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航发的未来形态?——漫谈桨扇发动机[复制链接]
发表于 2021-8-15 14:57:20 | 显示全部楼层 |阅读模式
通用电气和赛风在今年6月14日宣布,他们将会共同启动启动一个项目:CFM RISE,一个比如今的涡轮喷气式发动机省油20%的引擎。最近正巧有空,便借此机会聊聊这款设计。值得注意的是,这个设计虽然听起来非常新颖,但是事实上,它在1940年代就已经被提出了。


01 早期研制
当时的设想就是制造一个综合涡桨和涡轮引擎优点的引擎——一款既能达到涡轮引擎的推力又可以拥有涡桨引擎的燃油效率的引擎。此后在1960年代,随着这方面的研究开始深入,其功能也开始逐渐明确。当时的研究显示,这种桨扇引擎可以将飞行器性能可以基本与涡轮引擎驱动的飞行器的性能:这类发动机驱动的飞行器只要设计恰当,可以拥有35000英尺的最高升限,并0.7到0.8马赫的速度巡航。

02 热潮
随着1973年石油危机的到来,对这一引擎设计的兴趣陡然增加,再加上当时随着制造商们钛合金、玻璃纤维、石墨等材质来代替原先的铝合金和不锈钢用于螺旋桨的制造工作,逐渐解决了最初被视为无法根治的叶片颤振与叶片过度疲劳问题。在出现了这一技术性突破之后,花絮是在这一设计上看到了“搞头”,多家航空制造商均加入了研制采用此类引擎的新一代飞机的行列之中。当时NASA曾经带头多家美国航企进行飞机的改装工作,最终选定了洛克希德的提案,改装了一架湾流II进行测试工作,并在飞机左侧装上了一台拥有40千牛推力的艾利森501-M78引擎,改装后于1987年首飞。这架飞机在项目进行的这一年当中飞行了73次并累计了133飞行小时。此后还在1989年4月用于进行新引擎的噪音测试。不过在同年下旬,该机就被改装回了原来的设计,并由于NASA平时做的事情去了:训练宇航员。


说起通用电气和赛风共同研制桨扇引擎,这在历史上也不是没有的事情。当时的GE与斯奈克玛公司也就是赛风的前身曾一起研制了一款桨扇引擎——GE36。该引擎采用了一种对当时而言较为新颖的直接驱动装置。具体来说这款引擎的减速齿轮箱被七级低速自由涡轮取代。一组涡轮转子驱动前一组螺旋桨,而后一组由另一组转子驱动,另一组转子反向旋转。涡轮有14排7级叶片。每一级是一对反向旋转的排。而这一设计也受到了飞机设计者们的青睐。这让他们看到了研发更加省油的飞机的希望——自从1950年代,不少设计者就已经开始对这一款引擎方案蠢蠢欲动了。奈何对其变速箱可靠度的怀疑导致他们迟迟未能开始这方面的研究。而GE的设计并未采用变速箱,使得他们纷纷着手研发。诞生了类似波音7J7,麦道MD-94X的飞机设计。前者是一款拥有150名乘客用于代替727(现在看看也可以代替737)的产品,并可达到0.83马赫,和目前的737差不多,甚至比737快0.01马赫。而后者则是麦道MD-80的一款替代品,载客量则和前者差不多。当时的麦道已经改装完了一架MD80飞机,并在1987年完成了试飞工作。甚至邀请航司代表去体验机舱后部的噪音——向他们保证,这一水平不会太高的。


03 逐渐被冷落,但有一款脱颖而出
最终由于油价下跌且麦道决定他们有其他的事情要做,例如琢磨MD-11该是什么样的,于是将项目雪藏起来了。此后随着油价的回落以及设计本身噪音问题对这方面的兴趣也就逐渐不见了。另一头GE和赛风发现CFM56,那个GE36准备要替代的引擎卖得还不错,特别是在1987年竞争对手V2500出现技术性问题后,他们也就决定放弃这方面的努力了。不过这并不妨碍当时不少航空制造商专门为这一款引擎设计了飞机,例如福克于1982年提出的FXX、ATR提出的ATR92,一款拥有400节巡航速度的飞机当时被认为将会使用该引擎。此外还有伊留申IL-88、IL-118设计,而安东诺夫也不甘落后,提出了一款桨扇引擎款安-124飞机,此外还有雅克列夫提出的Y-46。在苏联人改装了IL-76以及Y-42进行测试后,也造出了少数成功飞上蓝天的搭载桨扇引擎的量产航空器:安东诺夫An-70(后期被重新命名为An-77)。

04 缺陷
此外这一设计依然面对一定的困难。包括噪音:若是要降低需要牺牲燃油效率;大小:这一引擎设计由于其独特的性质得离地面保持一定的距离,因此仅适合在T字尾或者采用上单翼设计的飞机上使用;转速:若是转速过于接近音速会扇叶将会受到过多阻力。同时由于乘客长久以来对螺旋桨引擎的不信任导致,航空制造商也在研发上略有顾虑。


05 展望未来
回到目前GE以及赛风正在研制的RISE项目。他们承诺该引擎将可以支持电动,或者至少油电混动作为动力来源,并可以使用SAF环保航空燃油。同时将采用复合材料扇叶、耐热合金以及陶瓷复合材料。不过这款引擎得等到2030年中期才会投入运营,依然存在不少变数。虽然GE的一位负责人提到这一设计由于没有引擎外壳,所以允许引擎变得更轻巧、更有效率,但利是否真的大于弊,我们拭目以待。毕竟当年的喷气式引擎在研发初期也并不受待见哩,不过这设计若是要普及,依然有挺长的一段路要走。

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