍵合作伙伴。其超級計算能力改變了測試與仿真的模式，推動了開式風(fēng)扇設(shè)計與性能的提升。

“我們可以減少實驗中的迭代次數(shù)，比以往更早地信賴仿真結(jié)果。這讓我們能夠更快地邁出更大步伐，”辛普森說，“搭建實驗是一項極其復(fù)雜、勞動密集的工作，因此如果能在這些更復(fù)雜的領(lǐng)域信賴仿真，將節(jié)省大量時間。作為工程師，看到眾多技術(shù)按計劃成熟，令人倍感振奮。”

“目前我已沒有太多仍過度擔(dān)憂的重大風(fēng)險。我認(rèn)為我們已很好地掌控工程挑戰(zhàn)，也擁有實現(xiàn)目標(biāo)的正確架構(gòu)。”

原創(chuàng)文章，轉(zhuǎn)載請注明來自@兩機(jī)動力控制

（歡迎加小編微信號：gtc6000；QQ群：603094810；資料都存在QQ群文件夾中）

免責(zé)聲明：本公眾號所載內(nèi)容為本公眾號原創(chuàng)或網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載，轉(zhuǎn)載內(nèi)容版權(quán)歸原作者所有。如涉及作品內(nèi)容、版權(quán)或其他問題，請跟我們聯(lián)系！轉(zhuǎn)載內(nèi)容為作者個人觀點，并不代表本公眾號贊同其觀點和對其真實性負(fù)責(zé)。本公眾號擁有對此聲明的最終解釋