摘要：本文对未来 20 年的人口结构和经济状况进行了研究。这些因素反映出全球国内生产总值（GDP）将显著增长，这不仅使得美国和欧洲，而且亚洲和中东地区对商用飞机的需求也会强劲增长。市场需求将集中在更节能、更环保的飞机上，新型支线客机、窄体客机和宽体客机都在取得重大进
导读：本文对未来 20 年的人口结构和经济状况进行了研究。这些因素反映出全球国内生产总值（GDP）将显著增长，这不仅使得美国和欧洲，而且亚洲和中东地区对商用飞机的需求也会强劲增长。市场需求将集中在更节能、更环保的飞机上，新型支线客机、窄体客机和宽体客机都在取得重大进展。展望未来，全球将探索新的飞机架构、推进系统的新变革，以及追求更高的热效率和推进效率。分布式推进方案将发挥作用。随着这一趋势，更高工作压力的燃气发生器将得到开发，并且必须高度重视高度集成的推进 / 飞机系统。能量传输需求将促使更大的齿轮系统以及新型混合动力系统的出现。预计新型飞机的燃油效率将提高 40% 以上。要实现这些目标，存在诸多技术挑战。当今和未来的航空航天工程师与科学家们面临着无限机遇，有望为这个看似激动人心的未来带来改变。
过去 100 年，商用航空取得了举世无双的进步。1903 年，莱特兄弟凭借一台 25 马力的自行车发动机，在北卡罗来纳州海岸上空飞行了 12 秒。100 年后，数百架由通用电气 GE90 - 115 发动机驱动的波音 777 飞机，能够不间断地完成 8000 英里的环球飞行，既安全又经济，同时还能做到低油耗、低噪音和低污染。这是了不起的成就！然而，我们不能就此满足。本文旨在分析为了未来发展我们需要采取的行动。我们将尝试了解客户的需求，以及在推进系统、飞机空气动力学、飞机结构和材料等方面需要开展的工作。同时，我们还将审视其中面临的挑战与机遇。
如图 2 所示，尽管航空业收入持续增长，但利润却持平。燃油成本不断攀升，极大地推高了运营成本（见图 3）。【图 2：行业收入。来源：美国航空运输协会 / 美国交通统计局】【图 3：航空公司运营成本。来源：美国航空协会季度成本指数，美国航空公司】
在前进的过程中，需要找到一个微妙的平衡（图 1）。客户希望飞机有良好的有效载荷、较低的拥有成本、低噪音和低排放。制造商则需要在满足这些要求的同时，平衡研发和制造成本。【图 1：竞争激烈的商业环境。商业案例：开发成本、制造成本、收入流、单价；客户价值：收入、拥有成本、有效载荷、航程、价格、销量、燃油消耗、备件、维护成本；飞机要求：乘客数量、平衡场地长度、巡航速度与插入、功率与引气、飞行高度；监管要求：安全、噪音、排放】
因此，提高燃油效率必须成为航空业未来发展的主要关注点。在过去 50 年里，发动机燃油效率提高了 50% 以上，大约每年提升 1%。
图 4 展示了这些改进中，约一半得益于更高压力的操作系统、部件效率提升和材料改进。另一半则来自较低的风扇压比和较高的涵道比。
图 5 展示了随着核心部件和推进器的改进，效率的变化趋势。可以看出，随着发动机温度升高，核心部件得以改进。这需要提升部件效率、改进材料和涂层。推进器的改进则需要更高的涵道比、优化的进气口和更高的风扇效率。
从图 6 可以看出，随着涡轮转子进口温度的升高，单位核心功率增加。这表明了当前技术所处的水平，以及美国国家航空航天局（NASA）N + 3 目标（我们稍后将讨论）所要求的温度，还有目前使用的碳氢燃料的化学计量极限。所以仍有改进空间，但随着发展，难度也会越来越大。
图 7 展示了当前涵道比为 5% - 8% 的发动机的情况。将涵道比提高到 10 - 12，燃油效率可提高近 16%。通用电气 / 赛峰集团研发的 LEAP 发动机和普惠公司研发的齿轮传动涡扇发动机（GTF）就是例证。通过开发像美国国防部预先研究计划局（DARPA）的 ADVENT 和美国国家航空航天局（NASA）的 HEETE 等军事项目中的开式转子和高温核心技术，还能实现进一步的提升。
LEAP 发动机在双轴系统中采用传统的直接驱动方式。普惠公司的齿轮传动涡扇发动机（图 8 中的 GTF）引入了一个齿轮，使低压涡轮能够更快地加速，从而减少了驱动高涵道比低压风扇所需的涡轮级数。斯图加特大学和俄亥俄州立大学联合开展的一项研究，对普惠齿轮传动涡扇发动机和 LEAP 发动机的配置进行了燃油消耗评估，结果总结在图 9 中。
这项研究表明，这两种架构的燃油消耗相差不到 1%。在空客 A320 NEO 等应用中，它们的差异将体现在具体实施方面。
另一种新架构是无涵道风扇。其涵道比可达 30 - 35。美国国家航空航天局（NASA）和通用电气（GE）曾对此进行过探索，并在 20 世纪 70 年代末在 MD 80 飞机上进行了试飞。这种设计显著提高了燃油效率，但产生了大量噪音。鉴于对提高燃油效率的需求，美国国家航空航天局（NASA）、通用电气（GE）等机构重新启动了开式转子的研究。研究重点在于降低噪音。图 10 总结了相关工作，美国国家航空航天局（NASA）的风洞正在测试多种转子配置，并取得了显著进展。从长远来看，作者认为开式转子的噪音问题将得到控制。未来的挑战在于如何将这些大型风扇系统安装在商用飞机上，并解决相关的阻力损失问题。
美国国家航空航天局（NASA）为商用飞机技术发展制定了目标，如表 1 所示。
为了实现这些目标，我们必须开展一系列发动机和飞机技术的研究工作，具体如下：
推进效率超高涵道比涡扇发动机、超超高涵道比涡扇发动机、开式转子、分布式推进、尾流吸入。重量新型合金 / 金属基复合材料、非金属材料、先进发动机架构。热效率高负荷压气机、高工作压力比低排放燃烧室、自适应循环、等容燃烧、混合电力推进。传输效率低损失进气口、可变低损失排气口、分布式动力传输。展望 2030 - 2050 年的推进系统（图 11），我们需要考虑开式转子、分布式推进系统，以及电池和涡轮电力推进。需要开发的关键技术包括高压比核心部件、电气系统（燃料电池、电池、电机）以及超导低温系统。分布式推进系统（图 12）可以让一个核心驱动多个风扇系统，从而提高效率，具有巨大的未来潜力。要实现目标，我们还需要开发一系列新技术。
我们让一个独立团队评估了这些技术及其对 2030 - 2035 年投入使用的商用飞机的潜在益处。结果如表 2 所示。
正如你所见，这些成果令人瞩目。但还需要大量的技术开发和有针对性的项目。
市场是全球性的，并且在不断增长。这是好事，庞大的市场吸引了更多参与者。他们带来了技术竞争，这是积极的；但也带来了资金竞争，这既有积极的一面，也有消极的一面。
美国空军、海军和陆军研究实验室在军事领域仍实力强劲。美国国家航空航天局（NASA）的影响力显著下降。欧盟（EU）凭借 “清洁天空” 计划实力不断增强且发展迅速。其他方面。合作的需求将更加强烈，包括公司之间、行业与大学之间的合作。必须更明智地开展工作，更多地依靠部件测试而非演示验证机。在竞争激烈的世界中，技术路线图对于成功至关重要，这种竞争体现在技术机遇和资金流方面。对于年轻工程师而言，机遇巨大，因为这个行业需要并将催生新的创新产品。需要开发的技术如下：
(1) 高效、高工作压力比燃气发生器
（图 13）：当我们追求涵道比达到 20 及以上时，将尽量减小核心部件的尺寸。
(2) 推进系统与机身的集成
（图 14）：在采用超高涵道比配置时，这将是一项非常重要的工作。关键技术如下：
流线型短舱。自适应风扇叶片。抗畸变风扇。多自由度声学衬里。低喷气襟翼声学相互作用。(3) 飞机空气动力学改进
（图 15）：需要开发的技术包括：
层流短舱。机翼层流。低摩擦涂料涂层。改进的跨音速气动设计。翼尖技术。可变弯度。自适应柔性后缘。主动稳定性控制。增加机翼展长。增强垂直尾翼。全复合材料飞机。集成结构健康监测。先进制造技术。(4) 为远程风扇供电的能量传输：
这需要全新的技术。能量传输可以通过齿轮实现，电机也可以提供电力。图 16 展示了这两种解决方案的优缺点。
在过去 50 年里，商用航空领域取得了长足进步。商业旅行已成为我们日常生活的一部分。在未来 5 - 10 年，一系列新型飞机将配备新改进的发动机。展望未来，新的架构、系统和技术不断涌现，这些都带来了新的挑战和机遇。它们将显著改善燃油消耗、减少污染和降低噪音，这将对航空业、广大乘客以及地球生态产生积极影响。同时，也为年轻工程师提供了充满挑战的职业发展机会。
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来源：江苏激光联盟