在此背景下，发动机制造商与飞机制造商携手，进行了诸如分布式混合电推进系统动力解决方案、电动飞机等新概念飞机的研究。同时，如何利用新材料、新工艺和新设计使飞机的燃油效率得到进一步提高也是各大发动机制造商正在如火如荼进行的工作。这些夺人眼球的新技术、新设计真的能颠覆现有的航空动力市场格局吗？

　　未来在哪里

　　随着人们环保意识的不断增强，近年来电动飞机、太阳能飞机开始受到越来越多的关注。然而,它们真的能够替代传统的燃气涡轮发动机，被广泛用于商用飞机运营吗？

　　2014年，空客E-Fan验证机在法国波尔多完成了第一次试飞。同年6月，空客在第51届巴黎航展上不仅安排E-Fan验证机进行飞行表演，还展出了即将投入批生产的E-Fan2.0全尺寸样机。2015年5月，空客集团宣布将在法国西南部的波城建立第二代E-Fan全电动飞机总装线，首架E-Fan2.0飞机预计最早在2017年年底投入运营。

　　此外，更大尺寸的4座电力飞机E-Fan4.0也已被空客列入了研发日程，预计在2019年投入使用。对于电动飞机项目，空客的长期计划是生产电力支线飞机和电力直升机，最终的目标是生产出100座的电力支线飞机，预计2050年将实现这一宏伟目标。

　　与其他在研的电动飞机一样，E-Fan也面临着电池蓄电量的问题。目前，由韩国KOKAM公司生产的250伏锂聚合物电池仅能维持飞行半个小时。此外，对于机上高电荷负载的管理、能量的存储也是混合电能飞机的设计难点。为此，空客正在进一步研制更加稳定的锂聚合物电池。

　　对于商用飞机来说，电驱动则显得更为遥远。举一个简单的例子，特斯拉公司目前正在研发一种具有足够高功率、重量密度比的电池，目标是能够让汽车完成从阿布扎比直达法兰克福这3000英里的路程，这个距离是目前其最大行驶距离的10倍。但对于一架单通道飞机来说，这些电量甚至不足以使其离开地面，而这块电池的重量却有可能要占去飞机重量的一半。

　　太阳能飞机的前景则更加黯淡。广受关注的“阳光动力号”太阳能飞机使用的太阳能电池的大小约为2900平方英尺，但这样大小的一块电池只能让一架5060磅重的飞机以小于汽车的速度飞行。此外，目前“阳光动力号”的电池只有23%的有效性。即使未来电池的有效性能够达到100%，并且重量可以忽略不计，但如果想要驱动一架波音747飞机的话，也需要至少3个足球场大小的机翼才能实现。

　　因此，目前业内已经达成共识，在2050年前，绿色航空的未来还是要靠不断进步的燃气涡轮发动机来实现。与传统发动机相结合的电推进系统、全新的飞机/发动机一体化设计、先进材料的使用，仍将是未来发动机制造商关注的重点。

　　夺人眼球的创意

　　为了开发能够满足未来25?30年后服役的飞机环境和性能目标的概念，在NASA和欧盟系列研究计划的资助下，波音、GE、空客、罗罗参与探索了分布式混合电推进系统动力解决方案。

　　对于未来宽体飞机，NASA探索了全复合材料、层流的N3-X概念飞机，其最突出的特点是采用了燃气涡轮电力分布推进系统。该系统将产生推进力的装置与产生动力的装置分开，由两台安装在翼尖的涡轴发动机驱动超导发电机产生电能，并驱动15台嵌入机身的超导电推进器产生推力，最终实现比波音777-200LR飞机耗油率降低70%以上。

　　为了满足欧盟“航迹2050”计划中2050年前将二氧化碳排放降低75%、氮氧化物排放降低90%、噪音降低65%的目标，空客集团正在寻求开发2030年服役的基于分布式混合电推进系统的翼身融合飞机方案，并于2013年11月发布了与德国西门子公司和英国罗罗公司联合开发的基于分布式混合电推进系统的100座级E-Airbus支线飞机。E-Airbus采用6台电动风扇，每个机翼上沿展向分布3台，并通过一个燃气动力单元（即涡扇发动机连接到发电机，以产生电力）为6台风扇（产生推力）提供电力和为电能存储装置充电，推进系统的等效涵道比预计将超过20。罗罗公司表示，分布式电推进系统的一个主要优点是能够集成到机体结构上，优化机体周围的流场，同时减轻飞机的重量，降低阻力和噪声水平。另外，当边界层气流被风扇吸入并加速时，将减少飞机的尾迹，并带来阻力的进一步降低。

　　此外，NASA和欧盟还进一步探索了面向未来的混合脉冲爆震发动机。相比传统发动机，采用脉冲爆震燃烧的发动机耗油率可降低22%?26%，发动机单位推力可提高45%。GE公司表示，如果进展顺利，脉冲爆震发动机和混合涡轮电力推进系统最有可能在21世纪下半叶成为取代现有燃气涡轮发动机的候选动力。

　　一体化设计

　　凭借齿轮传动技术，普惠在窄体客机市场重新赢得了一席之地。而今，其创新性地提出了飞机／发动机一体化设计，这个令业界称奇的新型发动机结构布局是否会再次让世界惊叹呢？

　　普惠公司提出这一设想的源头是NASA和麻省理工学院（MIT）正在联合研发的D8双气泡飞机。这款飞机打破了传统的“管状机身＋机翼”的结构，发动机被安装在扁平化机身宽大尾部的上方。

　　这样的设计能够使飞机拥有高展弦比机翼，还能使发动机利用流过机体表面的低速附面层，提高推进效率。根据计划，D8双气泡飞机以2035年左右投入使用的“N+3”代飞机为目标，燃油效率较现有窄体客机提高60%。

　　这一设想要成为现实还有不少难题。首先，发动机与机体上表面距离过近,使得风扇必须在吸入附面层时对流动畸变有足够的容忍裕度。此外，用于D8的发动机涵道比至少要达到20，风扇的尺寸将会很大，这势必与D8所必须满足的极低噪声这一目标相矛盾。

　　由此，普惠公司产生了将核心机反向安装的突破性想法。空气仍然通过风扇进入发动机，但与之前直接进入压气机不同，空气通过外侧通道到达核心机的后面，再从相反方向进入。

　　这种布局与普惠加拿大公司的PT6发动机类似，空气从后向前流经发动机，燃气通过动力（低压）涡轮后向前排出，涡轮再通过一套齿轮系统连接到风扇。涡轮、齿轮箱和风扇的连接将通过一个相当短的轴。由于核心机并不与动力部分相连，对于航空公司来说，可以很方便地将核心机卸下进行维修。

　　在这一方案中，由于核心机和推进器不再有机械连接，设计者想出可以让核心机彼此之间呈一定角度安装的绝妙方式，其安装角可以达到50°，核心机的出口也通过一个偏转50°的管道再进入动力涡轮。通过这种方式，两个核心机之间的角度就超过了90°，这在几何结构上很容易实现。这也使发动机能够采用更大的涵道比，如果只是偏转核心机气流的话，其流量不会太大，压力损失也可以降低。

　　普惠公司希望能与NASA合作来进一步确定构型，同时评估诸如空气管道、使用陶瓷基复合材料等一系列问题。如果这个项目能够顺利推进，将有利于普惠研发下一代齿轮传动涡扇发动机。

　　新材料新技术

　　在航空领域，新材料的大量应用已是大势所趋，但相对于主制造商的激进，一段时间内，发动机制造商却显得略为保守。令人欣慰的是，这一现象正在慢慢改变。

　　在商用发动机领域，借助于在机匣、风扇叶片、涵道等部位引入轻质的碳纤维树脂基复合材料，CFM公司的LEAP发动机涵道比上升到10。

　　为了应对新一代宽体机的发展需求，GE公司发展了GE9X发动机核心机。这一核心机采用11级高压压气机、第三代双环预旋（TAPS）燃烧室和2级高压涡轮，核心机增压比达到27，是GE公司截至目前发展的增压比最高的核心机。核心机增压比的提高，使得GE9X发动机总增压比达到60以上，压气机后端和高压涡轮进口工作温度已经超出现有常规材料的承受范围。因此，GE发展了第四代粉末合金材料、陶瓷基复合材料（CMC）火焰筒与涡轮以及先进冷却技术。未来，GE9X发动机的燃油效率将比GE90-115B发动机提升10％。

　　MTU公司近年来一直在思索如何激发钛铝基金属间化合物用于航空发动机市场的巨大潜力。在力学性能方面，这种材料与镍合金几乎相同，但其密度更低、熔点更高，抗蠕变强度比钛合金高许多。这些性能归结于合金的特定组成以及为此专门开发的热处理方法。

　　钛铝涡轮叶片比镍合金组件轻一半，但可靠性和耐久性基本相当。此外，较高的铝含量让新材料的抗氧化、抗腐蚀能力明显提升。MTU公司表示，钛铝是用于高速低压涡轮等组件的理想候选材料。

　　钛铝合金能够实现发动机组件减重，这为设计师开辟了新天地。以往，涡轮盘和轴上作用的离心力大，需要用较重的镍合金制造，从而导致重量过大。使用了钛铝叶片后，离心力大大减小，涡轮盘的设计可以进一步优化。

　　在齿轮传动风扇发动机中，使用轻质材料的最大障碍是它们的成形和制造极为困难。长期以来，使用常规、经济可承受的方法锻造新材质涡轮叶片是不可能完成的任务。因此，MTU正联合一些机构共同进行研发，试图通过热动力计算以确定最佳的锻造温度范围和金相组织。未来，钛铝合金的应用或将越来越广泛。(文/彭静宇)