2003 年，罗罗公司的 P. C. Ruffles 发表了《未来的航空发动机》，对当时民用和国防航空航天领域的发动机发展进行了预测。

在民用航空方面，文章指出民用市场受安全、成本、乘客选择和环境因素驱动。当时预测未来飞机和发动机设计将着重满足环保要求，如降低噪音和排放、减少燃油消耗。如今，许多预测已成为现实，像空客 A380 使用的 Trent 900 发动机，采用的先进技术提高了效率、降低了噪音。随着技术发展，飞机发动机在降噪和减排上持续进步，如锯齿形喷嘴、先进声学衬里等降噪技术得到应用。不过，在使用替代燃料方面，由于储存、安全等问题，氢气和甲烷等清洁燃料尚未大规模用于商业航空。

在国防航空领域，文中提到市场需求多样，产品开发周期长，技术多从民用领域转移。当时预测无人飞行器将快速发展，发动机需具备高推重比、可靠性等特性。如今，无人飞行器在军事领域广泛应用，如全球鹰无人机。JSF 项目中的 F136 发动机采用了先进技术，证明了当时预测的准确性。但可变循环发动机因成本和复杂性问题，尚未广泛应用。

回顾这篇 20 年前的综述，大部分预测符合如今航空发动机的发展趋势，不过部分技术因各种因素发展滞后。总体来说，这篇文章为我们提供了航空发动机发展的脉络，也让我们看到行业发展的机遇与挑战。

<1.0 引言>

莱特兄弟在又一次试飞失败后预测，载人飞行的实现还需要 50 年。然而仅仅两年后，奥维尔・莱特在北卡罗来纳州的基蒂霍克完成了首次动力飞行。这一事件不仅表明预测未来是多么困难，同时也开启了航空领域的开拓时代。

从这个具有纪念意义的日子起，航空业以惊人的速度发展，如今已成为我们生活中不可或缺的一部分。现代飞机及其发动机使人们能够安全、舒适地快速运输人员和货物，整个社会都高度依赖于此。全球各国也将飞机作为国防力量的重要组成部分，对其产生了很强的依赖性。

民用和国防这两个主要的航空航天领域，虽然起源相同，但随着时间的推移，发展方向却截然不同。近年来，军事市场从冷战时期逐渐演变为地区冲突主导的市场，复杂多变的局势给飞机和发动机设计师带来了诸多新挑战。国防预算的削减也使得可承受性成为更重要的考量因素，而且这些趋势似乎还会持续下去。

另一方面，民用航空领域的发展则受到安全性、拥有成本、乘客选择等因素的驱动。随着我们迈向可持续发展时代，环境因素的重要性日益凸显。最终，这一发展方向将取决于行业管理机构在应对社会对航空业环境影响的担忧时所采取的措施。从长远来看，经济因素，如煤油的供应情况，也有可能影响该行业的未来走向。

如果对环保型飞机的需求占据主导，那么我们很可能会看到新型飞机和航空发动机概念的技术发展加速。无论行业朝着哪个方向发展，渐进式和革命性的基础技术都是必要的，航空发动机设计中的创新方法也将继续发挥重要作用。

本文将对民用和国防航空航天领域进行探讨，通过强调影响这些市场未来方向的关键因素展开讨论。文章还将阐述近期、中期和长期内飞机推进系统可能的需求，以及为满足社会和客户对推进系统的需求所必需的基础技术。

<2.0 民用航空航天>

2.1 市场驱动因素

如今的民用航空航天市场规模庞大且多样化，涵盖了各种不同类型的飞机，从大型商业客机、小型支线客机到超音速客机、商务机，以及用于私人和商业用途的旋翼机。总体而言，市场预计将以每年约 5% 的速度持续增长，其中亚洲和世界其他欠发达地区的增长最为显著。尽管信息技术的广泛应用可能会抑制高收益商务旅行的增长，快速货运船也可能分流部分预期的货运增长，但信息技术和互联网带来的经济活动普遍增加很可能会抵消这些影响。从乘客数量来看，市场增长可能会促使大多数领域的飞机尺寸普遍增大，同时也会推动一些基础设施的根本性改善，以解决机场安全、容量、空中交通管理和安全等方面的问题。

虽然不同类型的飞机对推进系统的要求各不相同，但有一些因素会根据飞机的尺寸、航程和利用率来驱动飞机和发动机的设计（见图 1）。然而，在所有情况下，设计师都致力于在满足竞争或法规所规定的环境和安全要求的同时，将拥有成本降至最低。例如，在长途运营中，飞机通常较大，因此低噪音和燃油效率高的发动机设计至关重要；而在短途运营中，飞机较小，更注重初始成本和循环寿命。相比之下，商务机体积小、利用率低，因此使用寿命和外部噪音的重要性相对较低，但可靠性和低机舱噪音则至关重要。

首先来看环境因素，噪音和排放（一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物）受到国际或地方法规所体现的公众可接受性的驱动，而二氧化碳排放则直接与燃油消耗相关，目前受飞机经济性的驱动。对于大型飞机，我们已经到了为满足噪音要求而在一定程度上牺牲性能和经济性的阶段。未来几十年，根据行业面临的环境监管水平以及对各因素的重视程度，航空发动机和飞机的外形很可能会发生显著变化。欧洲航空研究咨询委员会（ACARE）认识到这些趋势，为 2020 年前的航空研究议程设定了极具挑战性的目标，其中包括严格的环境、安全和经济目标。这些目标将推动下一代航空发动机和飞机的设计，从而加速技术进步，并促使人们寻求比当今相对成熟的产品更新颖、风险更高的解决方案

生命周期成本，包括初始成本、使用寿命、可靠性和可维护性，仍将是重要的经济驱动因素。航空公司为了赢得市场份额并通过为越来越多的人提供航空旅行来维持增长，会不断降低座位成本。为应对这些挑战，制造商除了通过引入先进技术和设计理念来提供更好的飞机和发动机外，还将越来越多地成为服务提供商，利用其产品知识提供卓越的服务，并对其产品的运营成本承担更大责任。这将促使产品设计方式发生变化，以确保在整个生命周期内降低成本。

2.2 近期

由于产品开发周期长，且验证新技术需要时间，未来五年左右投入使用的产品将是现有或正在开发产品的改进版本。这些产品将采用已在很大程度上得到验证和理解的技术。在宽体飞机领域，这将包括空客 A330、A340 和 A380，波音 777，以及可能的波音 747，它们都由遄达（Trent）发动机系列提供动力（见图 2）。

空客 A380 是最大、最新的宽体飞机，预计于 2006 年投入使用，由三轴、超高涵道比的遄达 900 发动机提供动力，这是罗尔斯・罗伊斯遄达系列涡扇发动机的最新改进型号（见图 3）。

如图 4 所示，遄达 900 发动机相比之前的遄达发动机采用了许多重要的新技术，尤其是首次采用全后掠风扇设计、在压缩机中运用 3D 空气动力学技术以及在涡轮中采用先进的 3D 设计，所有这些都旨在提高效率。后掠风扇还能降低噪音。高压系统将采用对转设计，进一步提高涡轮效率（这一概念借鉴自军事应用），涵道比也比之前的遄达发动机有所提高，以改善燃油消耗率并进一步降低噪音。上世纪 90 年代初，当遄达 700 和遄达 800 发动机首次开发时，其中许多技术还处于研究阶段。

在市场的小型飞机领域，双轴、低总压比、高涵道比的涡扇发动机仍将是大多数窄体飞机（包括小型客机、支线飞机和大多数商务机）的推进系统，而涡轮螺旋桨发动机则为 50 座以下的支线飞机提供动力（见图 5）。

国际航空发动机公司（IAE）的 V2500 发动机为空客 A320 系列飞机提供动力，在竞争激烈的市场领域已被证明是一款极为成功的产品。罗尔斯・罗伊斯在这个国际财团中发挥了关键作用，并将通过 IAE 的 “Vista” 产品战略继续发挥作用。在近期，这包括对 V2500 发动机进行性能和耐久性方面的改进与修改，而长期的技术开发和初步设计活动将确保为下一代单通道飞机提供具有竞争力的产品。罗尔斯・罗伊斯的双轴发动机战略将是这一活动的关键推动因素。

从 V2500 压缩机的设计和开发中获得的经验已应用于 BR700 压缩机的开发。BR700 系列发动机采用了与遄达系列类似的低风险衍生方法，除了波音 717、湾流 V 和全球快车之外，还寻求在全球 5000 飞机上获得近期应用（见图 6）。该系列的 BR710 变体通过提供高性能和低拥有成本，满足了大型商务机市场的需求，同时保持了良好的环境性能。

对于支线市场和中型商务机，AE3007 发动机为塞斯纳奖状 X 和巴西航空工业公司的 ERJ 系列飞机提供动力，并在全球鹰无人机上获得了成功的军事应用。该发动机的核心是 SAAB 2000 通勤飞机上使用的 AE1107C 发动机的衍生产品，后者也有军事应用，本文后面将对此进行讨论。

除了新产品应用外，随着运营商试图在数十年的运营中实现资产价值最大化，现有产品将逐步采用新技术进行升级。技术升级旨在提高效率和降低运营成本，同时尽量减少对环境的影响，并使产品符合新的环境法规。

2.3 中期

尽管中期存在更多不确定性，但由于相关使能技术已在很大程度上确定，产品配置可能会逐步演进。同样，由于产品开发周期长，以及在应用前对技术进行验证的成本和安全要求，未来十年产品中采用的许多技术目前正处于验证阶段。

关于下一代大型民用飞机的发展方向仍存在争议。波音和空客对更快、更直飞的点对点飞机，还是从不断发展的枢纽机场运营的更大飞机的需求表达了不同的观点。只要乘客愿意为缩短旅行时间支付额外费用，这两种需求都有市场。

最初，波音推出了音速巡洋舰，但深入研究表明其在经济上不可行。作为替代方案，现在推出了 7E7 飞机（见图 7），旨在实现更好的经济和环境性能。

7E7 飞机的发动机将是新一代发动机，基于遄达系列的成功经验，采用三轴架构。罗尔斯・罗伊斯将采用大量名为 “Vision10 技术” 的新技术，可能包括嵌入式电启动、整体叶盘（blisk）压缩机，以及通过使用先进材料和减少零件数量来显著减轻重量（见图 8）。

在中型尺寸和航程的飞机领域，我们可能会看到新一代产品取代目前 180 至 280 座的飞机。目前，这种新型飞机很可能是一款基本传统的飞机，沿用当前亚音速运输机的经典后掠翼设计，但采用新的发动机和飞机技术以及设计方法，所有这些都旨在应对行业面临的环境和经济挑战。该发动机的推力可能超过 40000 磅，在这种情况下三轴架构是最佳选择，并将采用与 7E7 飞机提议相同的技术，但发动机的热力循环将根据应用进行优化。

ANTLE（经济适用的近期低排放）发动机项目将提供支持这种架构的技术，并且非常注重环境方面，包括噪音和排放、热效率、推进效率和部件效率以及减轻重量，以实现燃油消耗的改善，从而减少二氧化碳排放。同时也在致力于降低全生命周期成本、提高可靠性和可维护性（见图 9）。

ANTLE 是一个由罗尔斯・罗伊斯领导的欧盟项目，基于遄达 500 发动机。许多技术适用于整个产品系列，包括军事应用。ANTLE 采用了新的高压系统，带有低排放燃烧室，该燃烧室采用了新颖的燃油分级系统和先进的整体叶盘压缩机、先进的无罩高压涡轮以及可变容量的中压涡轮。高压系统还采用了新颖的嵌入式电启动系统。低压涡轮的负荷非常高，能够在不增加涡轮级数的情况下实现高涵道比，并且稍后将引入级数更少的新型中压压缩机。

中期几乎肯定会有现有飞机型号的改进，以及除空客和波音之外，世界其他地区新的小型飞机的开发。南美制造商巴西航空工业公司和加拿大庞巴迪公司在小型支线喷气式飞机领域的近期成功鼓励了这种发展。例如，中国的一个 100 座飞机项目已经在进行中，这将极大地促进其航空业的发展，尽管发动机将来自西方供应商。

这类飞机将由双轴高涵道比发动机提供动力，采用通过德国航空航天研究项目 “Engine 3E”（E3E - 效率、环境和经济）开发的技术，该项目与 ANTLE 项目完全集成（见图 10）。E3E 采用了新型先进压缩机，重点关注改善噪音和燃烧排放，以及降低成本，因为与长途运营相比，成本对短途运营的直接运营成本影响更大。然而，必须注意的是，短途运营对全球变暖的贡献很大，如果引入碳税或其他立法来控制二氧化碳排放，可能会导致该领域的驱动因素重新排序。

其他技术示范项目包括静音技术演示器（QTD），这是一个与波音公司的联合项目，专门针对噪音技术，通过使用锯齿形喷嘴和先进的声学衬里来降低喷气和风扇噪音。互补的 SILENCE (R)（显著降低飞机对社区的环境噪音影响）项目是一个由罗尔斯・罗伊斯领导的欧洲项目，也旨在在 10 年时间内验证更多的降噪技术。

2.4 长期

航空发动机制造商未来的发展方向在长期内更难预测。随着行业进入可持续发展的新时代，严格的环境目标成为飞机和发动机设计师的主要关注点，飞机和发动机的设计以及其中的关键技术都需要实现重大变革。ACARE 为 2020 年设定的具体目标包括将目前感知到的平均噪音水平降低一半，二氧化碳排放量减少 50%，氮氧化物排放量减少 80%，事故率降低五倍。在这些目标中，与二氧化碳相关的目标无疑是最艰巨的，需要对包括飞机和发动机在内的航空运输系统的设计和运营方式采取更激进的方法。

如图 11 所示，目前全球 50% 的航空燃油用于航程小于 1200 海里的航线。考虑到这一点以及 ACARE 的目标，立即引发了短途飞机设计的问题，这类飞机目前围绕整体经济性、乘客舒适度和便利性进行优化，而非燃油消耗。对于如此短距离的旅程，换乘较慢的飞机所带来的时间损失最小，这使得飞机和发动机的设计可以专注于燃油效率，而牺牲部分整体运营经济性。飞机可能采用传统布局，最多可搭载 250 名乘客，使用高涵道比（包括开式转子发动机）和高总压比且部件效率高的发动机。飞机可能会增大尺寸以减少航班频次，同时通过更好的空中交通管理实现更直接的航线，从而带来更多好处。该领域未来的飞机概念可能包括 “低噪音概念飞机”，发动机安装在飞机顶部以减少对地面的噪音影响（见图 12）。

然而，在长途市场，最有可能的结果是保持当前的速度水平，但使用新型飞机（见图 13）和发动机来进一步降低飞机阻力和发动机的燃油消耗率（SFC）。正在评估的概念包括 “翼身融合体”（BWB）飞机、“升力体” 式飞机和 “三表面升力飞机”。其中最有前景的是翼身融合体飞机，由于其湿表面积减少和摩擦阻力降低，具有显著的空气动力学优势。这将带来满足潜在燃油消耗改善所需的那种重大变革。设计限制，特别是由乘客身高决定的机翼深度，将翼身融合体飞机的最小尺寸限制在宽体飞机之上。对于这种配置，最佳的发动机解决方案可能与当今的大型涡扇发动机有很大不同。事实上，在评估对转后风扇方面已经进行了大量工作（见图 14）。

这种设计改善了燃油消耗、减轻了重量并降低了噪音。后风扇配置使进气口远离机翼，从而使顶部安装（而非底部悬挂）的发动机能够更靠近机身。顶部安装的发动机使机翼表面本身能够作为额外的噪音吸收器。

然而，即使采用这些新的发动机架构，使用传统焦耳循环发动机所能实现的改进在热力学上也存在限制。最近一项基于传统焦耳循环的研究预测，通过持续改进循环参数、部件效率和降低冷却气流来提高燃油消耗率的幅度可能不超过 10%。这比过去要少得多，尽管最有成效的领域是进一步提高涵道比，前提是能够避免增加阻力和重量带来的安装损失。

在寻求提供更清洁、更安静和更高效发动机的解决方案时，这些高度相互关联的设计权衡变得越来越重要。它们也凸显了环境管理机构在建立有效的立法和经济平衡以尽量减少行业对环境的整体影响方面所采取方法的重要性。

如果能够克服与恒容燃烧相关的密封和振动应力问题，采用恒容燃烧的先进循环发动机也将显著提高效率。最近对高马赫数飞行器概念的研究在这一领域取得了一些非常有前景的成果。

展望未来 25 年以后，需要从排放和供应安全的角度考虑替代燃料。最近的研究预测，在 2090 年之前，煤油或天然气合成替代品的供应将使该行业不会面临煤油短缺的问题。然而，环境压力可能会加速向比煤油更清洁的替代燃料的转变。

氢气和甲烷是最明显的替代品，甲烷燃烧产生的二氧化碳作为副产品要少得多，而氢气则完全不产生二氧化碳。然而，这会导致水蒸气产量增加，其影响尚未完全了解。由此产生的凝结尾迹和卷云形成的增加也可能对气候变化产生不利影响。再加上燃料储存、制造和安全方面的实际问题，在一段时间内我们不太可能看到这些替代燃料的商业应用。然而，从长远来看，这些因素不应被排除在外。

<3.0 国防航空航天>

3.1 市场驱动因素

如今的国防市场涵盖了各种不同的飞机任务，从战斗到侦察，从直升机到运输机，从加油机到导弹，以及从轻型战斗机和教练机到新兴且不断增长的各类无人机市场。在无需人员参与的飞行器中取消飞行员带来了诸多优势，包括更具隐身性的外形、无需加压的机舱从而拥有更多空间、不受限制的更长任务持续时间以及大幅减少的训练需求。这些因素促使人们越来越关注无人机和无人作战飞机（UAV 和 UCAV）的发展，为未来军事空中战略的变革开辟了全新的机遇。

目前，国防航空航天市场正从冷战结束后的低谷中复苏，尽管随着近期冲突形势的变化，具体需求也发生了转变。在出现新需求的同时，现有和新装备的全生命周期成本以及可承受性将决定采购哪些新装备。加强国际合作、发展网络中心战国防系统、从民用航空航天领域转移技术，以及开发多用途发动机核心，这些都被视为实现所需发展且可承受成本的关键手段。

推重比、马赫数提升、安全性、可靠性（包括预测和诊断）、燃油消耗、生存能力、可维护性、排放和噪音仍然是国防领域的关键驱动因素，尽管每个因素的相对重要性在很大程度上取决于具体应用（见图 15）。

在载人作战领域，这可能是未来 20 年最大的市场领域之一，高推重比仍然是重要的设计要求，以确保空中优势和良好的低空打击能力。

这类飞机也需要具备 “舰载能力”。运输领域的重点则是重型运输能力、部署效率和短距起降性能，这要求发动机具备低油耗和较低的全生命周期成本。直升机将继续用于兵力运输、支援和重型吊运任务，尤其是在高温和高原环境中，不过进攻性任务正越来越多地由无人武装旋翼机（UCARs）承担。就发动机而言，直升机领域的关键要求是功率重量比、坚固性和耐用性。

在教练机和轻型飞机领域，成本是主要驱动因素，因为这些飞机常与相对廉价的模拟工具配合使用。然而，在发展中国家仍有很大的市场，教练机在这些地区常承担轻型战斗任务。

无人机和无人作战飞机领域的主要市场驱动因素很大程度上取决于任务需求。对于无人侦察机而言，高空长航时是关键，需要低单位推力的发动机；而无人作战飞机则需要非常高的单位推力。所有为这类新型飞机提供动力的发动机都需要具备自主运行能力，这为新技术和新工艺的发展提出了独特的新要求，尤其是对轻质电力的需求。该领域的另一个新需求是长期存储能力。导弹作为无人作战飞机的一种特殊形式，其推进系统还需具备一次性使用的特性。

军事市场的产品开发周期通常比民用市场更长，且更新频率更低。因此，近年来出现了更多民用技术向军事领域的转移，这与二三十年前的情况形成了鲜明对比。

3.2 近期

在近期，发动机大多仍将是传统类型，采用的技术主要是 20 世纪 80 年代末和 90 年代初开发并已得到验证的，但在其使用寿命内会通过目前正在研发的新技术进行更新（见图 16）。

用于欧洲台风战斗机的 EJ200 发动机，是仅有的三款能够满足市场对多功能载人战斗机需求、具备出色空中优势的新型作战发动机之一。EJ200 发动机包含大量创新技术，如全整体叶盘式的低压和高压压缩机、单级无罩单晶高压涡轮叶片，以及源自遄达民用发动机的刷式密封和空气喷雾燃烧室。

罗尔斯・罗伊斯与透博梅卡联合研制的 RTM322 发动机，用于 EH101、NH90 和阿帕奇直升机，这是一款面向不断增长的军用直升机市场的近期产品的典范。在竞争激烈的市场中，创新设计和先进技术是成功打入市场的关键。该发动机采用的技术包括独特的进气颗粒分离器，它能防止外物损伤和侵蚀，且没有活动部件；三级整体叶盘式轴流压缩机、紧凑型环形燃烧室，以及使用单晶材料的高效燃气发生器涡轮。

V - 22 鱼鹰倾转旋翼机（见图 17）满足了军事运输领域的特殊需求，其研发需要罗尔斯・罗伊斯 AE 1107C 涡轴发动机的支持。机翼尖端可倾斜的短舱和独立的油系统是为适应垂直和水平飞行而设计的，在开发过程中带来了重大技术挑战。

该发动机核心随后被应用于罗尔斯・罗伊斯为洛克希德・马丁 C - 130J 军用运输机研制的 AE 2100 涡轮螺旋桨发动机。涡轮螺旋桨发动机固有的更高热效率和高起飞推力，为这类飞机提供了低油耗和短跑道起降性能的关键优势。这一系列发动机中共享相同核心的最后一款是罗尔斯・罗伊斯 AE 3007 涡扇发动机，它为诺斯罗普・格鲁曼公司的全球鹰无人侦察机提供动力。该发动机采用宽弦单级风扇，以实现所需的燃油效率和噪音性能，最初是为民用商务机和支线喷气式飞机市场开发的。但其通用性使其能够满足新兴的军事无人机市场的需求。

3.3 中期

中期内，重点将放在通用性上，通过使一种基本飞机设计满足多种任务需求来控制成本。这一理念已应用于联合攻击战斗机（JSF）这一多用途飞机上，它是未来 30 年最重要的战斗机。常规起降（CTOL）、垂直或短距起降（VSTOL）以及舰载型的设计，旨在为所有军事部门提供多功能且价格合理的大量生产的飞机。

JSF 的短距起飞垂直着陆（STOVL）型号，采用罗尔斯・罗伊斯独特的升力风扇（LiftFan®）系统提供向前的升力，该系统在空气动力学和机械设计方面都融入了大量创新技术。向后的升力则由安装在主推进发动机上的创新三轴承转向喷管提供。升力风扇由主推进发动机驱动，包含一个两级对转、高流量、低压比的整体叶盘式风扇转子，可提供约 19000 磅的垂直推力。多片离合器和变速箱可传递近 30000 马力的功率，风扇出口气流通过一个可变面积导流叶片盒喷管（VAVBN）排出，该喷管具有较大的偏转范围。它可以在相对较高的飞行速度、高进气畸变条件以及高离合器接合速度下部署（见图 19）。

作为 JSF 项目的一部分，罗尔斯・罗伊斯还与通用电气合作，研发 F136 发动机，作为普惠 F135 发动机的替代选择。F136 发动机将采用许多新技术，并将应用于其他处于该推力范围的军用飞机上（见图 20）。

该发动机采用基于民用领域开发技术的第二代空心超塑成型 / 扩散连接（SPF/DB）整体叶盘式风扇，该技术也应用于升力风扇系统。燃烧系统和高压导向器叶片（NGV）由罗尔斯・罗伊斯负责设计，采用独特的发散冷却技术，如 Lamilloy® 技术和在美国高性能涡轮发动机综合技术（IHPTET）国防技术示范项目下开发的先进铸造扩散连接（Cast Bond®）工艺。这些技术在长期内都将具有广泛的应用前景。

欧洲对新型军用运输机的需求，将由空客军用公司正在研发的 A400M 运输机来满足。其对推进系统的要求包括重型运输能力、短距起降性能和低油耗，这需要一台功率高达 12000 马力的 TP400 大型涡轮螺旋桨发动机，它是西方世界正在研发的最大的此类发动机（见图 21）。该发动机将由航空推进联盟（APA）开发，罗尔斯・罗伊斯、斯奈克玛、MTU、菲亚特和 ITP 都是该联盟的合作伙伴。

A400M 选择了三轴配置，以便在采用高压力比发动机循环的同时，避免螺旋桨轴与低压压缩机直接连接所带来的操作复杂性。三轴布局还通过更换更高压力比的低压压缩机叶片或增加一级压缩，为发动机提供了功率提升的潜力。

3.4 长期

从长期来看，市场可能会分为有人和无人飞行器两个部分。随着越来越多的任务可以由无人机替代有人机执行，无人机领域的增长将迅速加快。无人机领域的增长将涵盖侦察、战斗（固定翼和旋翼机）、导弹以及太空进入等方面。而有人机领域的增长将主要集中在侦察和打击任务上。

对可承受性和通用性的关注，将推动产品的开发，使其能够满足多种需求，就像 JSF 项目那样。为了控制新技术的开发成本，军民产品之间的技术共享将至关重要。

追求更高的马赫数、航程、性能和可靠性，这一总体趋势与美国的通用经济适用先进涡轮发动机（VAATE）计划和英国的未来进攻性空中系统（FOAS）技术示范项目相契合。这些项目旨在满足广泛领域的未来技术需求，并且特别注重开发多用途技术和通用发动机核心，使其能够应用于多种特定产品。

无人机领域带来了一系列新挑战，需要新的发动机技术来应对。例如，自主运行的需求将直接推动预测和诊断技术的进步，最终实现 “智能发动机”。先进的控制系统和不断增加的电力需求，将加速更多电气技术以及动力输出系统的应用。这些飞行器还需要长时间存储（飞机在任务之间可能会存储数月甚至数年），这带来了更多挑战，也进一步促使人们考虑取消油系统，转而采用更集成的电气系统，如主动磁轴承（AMBs）。

所有现役军用飞机都需要具备隐身性能，尤其是那些在前线作战的飞机。虽然实现飞机隐身主要与飞机设计有关，但推进系统在进气和排气系统设计以及排放（特别是烟雾和氮氧化物）方面也起着重要作用。在隐身性能的主要改进方面，将通过更好地与飞机外形融合，减少排气羽流和热排气部件的红外信号，如图 23 所示的无人作战飞机。加力发动机虽然在提高推重比和战斗能力方面表现出色，但在满足无人作战飞机所需的极低红外信号水平方面存在重大问题。因此，重点将放在需要干发动机在战斗时提供高单位推力，在巡航时提供低单位推力。实现这一苛刻要求的一种方法是采用可变循环概念，尽管目前成本和复杂性仍是应用该方法的障碍。

高马赫数飞行器的重要性日益增加，因为它可以缩短目标识别与摧毁之间的时间。这些飞行器要求发动机能够在高温下可靠运行，并具有可接受的使用寿命（见图 24）。目前正在考虑将采用爆震波进行燃烧的波发动机用于这些应用场景。

在用于国防目的的各种燃气涡轮发动机领域，未来将引入更多先进材料，包括金属基复合材料、更多电气技术、先进的涡轮机械和燃烧系统。许多技术将继续在民用和国防航空航天领域相互借鉴，同时也有一些技术将专门为军事目的而开发。

<4.0 基础技术>

航空发动机一直以来都能从新技术的应用中获益，无论是在性能、排放、重量、寿命、可靠性还是成本方面。降低环境影响和全生命周期成本的压力，将要求在民用和国防市场的所有基础技术上持续投入大量资金。

4.1 设计系统与建模

先进的设计方法、分析工具和改进的建模能力，将在许多领域带来进一步的提升。在产品设计和开发阶段，更加强调使用更复杂的计算建模，从而尽量减少甚至最终取消昂贵的发动机和试验台测试。

预计对整个发动机或系统进行实时建模将是下一步发展方向，这不仅会推动产品进步，还能提高工程流程的效率。整体建模能够合理评估相互作用、“连锁反应” 和风险，并在产品设计阶段早期进行权衡研究。重要的是，这将使设计师能够了解拟议设计变更对全生命周期成本和时间的影响，从而缩短产品上市时间、降低产品成本并提高性能。最近在面向制造的设计（DFM）和面向装配的设计（DFA）领域的工作已经取得了进展，这些工作涉及涵盖整个设计、制造和装配过程的多学科团队。

4.2 材料

燃气涡轮材料是一项关键技术，其发展需要满足增强功能要求和降低制造成本的双重目标，这也是所有技术进步的共同主题。建模能力在此也至关重要，特别是在民用和军事产品都采用 “按小时计费” 合同的新环境下。这些合同更加注重理解运行或工作循环与相关应力和温度之间的关系，从而催生出更精确的预测模型，能够准确计算部件寿命，进而更好地量化和最小化相关成本。

未来另一个令人兴奋的领域是一系列被称为 “智能技术” 的技术，包括形状记忆合金（SMA）。这些材料为提高可靠性和性能开辟了新的前景。形状记忆合金能够使部件根据环境改变并优化自身形状。第 4.8 节将讨论其在降噪方面的应用。最终，许多关键发动机部件可能会通过适应不同的运行条件来优化自身形状，而不是因非设计工况运行而受到影响。目前，在飞机和发动机设计的多个领域都在进行相关研究。图 25 展示了智能材料在航空发动机设计中的一些潜在应用，图 26 描绘了美国国家航空航天局（NASA）对 “变形飞机概念” 的一项长期研究。该概念将使用形状记忆合金和嵌入式传感器，以实现更高水平的空气动力学性能和控制。

4.3 风扇与压缩机

在民用领域，高涵道比涡扇发动机的发展趋势预计将持续，钛合金宽弦风扇叶片仍将是关键部件。未来的工作重点将是进一步提高效率和降低噪音，这在遄达 900 发动机的低叶尖速度后掠风扇设计中已有所体现。

在军事领域，为了提高推重比并取消对加力燃烧室的需求，风扇的压力比将继续提高。通过改进空气动力学设计，以及借助更好的材料和机械结构实现更高的叶尖速度，风扇的级数将保持在最低水平。目前，为 JSF 的升力风扇和主推进风扇开展的工作，采用宽弦超塑成型 / 扩散连接叶片和整体叶盘技术，将在这一技术领域发挥开拓作用。

通过对从进气口前方的自由气流到排气喷嘴的整个流场进行空气动力学建模，风扇设计将得到进一步改进，使风扇及其进气和排气系统能够在整个飞行包线内实现优化。

从长期来看，风扇技术可能会通过采用硅纤维增强钛材料的纤维增强技术得到发展。与传统钛合金叶片相比，这种材料的强度可提高约 50%，刚度也更高。更高的强度可以进一步增加叶片弦长，从而减少叶片数量，提高性能并降低成本。目前，制造过程的相关成本限制了该技术的发展。

在叶片包容方面，未来机械建模技术的进步将改进风扇叶片脱落和包容分析，从而实现减重。提高对外物损伤的抵抗能力（以及对由此产生的任何损伤的检测和检查）也很重要，这是避免叶片故障的一种手段，特别是在单发动机军用飞机中。

民用和军用发动机中的多级压缩机性能，正通过使用最先进的计算流体动力学（CFD）流动求解器和 “优化器” 得到提升（见图 28）。通过自动化设计过程，能够在最短时间内实现最优设计。最近的实例表明，优化叶尖间隙所需的时间缩短了六倍。

虽然压缩机的空气动力学效率可以进一步提高，但更显著的改进可能来自于增加级负荷以减少零件数量，以及使用整体叶盘（blisks）来减轻重量，最初将采用整体式钛和镍材料。然而，材料的进步将进一步实现减重，包括将低密度的钛铝化合物应用于叶片和静子。

整体叶盘最终将被 “叶片环”（blings）取代，叶片环使用金属基复合材料（MMC），与传统设计相比可减轻 70% 的重量，并具有成本优势（见图 29）。叶片环通过使用纤维增强环来承受环向应力，从而消除了传统圆盘的内孔，预计将首先应用于军事产品，随后应用于民用产品。

钛在许多方面是理想的压缩机材料，但在高温摩擦时容易引发剧烈火灾。因此，它仅用于低于由耐火性而非强度决定的极限工作温度的压缩机叶片。目前，正在进行研发一种非燃烧钛（BuRTi）的研究工作，以解决这一问题。如果成功，钛叶片将能够取代后段压缩机中的钢或镍叶片，从而进一步减轻重量。

4.4 燃烧

燃烧技术一直备受关注，民用发动机致力于解决排放问题，而军用发动机则追求高温升。虽然这两种需求本质不同，但解决方案却有很多相似之处。民用发动机尽可能采用贫燃燃烧方式，以减少排放，同时保持弱熄火和再点火边界等其他运行特性。军用发动机在最大功率时燃烧较为富油，但在发动机节流时也会面临同样的弱熄火和再点火问题。

过去，燃烧室技术的发展几乎消除了与烟雾、未燃烧碳氢化合物和一氧化碳相关的排放。然而，氮氧化物的形成仍然是一个更棘手的问题，因为有利于其形成的高压和高温条件，恰恰是提高发动机整体效率、降低燃油消耗和减少二氧化碳生成所需要的条件。

基于遄达（第五阶段）燃烧系统的成功经验，研究最初转向研究双环形配置以实现分级燃烧，通过使用两个独立的燃烧室来满足高功率和低功率运行的相互冲突的要求。然而，这些概念所需的额外冷却空气以及其他妥协因素，意味着理论上的优势在实践中并未完全实现。目前，ANTLE 项目正在开创一种新方法，采用简单低成本的单环形系统，并在单个喷油器内实现燃油分级（见图 30）。与双环形设计相比，这种设计在成本、重量和可靠性方面具有显著优势，同时能实现更好的排放性能。在这种设计中，进入主燃区的空气量较大，从而降低了燃烧过程中的峰值温度，显著减少了氮氧化物的生成。该系统旨在将氮氧化物排放量降低 50%，如果成功，最终将应用于广泛的民用航空航天产品。

从长远来看，为了实现 ACARE 设定的到 2020 年氮氧化物排放减少 80% 的目标，燃烧系统必须朝着类似于陆基气体应用中使用的预混系统发展。目前正在研究使用液体燃料的贫预蒸发、预混概念，以开发这些系统，但在实际应用于航空航天领域之前，仍需克服自燃和回火等主要问题。

除了燃烧建模能力的进步，高温材料也是未来燃烧设计和性能改进的关键（见图 31）。材料的耐高温能力和壁面冷却对于实现良好的燃烧性能至关重要，因为用于冷却的空气通常无法用于燃烧过程。Lamilloy 材料采用了一种发散冷却方式，已在一些发动机的燃烧室壁面中使用，并将进一步开发以满足 F136 发动机的严格要求。随着对其完整性的信心增强，它将得到更广泛的应用。

从长远来看，陶瓷或陶瓷基复合材料（CMCs）的使用有望显著提高温度，同时最大限度地减少冷却需求。然而，在应用之前，必须先解决关于寿命、强度、纤维性能和制造工艺等问题。目前，通过技术示范项目，已经朝着这个方向迈出了坚实的步伐。如果成功，陶瓷燃烧室有望实现消除冷却需求的目标，从而改善排放性能。

4.5 涡轮

涡轮一直是设计师面临的重大挑战，并且仍然是提高发动机整体性能的关键领域。需要在部件效率、耐高温能力和冷却空气消耗方面取得进展，特别是冷却空气消耗，以确保循环改进不会因额外的冷却空气使用而被抵消。

专注于非定常现象分析的气动热方法和设计能力的进步，包括用于涡轮气动和寿命优化的详细气膜冷却分析，将带来效率提升。

这将基于近期在民用产品的最新涡轮设计中应用先进的 “三维端壁成型” 技术所取得的进展。未来发动机中采用可变涡轮几何形状和对转系统将带来更多益处，该配置将在 ANTLE 项目中首次得到展示。像 GE F136 发动机中使用的无静子对转系统，在某些类型的发动机架构中对提高效率和减少冷却气流有积极作用。

高温材料的发展与涡轮设计的进步紧密相连（见图 32）。随着三代单晶材料的发展，我们见证了热障涂层的快速发展，其提高了涡轮的耐高温能力。目前，进一步的发展可能通过将叶片合金和热障涂层（TBCs）作为一个单一系统进行优化来实现。通过改进热障涂层本身，比如加入具有更好热性能的重元素（即所谓的彩色热障涂层），以及优化热障涂层与叶片基体合金元素之间的相互作用，有望显著提升涡轮的耐高温水平。

从长远来看，如果能解决断裂韧性的问题，陶瓷材料有望应用于涡轮中，这将提高涡轮的耐高温能力并减少冷却需求。高压导向器叶片（NGVs）可能会率先使用陶瓷材料，而实现无冷却高压涡轮转子叶片显然是最终的挑战（见图 33）。

4.6 控制技术

控制系统如今对于实现当前和未来航空发动机所需的性能和可靠性至关重要，但其复杂性和成本也在不断增加。未来控制系统的目标之一是在不牺牲安全性、可靠性或性能的前提下降低复杂程度，进而降低成本，这一点可从汽车行业大规模生产且可靠的系统中汲取经验。

全权数字发动机控制（FADEC）在现代航空发动机中已十分常见，它与飞机控制领域 “电传操纵” 技术的进步相辅相成。这些系统的架构和技术将继续紧密关联，但由于发动机周围需要连接大量的传感器和执行器，使得在综合模块化航空电子设备（IMA）架构中追求的标准化难以实现。因此，特别是在大型民用发动机中，由中央微处理器控制发动机周围简单执行器（例如控制可变压缩机和涡轮几何形状）的模式，将逐渐被 “分布式控制系统” 所取代。智能执行器将直接与数字数据总线连接，这不仅能减少布线的复杂性和重量，还能简化维护工作。这也使得相关内置测试设备（BITE）的复杂程度和报告能力得以增强，系统的容错能力也会提高，进一步减轻了备件供应的后勤压力。如此一来，控制系统本身更易于管理，并且能为收集自身及发动机的健康状态信息做出重要贡献。

4.7 预测性维护和发动机健康监测

发动机健康监测（EHM）是新型航空发动机设计中一个日益复杂的领域，并且其功能还将进一步拓展（见图 34）。虽然它通常与控制技术紧密相关，但本质上有所不同。预测性维护能够显著提升可靠性，这是运营商和服务提供商共同的需求。

遄达 900 发动机通过其 QUOTE 系统在先进的发动机健康监测方面迈出了重要一步。该系统能够基于多个发动机传感器的输入，在线分析发动机的运行状态。利用存储的数据，它可以检测到发动机的异常行为，从而在潜在的部件故障发生前发出预警。未来，这类系统的进步将依赖于使用更多更精密的传感器（例如材料 “插入物”）以及改进的发动机分析模型，以便对发动机的整体运行状态进行更复杂的在线分析。系统会根据经验不断修改存储的标准，用于诊断发动机的异常行为、预测即将发生的故障，并及时传达这些信息，从而减少运行中断，并合理安排维护计划。互联网为传输飞机外的这些信息提供了媒介，在线产品支持在许多关键领域已得到实际应用。

通过发动机整体建模的进步，并与发动机健康监测工具相结合，诊断能力将得到进一步提升。对影响部件寿命的材料特性以及故障机制的深入理解，也将催生更复杂的故障预测标准，随着先进系统的不断发展，可靠性也会随之提高。有趣的是，这些进展将越来越多地由军事领域推动，因为它们对于无人机的有效运行至关重要。

4.8 安装和噪声技术

在民用航空领域，随着涵道比的增加以降低喷气速度并提高发动机的基本燃油消耗性能，噪声和安装空气动力学变得尤为重要。如今，空客 A380 飞机为了满足噪声目标，在燃油消耗上付出了一定代价，因为其大直径发动机短舱带来的额外安装阻力和重量，抵消了高涵道比带来的基本优势。要避免这种代价，就需要采用不同的发动机安装方式，例如使用更轻质的风扇系统和低压涡轮来减轻重量、采用新的反推设计，以及可能使用层流短舱。从长远来看，像翼身融合体飞机这样更具创新性的安装方式将带来新的可能性。

与此同时，降噪技术也将发挥至关重要的作用。前面提到的 SILENCE (R) 项目展示了一系列关键的降噪技术，旨在降低风扇和喷气噪声。负斜切进气系统能够将噪声向上引导，从而最大限度地减少地面所听到的噪声，这就是其中一项技术。SILENCE (R) 项目还展示了降低转速的后掠风扇设计。这种后掠设计专门用于降低风扇转子噪声，再结合低噪声的出口导向叶片（OGV）、发动机段静子（ESS）设计以及先进的声学衬里，目标是大幅降低风扇噪声（见图 35）。

前面提到的 QTD 项目，利用一架改装了遄达 800 发动机的波音 777 飞机，对锯齿形喷嘴和安装在发动机短舱进气口的先进声学衬里（称为 Amax）进行评估。这些措施分别进一步降低了喷气和风扇噪声。测量结果显示，风扇噪声降低了 13 分贝，喷气噪声降低了 4 分贝，尽管这伴随着轻微的性能损失（见图 36）。

通过设计锯齿形喷嘴使其能够适应不同的飞行状态，在起飞时将噪声降至最低，在巡航时将效率提升至最高，可进一步优化喷嘴锯齿形设计。为实现这一目标，可以在巡航时收起锯齿，或者利用形状记忆合金（属于 4.2 节中描述的 “智能技术” 家族）根据周围空气温度改变锯齿形状。为了进一步降低风扇和涡轮噪声，一些采用主动控制技术的概念将得以应用，以减少涡轮机械噪声的音调成分。

可以通过多种不同方式从源头降低噪声。一项新兴技术是对风扇和涡轮叶片进行流动管理以降低噪声。正在评估的方案包括叶片后缘处理以及在叶片表面设置流动装置，以改变尾流发展，进而降低转子与静子相互作用产生的噪声。另外，也可以在进气口内置传感器和执行器，产生声波来抵消风扇产生的噪声信号。如今，这种控制技术已被掌握，但还需要进一步开发出成本效益高且重量轻的传感器和执行器，以使该系统具有可行性。

如果能够深入了解噪声源的产生机制，上述所有方案都将更易于实施。现代计算流体动力学工具在提供这种理解以及随后优化设计以降低噪声方面具有巨大潜力。最终，这种分析能力将涵盖近场到远场的效应，以便能更多地利用传统试验台上的室内测试。

4.9 更多电气技术

民用和国防航空航天领域对电力的需求都在不断增加。这是由于需要提升功能性、可靠性，降低重量和成本，同时用简洁的电气解决方案取代复杂的机械系统。在民用领域，对增加乘客舒适度和设施的需求推动了这一趋势；在军事领域，飞机向网络中心战系统、武器和监视设备的发展，尤其是在不断壮大的无人机领域，对电力的需求日益增长。

更多电气发动机（MEE）直接延续了 ANTLE 项目在更多电气技术方面的进展，有望在功能性和可靠性上实现重大突破，同时降低成本和重量。这些改进依赖于发动机和机身的紧密集成，将使传统的现代发动机 / 飞机系统（目前是单独优化的）被全局优化的电气系统所取代。例如，电动环境控制系统（ECS）极具吸引力，因为它不仅能改善燃油消耗，还能消除潜在的机舱空气质量问题。

在发动机层面，这一发展的下一步将是用无油的主动磁轴承（AMBs）取代传统的润滑系统，最终取消整个油系统和齿轮箱。直接安装在风扇轴上的发电机将为机身系统供电，所有飞行控制执行器也将采用电动驱动。

然而，该领域的发展在很大程度上依赖于电气和磁性材料的相应进步，以实现所需的耐高温能力和轻量化设计。绝缘技术、永磁材料和电力电子器件的特定发展是实现更多电气发动机和更多电气飞机的基本要求。目前，这些领域正在通过广泛的研发活动进行探索。

<5.0 总结>

经过一个世纪的发展，航空航天行业不断带来新的挑战，对于发动机设计师而言更是如此，他们为行业的进步做出了重要贡献。民用航空领域正处于十字路口，即将迈入可持续发展的新时代，与以往熟悉的商业驱动因素相比，环境和社会因素的重要性日益凸显。在这个时代，我们将看到全新的飞机设计，这需要开发新的、在某些方面甚至是创新性的推进系统。国防航空领域同样进入了一个新时代，无人机的兴起为现代战争形态的变化带来了新的机遇。成本、性能和能力依然是决定未来发展方向的重要因素。

民用和国防这两个领域对推进系统的要求正朝着不同方向发展，不过基础技术在很大程度上是相通的，这为技术转移提供了更多机会。材料的进步、更多电气技术、先进的设计方法、更环保和低噪的技术以及智能发动机，都将影响燃气涡轮发动机的进一步发展。目前，燃气涡轮发动机在满足未来飞机推进需求方面仍占据主导地位，因为尚未出现可行的替代方案。未来的发展将越来越多地在全球系统层面展开，通过跨国公司和行业合作来实现。

尽管无法做出绝对准确的预测，航空航天市场的发展方向无疑还会受到一些不可预见因素的影响，但可以确定的是，航空业的第二个百年将像第一个百年一样充满挑战和魅力。

航空科学探索

长三角G60激光联盟陈长军转载

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