【行業動態】噴氣發動機的未來為何是無涵道設計

導讀：據createdigital網站3月19日報道，從開式風扇設計到碳纖維復合材料風扇葉片，一家企業正在重新構想噴氣發動機。

CFM國際公司是通用電氣航空集團與賽峰飛機發動機公司的合資企業，其可持續發動機革命性創新（RISE）項目是一款先進技術驗證機，在推動下一代飛機發展的進程中已取得多項突破。RISE將開式風扇氣動設計與先進材料、3D打印技術及燃料靈活性相結合，其創新的無涵道風扇發動機設計有望實現更高效率，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絡協同發力，使CFM有望在本十年內完成地面與飛行測試。

通用電氣航空集團CFM RISE項目執行總監亞歷克斯·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。”

推進效率

RISE項目的創新核心是其全新的開式風扇架構。這款新型噴氣發動機設計取消了傳統的發動機涵道。通過這種方式釋放葉片，可實現更大的風扇尺寸并降低阻力，從而提升燃油效率、減少碳排放。

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

辛普森表示：“回顧民用航空的發展歷程，我們一直在逐步增大風扇尺寸以提升推進效率。事實證明，保留涵道結構的提升空間是有限的。當通過增大風扇尺寸獲得的效率收益，與涵道的重量和阻力相互抵消時，就達到了平衡點。想要更進一步，就必須邁出重大一步——取消涵道。”

概念飛躍

在技術與計算能力重大進步的助力下，RISE項目將開式風扇置于航空重構的核心位置。相比之下，上世紀的開式轉子發動機宛如博物館藏品——而這一概念飛躍的實現，幾乎是通過簡化架構這一有違直覺的方式達成的。

“我們上世紀80年代試飛的是對轉開式轉子，擁有兩排旋轉葉片，既沉重又復雜，”辛普森說，“由于設計能力大幅提升，我們可以從兩排旋轉風扇葉片簡化為一排葉片搭配固定式出口導向葉片。”

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

開式風扇的一大關鍵優勢在于，主風扇葉片后方的固定式導向葉片，可使這款無涵道且高效的風扇，實現與當前窄體機發動機及飛機相同的飛行速度。

“從諸多方面來看，這都是一次意義重大的進步。”

先進計算能力使CFM RISE團隊能夠以極高精度分析氣動特性，打造出比前代產品氣動效率更高、噪音更低的風扇。

“如今我們在超級計算方面的設計能力，以及設計工具的精度，比以往提升了數個數量級，”辛普森表示，“這讓我們能夠以前所未有的精細度探索物理機理。無論如何強調這一能力的飛躍都不為過。”

新一代材料

除超級計算技術外，通用電氣航空集團自上世紀90年代前便開始取得的復合材料技術突破同樣至關重要。材料與制造領域的進步有助于提升發動機性能、降低生產成本。

該風扇未采用金屬材質，而是配備碳纖維復合材料葉片，其重量更輕、強度更高、耐久性更強，優于全金屬合金葉片。

“事實證明，超大尺寸風扇必須實現輕量化，而復合材料風扇葉片是依托該領域經驗的關鍵。如今我們能夠打造出氣動與聲學設計更優的開式風扇發動機，搭配輕量化復合材料葉片，為這一架構的成功奠定基礎。只有通用電氣航空集團與CFM具備這一能力。”

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

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

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

CFM還在持續推進氫燃燒技術研發。RISE項目的另一重要方向是混合動力電氣化技術集成：通用電氣航空集團目前正與NASA等合作伙伴研發混合動力系統，進一步降低對液體燃料的依賴。

辛普森指出，復合材料風扇、陶瓷基復合材料與替代燃料，體現了通用電氣航空集團與賽峰歷經多年研發開創的材料與制造技術進步。

“這一案例彰顯了該行業的長遠布局屬性。我們的技術研發跨越數十年。”

從實驗室到駕駛艙

RISE項目的核心目標是，相比當前最高效發動機降低20%以上的燃油消耗與二氧化碳排放，助力實現2050年凈零排放目標。全球航空業目前碳排放約占全球總量的2%，隨著民用航空規模擴張，這一比例有望進一步上升。

“這一目標極具雄心，在歷史上也是單代技術的重大跨越，”辛普森表示，“以往各代技術通常實現15%的提升，因此相比當前最先進發動機降低20%燃油消耗的目標意義重大。”

對仿真的信賴

開式風扇的革命性潛力能否成為航空業的現實？截至目前，超級計算仿真的精度與大量風洞測試表明，開式風扇技術的商業落地只是時間問題。

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

“我們可以減少實驗中的迭代次數，比以往更早地信賴仿真結果。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雜、勞動密集的工作，因此如果能在這些更復雜的領域信賴仿真，將節省大量時間。作為工程師，看到眾多技術按計劃成熟，令人倍感振奮。”

“目前我已沒有太多仍過度擔憂的重大風險。我認為我們已很好地掌控工程挑戰，也擁有實現目標的正確架構。”

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