中国航发任重道远（下）_风闻

普拉特-惠特尼的法宝则是齿轮减速涡扇，现在已经应用于PW1000G系列，成为空客A320NEO、俄罗斯MC-21 、加拿大庞巴迪尔CS系列、巴西航空工业E2系列、日本三菱MRJ等新一代客机的首选。最早的涡扇是单转子的，不分高低压压气机，也只有一个涡轮组，风扇直接连接在大轴上，与压气机相同转速。由于风扇、高低压压缩的转速要求互相牵制，单转子涡扇很快发展成双转子，高低压压气机和涡轮分开，高压部分转速更高，低压部分转速较低，风扇连接在低压轴上，与低压压气机具有相同转速。双转子的热效率大大提高，但理想低压压气机的转速还是比理想风扇更高，这也与低压涡轮的有效转速有关，涡轮转速不能太低。风扇转速更低的话，容许直径更大，效率更高，但双转子难以做到。

罗尔斯-罗伊斯将双转子发展为三转子，在高低压之间增加了中压级，中压涡轮驱动低压压气机，低压涡轮驱动风扇，进一步提高热效率。但双转子的轴套轴已经很复杂了，三转子的机械结构更复杂，可靠性、重量的代价相当显著。而且低压涡轮的最低转速限制了风扇转速的进一步降低，使得三转子的效率打了折扣。通用电气和普拉特-惠特尼坚持双转子路线，深度优化，只有罗尔斯-罗伊斯采用三转子。罗尔斯-罗伊斯的三转子不仅用于民航发动机，也用于战斗机涡扇，如“狂风”的RB199。

三转子在实用中并没有体现出比高度优化的双转子更优秀和油耗和减噪，但风扇速度降低的好处是明摆着的。普拉特-惠特尼采用齿轮减速，用双转子的结构达到三转子的效果，甚至超过三转子的效果，因为在风扇转速较低的同时，低压涡轮可以保持较高转速，有利于涡轮的工作效率。这是民航发动机的一个飞跃。

齿轮减速的概念并不复杂，70年代的加莱特TFE731就采用了齿轮减速，由于噪声特别低，在公务机领域特别受欢迎。但高涵道比涡扇的推力主要来自风扇，因此对齿轮减速系统的要求特别高。行星齿轮的设计倒不是最大的问题，最大的问题在于滑油系统，要在离心力的作用下保证滑油的可靠三维流动、润滑和冷却，这是一个很有挑战的计算流体力学问题。普拉特-惠特尼首先在大推力高涵道比涡扇上采用齿轮减速，这有可能成为未来民航发动机的典型技术，罗尔斯-罗伊斯计划放弃招牌三转子技术，下一代Ultrafan系列上将采用齿轮减速。顺便提一句，普拉特-惠特尼的齿轮减速也是F-35B所用的升力风扇齿轮驱动的基本技术。

普拉特-惠特尼还在PW1000G上采用了主动叶尖间隙控制。压气机或涡轮叶片与机匣的间隙既不能太小，这样热胀冷缩不一致时急剧增加磨损，甚至摩擦升温导致起火，最坏可以导致叶片断裂；也不能太大，这样压缩到下游的高压空气会从间隙里回流，不仅漏气损失效率，还可能造成喘振。传统设计只有增加喘振裕度，承受一点效率损失，间隙按最坏情况设计。

主动间隙控制的好处很自然，可以按需要自动保持叶片与机匣的最小间隙，问题在怎么做到。主动控制本来已经处于严苛工况的叶片长度是不可思议的，但对相应位置的机匣进行冷却控制，可以反过来利用热胀冷缩导致的机匣收缩，主动控制机匣与叶尖的间隙，这正是普拉特-惠特尼的独门绝技。在起飞前地面滑行时，发动机尚未暖起来，主动间隙控制还可以用来主动增加间隙，减少叶尖磨损。

普拉特-惠特尼还用氮化硼加固涡轮叶尖，降低磨损，这是已知最高硬度的材料，比金刚钻还硬。这是材料技术，其他新材料还有碳纤维、铝蜂窝、钛合金或者不同新型材料的组合使用。即使传统的钢材也有新的应用，GEnx的风扇叶片用钢合金的镶边增加刚度和耐撞击强度，就是一个例子。

直升机用的涡轴发动机在原理上可以与涡扇共用核心发动机，但涡轴这样的自由涡轮发动机也有用于后置螺旋桨的，作用与常规涡桨相同，但螺旋桨为后置的推进式，而不是前置的拉进式。但拉进式螺旋桨使得气流加速通过机翼，具有增升作用，因此通用电气也在研究将高温燃气通过导管引向前置自由涡轮，驱动拉进式螺旋桨，只是这样做进排气路线比较复杂，导管损失也必须考虑。好处是这样的自由涡轮发动机可以与涡轴共用，大大简化了用户的后勤支援。普拉特-惠特尼（加拿大）的PT-6系列涡桨早就采用前置涡轮的特别构型了，并取得极大的成功。

在制造上，增材制造（也称3D打印）成为新的潮流，这对形状高度复杂的大型构件的制造有特别意义。现代航发对复杂精密制造的要求非常高，一体化制造的涡轮盘-叶片（也称blisk）就是一个例子。传统制造方法是涡轮盘和叶片分别制造，然后用榫接或者螺栓固定。螺栓影响局部气流，影响气流流动，螺栓断裂或者螺孔裂纹都可能带来灾难性的后果；榫接引起局部应力集中，更容易造成裂缝。Blisk浑然一体，没有这些问题，但不仅形状复杂，还要考虑中空叶片的空气通道和叶片表面的微孔，制造上的复杂不言而喻。

航发科研的高度发展还有溢出效应。航发与汽车发动机当然有本质的区别，但以四维（三维空间加时间）流动计算流体力学为基础的燃烧室设计技术、齿轮滑油系统设计技术对汽车行业具有指导意义，制造和材料技术的应用就更加直接了。

这些还只是涡扇的深度发展，现代航空发动机有向涡轮-电动混动发展的趋势。全电动汽车有电池重量的问题，全电动飞机的电池重量问题更大。但用涡轮发动机驱动发电机，用电动风扇或者螺旋桨产生推力，这在技术上的难度要小得多。看起来这是舍近求远，但实际不然。高涵道比风扇的推进效率高，但这是对发动机而言的，发动机吊舱周围的机翼上下局部气流现象限制了飞机-发动机系统的推进效率。理想的推行系统应该由大量小直径风扇或者螺旋桨组成，遍布整个机翼和机体后体，形成均匀的推力分布。翼尖的风扇或者螺旋桨的旋转方向还可以与翼尖涡流相反，主动对消翼尖涡流阻力，将其融化到推力中去。这样的分布式推近是当前研究的重点，但只有通过电动推近才能实现。

民航发动机是按照最大推力要求来确定的，而且要求在单发故障时，剩下的发动机依然能提供足够的继续起飞的推力。这对双发是尤其严苛的要求。如果与电池技术相结合，涡轮-电动还可以大大降低涡轮发动机的功率要求，只要满足巡航推力要求就够用了，电池成为起飞和加速时的助推能源。这样的混动系统有望大大降低巡航油耗。有意思的是，在汽车世界里，这已经成为现实，保时捷918就是在4.6升V8“普通”超跑发动机基础上，增加电动助力，达到顶级超跑的性能。如果完全用内燃机实现，就需要布加迪“威龙”那样的变态的8升W16发动机了，重量、油耗和成本都大大增加。

分布式的电动推进风扇和螺旋桨还可以用于机体表面附面层抽吸。附面层是空气粘性的结果，在机体表面形成呆滞的空气层，造成等效的机体截面积增加，增加了迎风阻力。机体越长，附面层从前向后的堆积越严重。用风扇或者螺旋桨主动抽吸附面层，尤其是后体附面层，使得呆滞的空气层流动起来，可以有效地降低附面层厚度，降低阻力。传统涡轮发动机并非不能用于附面层抽吸，但电动风扇或者螺旋桨在工程实施方面有太大的优越性。

在军用发动机方面，三涵道是最新趋势。三涵道在传统的内外涵道之外增加第三涵道，用于改变涵道比、辅佐进气道气流管理、提供机载系统冷却气流和降低喷气红外特征。变涵道比是战斗机发动机的理想境界，既有涡扇起飞推力大、亚音速巡航省油的优点，又有涡喷超音速加速和巡航省油、阻力小的优点。在活门、导流片的控制下，第三涵道可以按需要控制旁通流量，随时有效改变涵道比，达到变涵道比的目的。进气道截面积按照最大推力要求设计，但在高速巡航时，进气流量供过于求，大量进气只能通过活门向机外排放，造成浪费和阻力。第三涵道还能用于进气道多余流量的排放。机载系统冷却空气是隐身飞机的独特挑战，F-35用机内燃油作为冷源，但这限制了燃油量的最低值，否则系统过热当机对F-35这样高度软件化的战斗机是致命的，还有足够的剩余燃油也只能是能飞的行尸走肉。第三涵道的冷空气是自然的充足冷源，彻底解决了这一问题。第三涵道的排气混入尾喷气，降低红外特征，这也是现代战斗机很注重的。

三涵道对高亚音速飞行没有多少用处，对典型现代客机没有多少用处。但三涵道解决了超音速巡航的经济性问题之后，如果音爆问题也能得到解决，超音速民航时代有可能重来。NASA正在研究一系列新技术，对音爆造成的激波进行钝化，甚至用不同激波互相干涉对消，在降噪方面取得了长足的进展。音爆也与飞机重量、尺寸有关，超音速民航有可能在公务机或者小型客机上首先取得突破。另外，三涵道使得发动机在很大的速度范围内都能经济运行，海上超音速、陆上高亚音速是可能的过渡方案，这可使超音速民航时代提前归来。

超出传统的涡轮发动机的话，脉动爆轰发动机（简称PDE）有点像四冲程汽油机用作喷气发动机，当然没有活塞，排气直接产生推力。PDE的热效率高于涡轮发动机，也不需要变涵道比这样的复杂技术就可以适合更大的速度范围。另一种新概念发动机是超燃冲压，避免了传统冲压发动机只能把进气减速到亚音速才能工作带来的阻力，实现高超音速飞行。将涡轮发动机、亚燃冲压和超燃冲压组合起来的组合循环发动机（简称TBCC）更是代表了实用化高超音速飞行的未来。PDE、超燃冲压和TBCC还比较科幻，但追逐明天技术并非好高骛远，而是登上前沿的立脚点。

航空发动机技术正在阶跃式发展的时代，中国航空工业也正在起飞中，对新型航发的需求尤其迫切。航发集团从中航分离出来，有利于集中精力，以技术引导产品，走出可持续发展的路。产品引导技术在很多行业里是行之有效的做法，但这是在有很多现成基本技术可选的情况下才能做到的，否则就只有被动地不断针对性攻关，中国已经吃够了这种苦头。航发的很多主要技术都处于绝对前沿，只有存在才可供选择，新技术意味着新发展，技术引导才是正路。

技术是先进航发的关键，但不是全部。制造、管理、售后服务也极端重要，但这是另外一个话题了。中国航空要大发展，航发是心脏。中国要从制造大国向创造大国转型，航发这一环必不可少。中国航发任重道远。