作者：hai水火焰
2020年6月14日，通用電氣（GE）和賽峰共同宣布啟動(dòng)RISE項(xiàng)目（Revolutionary Innovation for Sustainable Engines，可持續(xù)發(fā)動(dòng)機(jī)革命性創(chuàng)新），并展示了新的開(kāi)式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)（Open Rotor Engine）原型機(jī)，使得開(kāi)式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)再次進(jìn)入人們的視野。事實(shí)上，開(kāi)式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)并非新興概念，早在上世紀(jì)70年代，美國(guó)Hamilton Standard公司就在其1976年申請(qǐng)的專利“Multi-bladed, high speed prop-fan”中提出了Propfan的概念。它有一系列的名稱：槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)（Propfan）、無(wú)涵道風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)（Unducted Fan Engine，UDF），鑒于其巨大節(jié)油潛力與槳葉外圍無(wú)罩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，近年來(lái)國(guó)際上通稱其為“開(kāi)式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)”。自開(kāi)式轉(zhuǎn)子概念誕生以來(lái)，已經(jīng)走過(guò)了幾十個(gè)年頭。
一、什么是開(kāi)式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)
開(kāi)式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)本質(zhì)上是一臺(tái)渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)動(dòng)力渦輪輸出軸功率驅(qū)動(dòng)安裝在機(jī)艙外的螺旋槳/風(fēng)扇，亦即它是介于傳統(tǒng)渦槳和渦扇之間的一種槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)，既可以將它看作是具有先進(jìn)高速螺旋槳的渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)，又可以將它看作沒(méi)有外涵道的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，因此其兼具渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性及渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的速度與性能。
開(kāi)式轉(zhuǎn)子具有如下優(yōu)勢(shì)：
（1）相對(duì)于同等推力的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，開(kāi)式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)具有較低的燃油消耗和二氧化碳排放量；
（2）開(kāi)式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)由于沒(méi)有外涵道機(jī)匣的限制，可以通過(guò)螺旋槳葉片的直徑實(shí)現(xiàn)超高涵道比，從而實(shí)現(xiàn)更高的推進(jìn)效率；
（3）使用后排螺旋槳抵消前排螺旋槳產(chǎn)生的渦流，從而產(chǎn)生更直接的推力，可以進(jìn)一步提高開(kāi)式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)效率。
二、GE UDF項(xiàng)目
在美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的推動(dòng)下，GE于上世紀(jì)80年代開(kāi)始對(duì)開(kāi)式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行研究，其研究推動(dòng)了開(kāi)式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)概念的發(fā)展。
（一）GE 36 UDF發(fā)動(dòng)機(jī)
（1）GE 36 UDF發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
GE聯(lián)合當(dāng)時(shí)的法國(guó)斯奈克瑪（負(fù)責(zé)高壓壓氣機(jī)和燃燒室的設(shè)計(jì)）公司對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的中等推力F404軍用發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，開(kāi)發(fā)出一種無(wú)涵道風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)概念驗(yàn)證機(jī)GE 36，如圖所示。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：（1）采用先進(jìn)的彎刀形“螺旋槳”葉片，直徑約6英尺（1.8288米）；（2）采用反向旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇。前級(jí)風(fēng)扇由安裝在外殼內(nèi)側(cè)的渦輪葉片驅(qū)動(dòng)，而后級(jí)風(fēng)扇由安裝在軸上的葉片驅(qū)動(dòng)。（3）取消了齒輪箱設(shè)計(jì)，風(fēng)扇葉片由渦輪直接驅(qū)動(dòng)。這是因?yàn)榉聪蛐D(zhuǎn)使相對(duì)速度加倍，那么渦輪就可以以傳統(tǒng)渦輪一半的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，因此不再需要減速齒輪箱來(lái)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇。（4）輪轂與葉片尖端半徑比大。由于對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳要求的低轉(zhuǎn)速，渦輪必須比平時(shí)更寬才能產(chǎn)生足夠的功率，因此GE36的輪轂與葉片尖端半徑比相較于齒輪傳動(dòng)槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)高出約75%。
圖1 GE36 UDF發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
（2）項(xiàng)目進(jìn)展
UnDucted Fan(UDF?)項(xiàng)目是NASA與GE在上世紀(jì)80年代后期合作進(jìn)行的項(xiàng)目。如圖所示，最初UDF項(xiàng)目包括三個(gè)階段：大比例縮比模型技術(shù)開(kāi)發(fā)與風(fēng)洞試驗(yàn)、原型發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)與試驗(yàn)、飛行試飛試驗(yàn)。
圖2 20世紀(jì)80年代UDF概念驗(yàn)證試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)展
第一階段是早期UDF概念驗(yàn)證階段，即試驗(yàn)臺(tái)與縮比模型的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)階段，共計(jì)完成了2500小時(shí)的縮比模型試驗(yàn)。完成了縮比模型及推進(jìn)模擬器(MPS)設(shè)備的設(shè)計(jì)，同時(shí)完成縮比模型在多種試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行過(guò)相關(guān)試驗(yàn)。其目的是深入了解開(kāi)式轉(zhuǎn)子空氣動(dòng)力學(xué)性能和聲學(xué)原理。
第二階段是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)計(jì)劃，計(jì)劃安裝在MD-91和MD-92上，但由于噪音問(wèn)題，再加90年代初油價(jià)下跌，該項(xiàng)目于1989年被取消。GE 36發(fā)動(dòng)機(jī)于1985年進(jìn)行了累積162小時(shí)的地面試驗(yàn)。
第三階段飛行試驗(yàn)分別于1987年和1988年在波音727-100（反向旋轉(zhuǎn)葉片采用8x8的葉片配置）和麥道MD-80（反向旋轉(zhuǎn)葉片采用10x8的葉片配置）兩架飛機(jī)上進(jìn)行，總計(jì)281小時(shí)的飛行測(cè)試發(fā)現(xiàn)，與現(xiàn)代渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)相比，GE36的燃油消耗量減少了15%。
在80年代末，由于開(kāi)式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)噪音問(wèn)題及油價(jià)下跌，GE36項(xiàng)目被取消。
（3）對(duì)后續(xù)研究的影響
一方面，UDF項(xiàng)目驗(yàn)證了縮比模型結(jié)果向全尺寸模型應(yīng)用的可擴(kuò)展性，即：縮比模型的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以有效地預(yù)測(cè)全尺寸模型對(duì)應(yīng)的性能。這種可擴(kuò)展性是美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）持續(xù)降低能源、排放和噪音（Continuous LowerEnergy, Emissions and Noise，CLEEN）項(xiàng)目中現(xiàn)代開(kāi)式轉(zhuǎn)子氣動(dòng)聲學(xué)技術(shù)項(xiàng)目的核心，在為翻新的 NASA 試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行縮比模型的技術(shù)開(kāi)發(fā)提供了基礎(chǔ)，并使用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的工具和方法將這些結(jié)果應(yīng)用到全尺寸模型上。
另一方面，UDF項(xiàng)目為降低噪聲提供了以下解決方案，為后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)：氣動(dòng)聲學(xué)葉片設(shè)計(jì)/幾何形狀、葉片操作槳距/速度優(yōu)化、增加葉片數(shù)量、減少輪盤(pán)負(fù)載、轉(zhuǎn)子間距優(yōu)化、后旋翼夾斷、增加發(fā)動(dòng)機(jī)掛架與旋翼間距、掛架尾流緩解。
（二）GE 36 UDF發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)化改進(jìn)
本世紀(jì)初，燃料價(jià)格的急劇上漲，以及氣候變化問(wèn)題引發(fā)的減排熱潮，NASA又燃起對(duì)開(kāi)式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的研究熱情，基于GE 36 UDF設(shè)計(jì)優(yōu)化，并進(jìn)行了一系列氣動(dòng)聲學(xué)噪聲測(cè)試與研究。
2009年-2012年， NASA、GE與FAA合作，對(duì)采用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的帶有葉片的開(kāi)式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試表明，當(dāng)代葉片設(shè)計(jì)源噪聲大幅降低，且當(dāng)代葉片概念可以實(shí)現(xiàn)FAA CLEEN計(jì)劃的空氣動(dòng)力學(xué)性能和聲學(xué)目標(biāo)。
NASA 的亞音速固定翼和環(huán)保航空計(jì)劃（Subsonic Fixed Wing and Environmentally Responsible AviationPrograms）都對(duì)開(kāi)式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了研究，為此創(chuàng)建了開(kāi)式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)模型，用于預(yù)測(cè)開(kāi)式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，預(yù)計(jì)燃油消耗率比 1990年代降低36%。雖然這種估計(jì)存在不確定性，但它們表明開(kāi)式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)或許能夠滿足單通道運(yùn)輸機(jī)未來(lái)的推進(jìn)要求。
三、SAGE項(xiàng)目
大約在同一時(shí)間，在“潔凈天空”（clearn sky ）計(jì)劃的可持續(xù)和綠色發(fā)動(dòng)機(jī)（Sustainable and GreenEngines，SAGE）項(xiàng)目的努力下，歐洲評(píng)估了兩個(gè)開(kāi)式轉(zhuǎn)子概念，一個(gè)是由羅羅團(tuán)隊(duì)提出的RB2011發(fā)動(dòng)機(jī)（SAGE1），另一個(gè)是由賽峰團(tuán)隊(duì)提出的CROR發(fā)動(dòng)機(jī)（SAGE2）。
（一）RB2011發(fā)動(dòng)機(jī)
羅羅同時(shí)推出了牽拉式和推進(jìn)式開(kāi)式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)概念。該概念機(jī)采用與渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)一致性的雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)將自由動(dòng)力渦輪的功率傳輸?shù)铰菪龢粚?duì)轉(zhuǎn)螺旋槳的噪聲進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)置；螺旋槳變槳機(jī)構(gòu)保持最佳的螺旋槳角度和功率分配。
圖3 羅羅推出的推進(jìn)式和牽拉式開(kāi)式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)（左圖為推進(jìn)式，右圖為牽拉式）
羅羅在DREAM項(xiàng)目中的測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行相關(guān)測(cè)試證明了這些設(shè)計(jì)的有效性。2011年與空中客車公司合作，對(duì)第二代CROR葉片成功進(jìn)行Rig 145“安裝和卸載”高速測(cè)試，以及于2012年第二季度在Z08風(fēng)洞測(cè)試與空中客車公司成功進(jìn)行了推進(jìn)式開(kāi)式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試。
SAGE1項(xiàng)目原計(jì)劃獲得推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)，將技術(shù)成熟度 (TRL) 提高到TRL 5。在羅羅做出專注于稀薄燃燒的戰(zhàn)略決策后，目標(biāo)進(jìn)行了調(diào)整：（1）驗(yàn)證用于開(kāi)放轉(zhuǎn)子情況的快速計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) (CFD) 求解器工具。這項(xiàng)工作于2015年完成，重點(diǎn)是根據(jù)Z08葉片表面測(cè)量值驗(yàn)證極端葉片攻角。（2）部件完整性和葉片設(shè)計(jì)和材料選擇的評(píng)估，包括剪切拉伸試驗(yàn)期間高應(yīng)變率下的樣品試驗(yàn)程序。該項(xiàng)目于2015年完工。（3）根據(jù)可用試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證穩(wěn)定性、顫振和強(qiáng)制響應(yīng)方法。該計(jì)劃于 2015年完成。（4）使用可用試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證用于開(kāi)放式轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)噪聲方法。
（二）CROR發(fā)動(dòng)機(jī)
賽峰團(tuán)隊(duì)基于M88軍用發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)了對(duì)轉(zhuǎn)開(kāi)式轉(zhuǎn)子（CROR）發(fā)動(dòng)機(jī)，并于2017年在法國(guó)伊斯特爾進(jìn)行了首次地面測(cè)試，總共70小時(shí)，記錄了大約100個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試周期。原計(jì)劃與空客合作，在大型客機(jī)平臺(tái)進(jìn)行飛行測(cè)試，后由于擔(dān)心機(jī)身加固和尾部增重可能導(dǎo)致的葉片分離，空客決定暫停其在A340上的試飛計(jì)劃。
SAGE 2 項(xiàng)目側(cè)重于復(fù)合材料螺旋槳葉片研究（包括氣動(dòng)聲學(xué)優(yōu)化）、變槳控制系統(tǒng)、輕量化前后旋轉(zhuǎn)框架（包括旋轉(zhuǎn)外殼的認(rèn)證問(wèn)題，控制接口泄漏和減輕重量）、對(duì)轉(zhuǎn)減速齒輪箱、動(dòng)力渦輪（以減輕模塊重量并提高性能特征）、潤(rùn)滑和冷卻系統(tǒng)等技術(shù)的研究。
圖4 賽峰2017年推出的CROR樣機(jī)
四、RISE項(xiàng)目
2020年6月14日，GE和賽峰共同宣布啟動(dòng)RISE項(xiàng)目（Revolutionary Innovation forSustainable Engines），展示了新的開(kāi)式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，并于6月25日公布了RISE項(xiàng)目細(xì)節(jié)：
（1）該發(fā)動(dòng)機(jī)將包括一個(gè)緊湊型核心機(jī)、新型低排放燃燒室、熱交換器和用于混合電力系統(tǒng)的電動(dòng)發(fā)電機(jī)；
（2）旋轉(zhuǎn)葉片由高速增壓壓氣機(jī)和由低壓軸驅(qū)動(dòng)的前齒輪箱提供動(dòng)力；
（3）由早期的推進(jìn)式改為牽拉式結(jié)構(gòu)；
（4）第二排葉片由旋轉(zhuǎn)部件改為主動(dòng)可變螺距定子，充當(dāng)流量回收葉片。該設(shè)計(jì)增加了整體風(fēng)扇的壓比，同時(shí)減少了轉(zhuǎn)子負(fù)載，從而實(shí)現(xiàn)了更高的最大飛行馬赫數(shù)；
（5）由于取消第二排旋轉(zhuǎn)葉片設(shè)計(jì)，因此在設(shè)計(jì)中消除了對(duì)轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)和相關(guān)的旋轉(zhuǎn)框架，減輕發(fā)動(dòng)機(jī)重量的同時(shí)有效提高可靠性；
（6）直徑為12~13英尺（3.7~4米）的葉片，能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)在滿足噪聲需求的同時(shí)提高性能，非常適合安裝在窄體機(jī)身上。
RISE項(xiàng)目的目標(biāo)是減少20%的碳排放，并采用100%的可持續(xù)航空燃料（SAF），成為L(zhǎng)eap 1系列渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的后繼產(chǎn)品。此外，團(tuán)隊(duì)制訂了全面的技術(shù)路線，并計(jì)劃推出一系列技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，為開(kāi)式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的研發(fā)鋪平道路。驗(yàn)證機(jī)計(jì)劃于2020年代中期進(jìn)行地面測(cè)試，2030年代中期投入使用。
圖5 RISE項(xiàng)目推出的開(kāi)式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)概念
五、小結(jié)
盡管競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手普惠和羅羅已經(jīng)采用齒輪傳動(dòng)渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)(GTF)作為他們的未來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，但是GE和賽峰（包括兩者合資的CFM）似乎決心在開(kāi)式轉(zhuǎn)子上賭一把。與 GTF 相比，開(kāi)式轉(zhuǎn)子概念有望進(jìn)一步減少燃油消耗。受高效推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)凈零碳排放需求的影響，未來(lái)開(kāi)式轉(zhuǎn)子的技術(shù)發(fā)展將逐漸不再受能源成本的制約。雖然在發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)的整合水平上依然存在技術(shù)挑戰(zhàn)，但是隨著技術(shù)的發(fā)展，這些都是可以克服的。
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