中國航發任重道遠（下）_風聞

普拉特-惠特尼的法寶則是齒輪減速渦扇，現在已經應用於PW1000G系列，成為空客A320NEO、俄羅斯MC-21 、加拿大龐巴迪爾CS系列、巴西航空工業E2系列、日本三菱MRJ等新一代客機的首選。最早的渦扇是單轉子的，不分高低壓壓氣機，也只有一個渦輪組，風扇直接連接在大軸上，與壓氣機相同轉速。由於風扇、高低壓壓縮的轉速要求互相牽制，單轉子渦扇很快發展成雙轉子，高低壓壓氣機和渦輪分開，高壓部分轉速更高，低壓部分轉速較低，風扇連接在低壓軸上，與低壓壓氣機具有相同轉速。雙轉子的熱效率大大提高，但理想低壓壓氣機的轉速還是比理想風扇更高，這也與低壓渦輪的有效轉速有關，渦輪轉速不能太低。風扇轉速更低的話，容許直徑更大，效率更高，但雙轉子難以做到。

羅爾斯-羅伊斯將雙轉子發展為三轉子，在高低壓之間增加了中壓級，中壓渦輪驅動低壓壓氣機，低壓渦輪驅動風扇，進一步提高熱效率。但雙轉子的軸套軸已經很複雜了，三轉子的機械結構更復雜，可靠性、重量的代價相當顯著。而且低壓渦輪的最低轉速限制了風扇轉速的進一步降低，使得三轉子的效率打了折扣。通用電氣和普拉特-惠特尼堅持雙轉子路線，深度優化，只有羅爾斯-羅伊斯採用三轉子。羅爾斯-羅伊斯的三轉子不僅用於民航發動機，也用於戰鬥機渦扇，如“狂風”的RB199。

三轉子在實用中並沒有體現出比高度優化的雙轉子更優秀和油耗和減噪，但風扇速度降低的好處是明擺着的。普拉特-惠特尼采用齒輪減速，用雙轉子的結構達到三轉子的效果，甚至超過三轉子的效果，因為在風扇轉速較低的同時，低壓渦輪可以保持較高轉速，有利於渦輪的工作效率。這是民航發動機的一個飛躍。

齒輪減速的概念並不複雜，70年代的加萊特TFE731就採用了齒輪減速，由於噪聲特別低，在公務機領域特別受歡迎。但高涵道比渦扇的推力主要來自風扇，因此對齒輪減速系統的要求特別高。行星齒輪的設計倒不是最大的問題，最大的問題在於滑油系統，要在離心力的作用下保證滑油的可靠三維流動、潤滑和冷卻，這是一個很有挑戰的計算流體力學問題。普拉特-惠特尼首先在大推力高涵道比渦扇上採用齒輪減速，這有可能成為未來民航發動機的典型技術，羅爾斯-羅伊斯計劃放棄招牌三轉子技術，下一代Ultrafan系列上將採用齒輪減速。順便提一句，普拉特-惠特尼的齒輪減速也是F-35B所用的升力風扇齒輪驅動的基本技術。

普拉特-惠特尼還在PW1000G上採用了主動葉尖間隙控制。壓氣機或渦輪葉片與機匣的間隙既不能太小，這樣熱脹冷縮不一致時急劇增加磨損，甚至摩擦升温導致起火，最壞可以導致葉片斷裂；也不能太大，這樣壓縮到下游的高壓空氣會從間隙裏迴流，不僅漏氣損失效率，還可能造成喘振。傳統設計只有增加喘振裕度，承受一點效率損失，間隙按最壞情況設計。

主動間隙控制的好處很自然，可以按需要自動保持葉片與機匣的最小間隙，問題在怎麼做到。主動控制本來已經處於嚴苛工況的葉片長度是不可思議的，但對相應位置的機匣進行冷卻控制，可以反過來利用熱脹冷縮導致的機匣收縮，主動控制機匣與葉尖的間隙，這正是普拉特-惠特尼的獨門絕技。在起飛前地面滑行時，發動機尚未暖起來，主動間隙控制還可以用來主動增加間隙，減少葉尖磨損。

普拉特-惠特尼還用氮化硼加固渦輪葉尖，降低磨損，這是已知最高硬度的材料，比金剛鑽還硬。這是材料技術，其他新材料還有碳纖維、鋁蜂窩、鈦合金或者不同新型材料的組合使用。即使傳統的鋼材也有新的應用，GEnx的風扇葉片用鋼合金的鑲邊增加剛度和耐撞擊強度，就是一個例子。

直升機用的渦軸發動機在原理上可以與渦扇共用核心發動機，但渦軸這樣的自由渦輪發動機也有用於後置螺旋槳的，作用與常規渦槳相同，但螺旋槳為後置的推進式，而不是前置的拉進式。但拉進式螺旋槳使得氣流加速通過機翼，具有增升作用，因此通用電氣也在研究將高温燃氣通過導管引向前置自由渦輪，驅動拉進式螺旋槳，只是這樣做進排氣路線比較複雜，導管損失也必須考慮。好處是這樣的自由渦輪發動機可以與渦軸共用，大大簡化了用户的後勤支援。普拉特-惠特尼（加拿大）的PT-6系列渦槳早就採用前置渦輪的特別構型了，並取得極大的成功。

在製造上，增材製造（也稱3D打印）成為新的潮流，這對形狀高度複雜的大型構件的製造有特別意義。現代航發對複雜精密製造的要求非常高，一體化製造的渦輪盤-葉片（也稱blisk）就是一個例子。傳統制造方法是渦輪盤和葉片分別製造，然後用榫接或者螺栓固定。螺栓影響局部氣流，影響氣流流動，螺栓斷裂或者螺孔裂紋都可能帶來災難性的後果；榫接引起局部應力集中，更容易造成裂縫。Blisk渾然一體，沒有這些問題，但不僅形狀複雜，還要考慮中空葉片的空氣通道和葉片表面的微孔，製造上的複雜不言而喻。

航發科研的高度發展還有溢出效應。航發與汽車發動機當然有本質的區別，但以四維（三維空間加時間）流動計算流體力學為基礎的燃燒室設計技術、齒輪滑油系統設計技術對汽車行業具有指導意義，製造和材料技術的應用就更加直接了。

這些還只是渦扇的深度發展，現代航空發動機有向渦輪-電動混動發展的趨勢。全電動汽車有電池重量的問題，全電動飛機的電池重量問題更大。但用渦輪發動機驅動發電機，用電動風扇或者螺旋槳產生推力，這在技術上的難度要小得多。看起來這是捨近求遠，但實際不然。高涵道比風扇的推進效率高，但這是對發動機而言的，發動機吊艙周圍的機翼上下局部氣流現象限制了飛機-發動機系統的推進效率。理想的推行系統應該由大量小直徑風扇或者螺旋槳組成，遍佈整個機翼和機體後體，形成均勻的推力分佈。翼尖的風扇或者螺旋槳的旋轉方向還可以與翼尖渦流相反，主動對消翼尖渦流阻力，將其融化到推力中去。這樣的分佈式推近是當前研究的重點，但只有通過電動推近才能實現。

民航發動機是按照最大推力要求來確定的，而且要求在單發故障時，剩下的發動機依然能提供足夠的繼續起飛的推力。這對雙發是尤其嚴苛的要求。如果與電池技術相結合，渦輪-電動還可以大大降低渦輪發動機的功率要求，只要滿足巡航推力要求就夠用了，電池成為起飛和加速時的助推能源。這樣的混動系統有望大大降低巡航油耗。有意思的是，在汽車世界裏，這已經成為現實，保時捷918就是在4.6升V8“普通”超跑發動機基礎上，增加電動助力，達到頂級超跑的性能。如果完全用內燃機實現，就需要布加迪“威龍”那樣的變態的8升W16發動機了，重量、油耗和成本都大大增加。

分佈式的電動推進風扇和螺旋槳還可以用於機體表面附面層抽吸。附面層是空氣粘性的結果，在機體表面形成呆滯的空氣層，造成等效的機體截面積增加，增加了迎風阻力。機體越長，附面層從前向後的堆積越嚴重。用風扇或者螺旋槳主動抽吸附面層，尤其是後體附面層，使得呆滯的空氣層流動起來，可以有效地降低附面層厚度，降低阻力。傳統渦輪發動機並非不能用於附面層抽吸，但電動風扇或者螺旋槳在工程實施方面有太大的優越性。

在軍用發動機方面，三涵道是最新趨勢。三涵道在傳統的內外涵道之外增加第三涵道，用於改變涵道比、輔佐進氣道氣流管理、提供機載系統冷卻氣流和降低噴氣紅外特徵。變涵道比是戰鬥機發動機的理想境界，既有渦扇起飛推力大、亞音速巡航省油的優點，又有渦噴超音速加速和巡航省油、阻力小的優點。在活門、導流片的控制下，第三涵道可以按需要控制旁通流量，隨時有效改變涵道比，達到變涵道比的目的。進氣道截面積按照最大推力要求設計，但在高速巡航時，進氣流量供過於求，大量進氣只能通過活門向機外排放，造成浪費和阻力。第三涵道還能用於進氣道多餘流量的排放。機載系統冷卻空氣是隱身飛機的獨特挑戰，F-35用機內燃油作為冷源，但這限制了燃油量的最低值，否則系統過熱當機對F-35這樣高度軟件化的戰鬥機是致命的，還有足夠的剩餘燃油也只能是能飛的行屍走肉。第三涵道的冷空氣是自然的充足冷源，徹底解決了這一問題。第三涵道的排氣混入尾噴氣，降低紅外特徵，這也是現代戰鬥機很注重的。

三涵道對高亞音速飛行沒有多少用處，對典型現代客機沒有多少用處。但三涵道解決了超音速巡航的經濟性問題之後，如果音爆問題也能得到解決，超音速民航時代有可能重來。NASA正在研究一系列新技術，對音爆造成的激波進行鈍化，甚至用不同激波互相干涉對消，在降噪方面取得了長足的進展。音爆也與飛機重量、尺寸有關，超音速民航有可能在公務機或者小型客機上首先取得突破。另外，三涵道使得發動機在很大的速度範圍內都能經濟運行，海上超音速、陸上高亞音速是可能的過渡方案，這可使超音速民航時代提前歸來。

超出傳統的渦輪發動機的話，脈動爆轟發動機（簡稱PDE）有點像四衝程汽油機用作噴氣發動機，當然沒有活塞，排氣直接產生推力。PDE的熱效率高於渦輪發動機，也不需要變涵道比這樣的複雜技術就可以適合更大的速度範圍。另一種新概念發動機是超燃衝壓，避免了傳統衝壓發動機只能把進氣減速到亞音速才能工作帶來的阻力，實現高超音速飛行。將渦輪發動機、亞燃衝壓和超燃衝壓組合起來的組合循環發動機（簡稱TBCC）更是代表了實用化高超音速飛行的未來。PDE、超燃衝壓和TBCC還比較科幻，但追逐明天技術並非好高騖遠，而是登上前沿的立腳點。

航空發動機技術正在階躍式發展的時代，中國航空工業也正在起飛中，對新型航發的需求尤其迫切。航發集團從中航分離出來，有利於集中精力，以技術引導產品，走出可持續發展的路。產品引導技術在很多行業裏是行之有效的做法，但這是在有很多現成基本技術可選的情況下才能做到的，否則就只有被動地不斷針對性攻關，中國已經吃夠了這種苦頭。航發的很多主要技術都處於絕對前沿，只有存在才可供選擇，新技術意味着新發展，技術引導才是正路。

技術是先進航發的關鍵，但不是全部。製造、管理、售後服務也極端重要，但這是另外一個話題了。中國航空要大發展，航發是心臟。中國要從製造大國向創造大國轉型，航發這一環必不可少。中國航發任重道遠。