2022年，國際民航市場持續(xù)復蘇勢頭，民用航空發(fā)動機領(lǐng)域也延續(xù)了近年來的高速發(fā)展態(tài)勢。以美國開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機、齒輪傳動發(fā)動機、英國超扇發(fā)動機和俄羅斯PD-8發(fā)動機為代表的各國新型發(fā)動機按計劃推進研制，并取得重大進展。本年度圍繞民航運輸業(yè)加速碳減排，世界多國政府和企業(yè)完成了很多實際工作。針對短期內(nèi)減排，多型飛機使用100%可持續(xù)航空燃料完成首飛測試并通過技術(shù)創(chuàng)新加速燃料的商業(yè)化進程；針對中遠期，英國政府發(fā)布氫動力技術(shù)路線圖，多國企業(yè)圍繞氫渦輪、氫燃料電池和混合電推進系統(tǒng)開展大量研發(fā)與測試工作，民用航空發(fā)動機市場正在加速變革。

01

新型民用航空發(fā)動機研制穩(wěn)步推進

2022年，多款新型民用航空發(fā)動機研制取得重要進展。俄羅斯PD-8和PD-14發(fā)動機完成多項關(guān)鍵測試，正在開展相關(guān)試飛工作，英國超扇發(fā)動機首臺驗證機完成各系統(tǒng)組裝并開展地面測試。與此同時，普惠公司和CFM國際公司的下一代發(fā)動機也披露了更多細節(jié)，相關(guān)開發(fā)工作有序進行。

俄羅斯民機渦扇發(fā)動機開展多項關(guān)鍵測試

PD-14發(fā)動機是俄羅斯自主研制的第一型民用渦扇發(fā)動機，用來配裝俄國產(chǎn)MC-21客機。10月，俄羅斯第二架配裝PD-14發(fā)動機的MC-21原型機成功首飛，該機在完成另外兩次試飛后抵達莫斯科附近的茹科夫斯基進行試飛認證，最終與12月29日取得型號設計更改認證。隨著該發(fā)動機快速成熟和俄羅斯對國產(chǎn)替代需求的迅速提高，11月，俄羅斯國家技術(shù)集團開始提高PD-14發(fā)動機的生產(chǎn)和維修能力，計劃在土星發(fā)動機公司新建一座發(fā)動機生產(chǎn)大樓，主要負責低壓壓氣機部件生產(chǎn)組裝，以及高壓壓氣機靜子葉片的生產(chǎn)，到2030年達到每年160臺發(fā)動機產(chǎn)量。同時，土星發(fā)動機公司將大幅提升發(fā)動機維修保障能力，預計將維修能力提高到每年250臺。

PD-8發(fā)動機是俄羅斯為實現(xiàn)國產(chǎn)替代，配裝SSJ-New支線客機和別-200水陸兩棲飛機研發(fā)的8噸級渦扇發(fā)動機，沿用了部分PD-14發(fā)動機技術(shù)，預計列裝后的需求量為每年100臺。

2月，俄羅斯聯(lián)合發(fā)動機公司（UEC）為PD-8發(fā)動機開發(fā)了一套自動控制系統(tǒng)（ACS），可控制推力和燃油消耗量，計劃2023年完成鑒定并獲得許可后開始量產(chǎn)。該控制系統(tǒng)完全由國產(chǎn)材料和電子元件組裝而成。UEC于1月完成了該系統(tǒng)的微調(diào)和臺架測試，之后將集成到發(fā)動機上進行地面臺架測試。同月，UEC成功進行了PD-8發(fā)動機核心機的第一階段認證測試，試驗設施由中央航空發(fā)動機研究所提供，測試在中央航空發(fā)動機研究院的試驗臺進行，模擬了12千米高度上飛機發(fā)動機的典型工作條件，并確認了此前計算的壓氣機熱力學模型。 3月，UEC成功測試了PD-8發(fā)動機短艙。5月，UEC完成PD-8發(fā)動機首臺樣機的臺架測試。測試數(shù)據(jù)表明，樣機設計方案正確，運行參數(shù)滿足設計要求。此次測試分多階段進行，UEC首先完成了PD-8樣機自動控制系統(tǒng)調(diào)試，隨后采用低慢車平穩(wěn)啟動并多次運行PD-8樣機，記錄了從“慢車”到“全速”等各種模式的基本參數(shù)。在俄羅斯航空發(fā)動機開發(fā)流程中，首臺樣機臺架測試是最為重要的階段。整個階段使用了500個傳感器進行參數(shù)測量，以此評估發(fā)動機運行時零部件的熱狀態(tài)、耐久性和抗振性。此外，測試團隊還檢測了PD-8樣機的進排氣系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)和燃油供給系統(tǒng)。深入分析采集的各種數(shù)據(jù)，有利于準確評估主要部件、系統(tǒng)的可操作性。 12月，UEC在伊爾-76LL飛行試驗臺開展PD-8發(fā)動機飛行測試，測試將記錄發(fā)動機轉(zhuǎn)速、壓力、溫度等主要運行數(shù)據(jù)，以及其他能夠驗證結(jié)構(gòu)設計和發(fā)動機運行安全所需的參數(shù)。測試發(fā)動機替換一臺原有的D-30KP發(fā)動機，安裝在機翼下方。之后，PD-8發(fā)動機將配裝SSJ-New飛機開展飛行測試。

羅羅公司超扇發(fā)動機完成總裝并開始首臺地面測試

超扇發(fā)動機是英國羅羅公司開發(fā)的一種齒輪傳動渦扇發(fā)動機，采用全新核心機、多種新材料和可變槳距風扇，風扇直徑達3.56米，與第一代遄達發(fā)動機（遄達700等）相比，燃油效率可提高25%。

超扇發(fā)動機的一個重大創(chuàng)新點是動力齒輪箱（PGB）的使用。

3月，羅羅公司完成超扇發(fā)動機的動力齒輪箱測試并將其發(fā)往英國進行總裝。測試在德國達勒維茨工廠進行，軸承部分采用了丹麥測試系統(tǒng)研發(fā)公司專為超扇發(fā)動機開發(fā)的軸承試驗臺，該試驗臺采用了緊湊、靈活和模塊化的設計，能夠模擬極端操作和環(huán)境條件，可快速安裝待測部件、支持高精度測量和快速組裝，傳動轉(zhuǎn)速可達5000轉(zhuǎn)/分以上，扭矩水平可達1500?！っ滓陨?。針對軸承特定位置，該試驗臺可借助傳感器獲取多達350個測量數(shù)據(jù)，包括接近度、負載（通過液壓系統(tǒng)施加）、傾斜度和溫度等，其收集的大量高精度數(shù)據(jù)可用于后續(xù)分析，有助于加快開發(fā)過程，并為羅羅公司新型動力齒輪箱研發(fā)的多個階段提供連續(xù)測試。

4月，羅羅公司開始首臺超扇發(fā)動機驗證機UF001的總裝工作并已經(jīng)完成了其零部件系統(tǒng)的組裝工作。總裝工作分模塊進行，采用全新的吊架用以吊裝驗證機各模塊，包括動力齒輪箱、風扇、超大復合材料風扇機匣、中壓壓氣機、中壓渦輪、高壓壓氣機以及壓氣機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)接口等，安裝系統(tǒng)直接延伸到發(fā)動機的核心機，以便更好地將發(fā)動機集成到飛機上，同時發(fā)動機也更便于運輸和維護。

12月，UF001驗證機完成總裝，運往英國德比準備進行首次地面測試。地面測試計劃使用100%可持續(xù)航空燃料，在羅羅公司的80號試車臺進行。羅羅公司在UF001驗證機中安裝2800個傳感器用于此次測試，大部分用于熱量和葉片尖部數(shù)據(jù)的收集。同時開展測試的還有一臺位于德國的動力齒輪箱（編號DP211），該齒輪箱和集成到驗證機上的另一臺齒輪箱（編號DP214）測試時間稍微錯開，如果任何一臺在測試中發(fā)現(xiàn)問題，就讓另一臺重復此前測試過程，從而利用不同的測試系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)并解決問題。

普惠公司下一代齒輪傳動發(fā)動機披露技術(shù)細節(jié)

7月，普惠公司披露了下一代齒輪傳動渦扇（GTF）發(fā)動機技術(shù)細節(jié)，并計劃于2025年開展驗證機測試，2030年前投入市場。

下一代GTF發(fā)動機比現(xiàn)有發(fā)動機燃油效率至少提高10%，其技術(shù)路線主要包括：①增大風扇直徑以將涵道比提高至15；②采用效率更高的全動行星齒輪結(jié)構(gòu)以增大齒輪傳動比，最低達到4:1；③研究輕質(zhì)結(jié)構(gòu)技術(shù)，包括復合材料風扇葉片及風扇機匣，目前普惠公司GTF發(fā)動機采用的是鋁鈦材料風扇，下一代設計將基于三維編織復合材料。

當前，很多工作已經(jīng)在進行中。普惠公司的重點工作之一是降低風扇壓比，該項工作已經(jīng)在FAA“持續(xù)降低能耗、排放和噪聲”（CLEEN）項目的資助下完成了驗證。同時，普惠公司還在NASA的資助下，開展小型核心機項目的研究，重點是提高壓氣機的空氣動力學效率及密封性、提高渦輪的冷卻能力以及開展燃燒室改進工作。普惠公司還依靠在加利福尼亞州的研發(fā)中心開發(fā)新型高溫陶瓷基復合材料與涂層。

此外，普惠公司還與德國MTU公司合作研究水增強渦扇（WET）發(fā)動機，以應用在2035年下一代GTF發(fā)動機的改進型別上。該發(fā)動機細節(jié)于6月披露，核心是增加了一個冷凝器用來收集發(fā)動機廢氣中的水，增加了一個熱交換器將水蒸發(fā)成蒸汽，注入燃燒室以進一步提高效率并減少燃燒過程中的氮氧化物排放。

CFM國際公司開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機研發(fā)持續(xù)推進

2021年6月，CFM國際公司啟動了“可持續(xù)發(fā)動機革命創(chuàng)新”（RISE）項目，將進行一系列顛覆性技術(shù)的開發(fā)以推進其下一代航空發(fā)動機的研發(fā)，其核心是研究先進開式轉(zhuǎn)子架構(gòu)從而將燃料消耗和二氧化碳排放量均降低20%以上。

2022年5月，法國賽峰集團選擇美國ANSYS公司的仿真軟件承擔RISE項目的計算開發(fā)工作，主要是改進發(fā)動機開放式風扇的結(jié)構(gòu)設計并對發(fā)動機進行熱力學仿真。ANSYS公司的開發(fā)工具具有很高的精確度和求解速度，可大幅縮短開發(fā)時間，顯著精簡仿真工作流程。

7月，空客公司確認將和CFM國際公司開展合作，在2026年之后對開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機進行飛行測試。飛行測試將選擇空客A380飛行臺，主要實現(xiàn)以下目標：一是增強對發(fā)動機與飛機集成、空氣動力學性能和提高推進系統(tǒng)效率等方面的研究；二是驗證開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機的性能優(yōu)勢，如更高的燃油效率與碳減排能力；三是評估聲學模型，研究噪聲影響范圍；四是確保與100%可持續(xù)航空燃料兼容。在A380試飛前，CFM國際公司將進行發(fā)動機地面試驗，并在GE航空的飛行測試運營中心開展前期驗證工作。

02

航空氫動力技術(shù)研究熱度增加

2022年，隨著世界各國在零碳航空理念上的進一步達成共識，氫動力技術(shù)的發(fā)展在多方面提速。英國發(fā)布重磅報告，規(guī)劃了氫動力在近期至中遠期的發(fā)展路線。同時，世界多國在氫渦輪、氫燃料電池和氫基礎(chǔ)技術(shù)領(lǐng)域取得了多項突破性進展。

英國發(fā)布“零碳飛行”項目系列報告，聚焦氫動力技術(shù)發(fā)展路線

3月，英國航空航天技術(shù)研究所（ATI）在“零碳飛行”（FlyZero）項目研究成果中，得出了“采用綠色液態(tài)氫是大型商用飛機實現(xiàn)零碳排放的最有效途徑”的結(jié)論。

該成果給出了氫能航空可行性報告和13個技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展路線圖，包括氫燃料渦輪發(fā)動機及推進器、氫燃料電池、電推進系統(tǒng)、熱管理、低溫氫燃料系統(tǒng)和儲存、空氣動力學結(jié)構(gòu)等6項關(guān)鍵技術(shù)，以及飛機系統(tǒng)、機場/航線/空域、材料、全生命周期影響、可持續(xù)客艙設計、加速設計與驗證、制造等7項交叉技術(shù)。路線圖明確了2050年前各階段需要發(fā)展的技術(shù)內(nèi)容、技術(shù)指標及相關(guān)使能要素。

ATI報告給出的氫渦輪發(fā)動機關(guān)鍵技術(shù)指標發(fā)展

氫渦輪發(fā)動機受到世界主要航空發(fā)動機公司重點關(guān)注

2月，普惠公司獲得美國能源部（DoE）高級研究計劃局（ARPA-E）380萬美元資金，用于“氫蒸汽噴射間冷渦輪發(fā)動機”（HySIITE）項目，該項目將為商業(yè)航空開發(fā)新型、高效的氫渦輪推進技術(shù)，包括低溫液態(tài)氫與發(fā)動機燃料系統(tǒng)的集成技術(shù)、燃料噴射前預熱技術(shù)以及氮氧化物減排技術(shù)，計劃將氮氧化物的排放減少80%，并將下一代單通道客機的燃料消耗減少35%。項目將燃氫發(fā)動機與蒸汽注入-回收系統(tǒng)集成到一起，氫燃燒產(chǎn)生的水蒸氣被收集起來，并通過熱交換器形成冷凝水，一部分冷凝水蒸發(fā)，對進入燃燒室之前的氫燃料進行預熱，剩下的液態(tài)水進入蒸發(fā)器。蒸發(fā)后的水蒸氣分為兩部分，一部分進入燃燒室，另一部分進入低壓壓氣機和高壓壓氣機之間的間冷器。該技術(shù)可以最大程度實現(xiàn)焓平衡，減少氮氧化物排放并提高推力。

HySIITE項目發(fā)動機工作過程

該項目前兩年的研究將側(cè)重于綜合系統(tǒng)評估、概念部件設計和部件可行性測試，主要關(guān)注幾個關(guān)鍵的使能技術(shù)，并研究與氫燃燒和蒸汽注入相關(guān)的復雜氣體動力學和燃燒穩(wěn)定性問題，同時重點關(guān)注蒸發(fā)器、冷凝器等部件的設計與集成。

2月，CFM國際公司與空客公司簽署協(xié)議，聯(lián)合開發(fā)氫渦輪發(fā)動機技術(shù)，并進行地面和飛行測試。CFM國際公司負責改進GE公司“護照”渦扇發(fā)動機的燃燒室、燃料系統(tǒng)和控制系統(tǒng)以適合氫燃料燃燒。該發(fā)動機將安裝在飛行臺后部，以單獨對發(fā)動機的排放和凝結(jié)尾跡進行監(jiān)測，同時避免其他發(fā)動機的干擾?？湛凸矩撠煾倪MA380飛行臺，包括儲氫罐、燃料基礎(chǔ)設施和分配系統(tǒng)，并用高密度液態(tài)氫進行前期測試。該飛行臺將整個氫測試系統(tǒng)設置為飛機上的一個獨立區(qū)域，不與任何其他系統(tǒng)進行交互。 11月，羅羅公司聯(lián)合易捷航空公司成功進行了氫燃料AE2100發(fā)動機的首次測試，此次測試是現(xiàn)役航空發(fā)動機首次成功在低速下運行氫燃料，達到重要里程碑節(jié)點。此次測試是雙方H2ZERO計劃的一部分，該計劃初期將在英國使用氫燃料對AE2100渦槳發(fā)動機進行初步地面測試，后期將在美國使用氫燃料對龐巴迪“環(huán)球快車”5500和6500公務機的“珍珠”15渦扇發(fā)動機開展進一步地面測試與飛行測試，其目標是證明氫燃料可以在2035年左右為中小型飛機提供動力。

氫燃料電池在小型飛機上進行多項測試以提高技術(shù)成熟度

目前，氫燃料電池存在能量密度低、使用壽命短和單體輸出功率低等問題，未來一段時間的核心發(fā)展趨勢是以提升電池各部分的技術(shù)成熟度為主。

4月，德國H2Fly公司的四座HY4氫電飛機實現(xiàn)首次商業(yè)飛行，飛行距離123千米，飛行高度2204米。HY4飛機采用雙機身設計，在改裝為液氫推進之前，采用氣態(tài)氫燃料電池推進。在HY4基礎(chǔ)上，公司將與德意志飛機公司共同開發(fā)氫電動版本的道尼爾328支線渦槳飛機，該項目獲得了德國政府3250萬美元的資助，預計2025年首飛。

11月，新加坡H3動力公司在一架小型無人駕駛飛機上測試了分布式氫燃料電池推進技術(shù)。該飛機采用分布式推進系統(tǒng)，安裝在機翼下的模塊化短艙中，每個短艙包含儲氫裝置、燃料電池、電機和螺旋槳。短艙的尺寸和數(shù)量可擴展，以支持無人駕駛和有人駕駛的貨運和客運飛機的推進需求。該公司正在開發(fā)其下一代無人駕駛測試平臺，該平臺將具有六個獨立的推進短艙和快速加氫能力。

12月，美國ZeroAvia公司獲得英國民用航空管理局的飛行許可證，將于2023年首飛氫燃料電池原型機ZA600。該原型機針對道尼爾228飛機需求為原型，將后者機翼左側(cè)的TPE331發(fā)動機更換為600千瓦的氫電動力原型機，該原型機由英國政府的HyFlyer II項目資助開發(fā)，系統(tǒng)還包括氫燃料電池、冷卻系統(tǒng)、氣態(tài)氫儲罐以及備用電池，均安裝在后機身內(nèi)。

基礎(chǔ)領(lǐng)域的發(fā)展支撐航空氫動力向前推進

4月，德國宇航中心（DLR）成功開發(fā)出氫燃燒特種測量技術(shù)，并在高壓燃燒室試驗臺的真實環(huán)境中完成了測試。該技術(shù)核心是一種可以觀察到燃燒室內(nèi)部的光學探針，通過該探針，可以觀察到燃燒室內(nèi)的氫火焰結(jié)構(gòu)，從而為工業(yè)部門提供更多基礎(chǔ)信息，加快氫燃燒室的部件設計進程。

同月，日本多家研究機構(gòu)聯(lián)合開發(fā)出一系列氫氣液化所需的磁冷卻合金。該系列合金基于Er（Ho）Co2材料，通過添加不同類型和數(shù)量的3D過渡金屬元素，可生產(chǎn)出一系列化合物，能抵抗因反復施加磁場和溫度波動而引起的劣化。該系列合金可以組合使用，將氫氣從77K冷卻到20K，用于開發(fā)低成本、小尺寸的高性能磁制冷系統(tǒng)。 9月，歐洲在Overleaf項目下加速高性能液氫儲罐的開發(fā)工作，該項目由“歐洲地平線”計劃資助，參與者來自6個歐洲國家共10家企業(yè)。該液氫儲罐與現(xiàn)有原型機相比，將實現(xiàn)減重50%，其核心技術(shù)包括新型功能材料、高性能材料、隔熱材料和氫氣泄漏傳感器等。

同月，歐盟“潔凈天空2”計劃研制出一種新型氫燃燒室LEAF。該燃燒室以傳統(tǒng)燃氣輪機的燃燒室為基礎(chǔ)并進行重新設計，采用無焰氧化技術(shù)，借助高溫燃燒產(chǎn)物使空氣和燃料充分混合，顯著減少氮氧化物和煙塵的排放。項目團隊的初步測試顯示，LEAF燃燒室的NOx排放大幅減少，符合排放限制。接下來的實驗將進一步驗證燃燒室在大氣、實驗室條件下以及在更接近航空發(fā)動機實際運行條件下的氮氧化物減排性能。

編輯：黃飛

?