在此背景下，發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的燃氣渦輪發動機，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動機來實現。與傳統發動機相結合的電推進系統、全新的飛機/發動機一體化設計、先進材料的使用，仍將是未來發動機制造商關注的重點。

　　奪人眼球的創意

　　為了開發能夠滿足未來25?30年后服役的飛機環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。該系統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動機驅動超導發電機產生電能，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2030年服役的基于分布式混合電推進系統的翼身融合飛機方案，并于2013年11月發布了與德國西門子公司和英國羅羅公司聯合開發的基于分布式混合電推進系統的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（即渦扇發動機連接到發電機，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，分布式電推進系統的一個主要優點是能夠集成到機體結構上，優化機體周圍的流場，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動機。相比傳統發動機，采用脈沖爆震燃燒的發動機耗油率可降低22%?26%，發動機單位推力可提高45%。GE公司表示，如果進展順利，脈沖爆震發動機和混合渦輪電力推進系統最有可能在21世紀下半葉成為取代現有燃氣渦輪發動機的候選動力。

　　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，其創新性地提出了飛機／發動機一體化設計，這個令業界稱奇的新型發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）正在聯合研發的D8雙氣泡飛機。這款飛機打破了傳統的“管狀機身＋機翼”的結構，發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。空氣仍然通過風扇進入發動機，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發動機類似，空氣從后向前流經發動機，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，將有利于普惠研發下一代齒輪傳動渦扇發動機。

　　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發動機涵道比上升到10。

　　為了應對新一代寬體機的發展需求，GE公司發展了GE9X發動機核心機。這一核心機采用11級高壓壓氣機、第三代雙環預旋（TAPS）燃燒室和2級高壓渦輪，核心機增壓比達到27，是GE公司截至目前發展的增壓比最高的核心機。核心機增壓比的提高，使得GE9X發動機總增壓比達到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材料的承受范圍。因此，GE發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發動機的燃油效率將比GE90-115B發動機提升10％。

　　MTU公司近年來一直在思索如何激發鈦鋁基金屬間化合物用于航空發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化。

　　在齒輪傳動風扇發動機中，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、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正聯合一些機構共同進行研發，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)