【行业动态】罗罗概述航空混合动力推进系统现状及未来发展趋势

导读：当听到罗罗公司声称燃气涡轮发动机仍是未来航空发动机的主流时，这并不奇怪。就像人们听到“遄达”这个词时，首先可能想到的就是罗罗公司旗下的航空发动机，而不是那条流经罗罗总部德比的河流。现在罗罗公司正在大力投资新的齿轮式传动型宽体客机发动机，简称UltraFan（国内又称超扇发动机），用不了10年也将飞向天空。

罗罗的垂直起降混合动力军用飞机概念设计

但是，当涉及到实现削减航空排放的宏伟目标时，那将需要颠覆性技术，甚至连罗罗这种航空发动机制造巨头都表示，燃气涡轮发动机结构不是解决之道。今年早些时候在伦敦举行的”航空革命（Revolution.Aero）”会议上，罗罗公司未来飞机项目负责人朱利奥-赞博尼（Giulio Zamboni）明确表示，该公司的愿景是实现混合电动推力系统，也就是说，罗罗公司认为结合电动机和燃气涡轮发动机，可以实现中型或大型飞机二氧化碳和氮氧化物排放的大幅减少。

赞博尼概述了罗罗公司该宏伟计划的三个方面。首先，它将继续优化燃气涡轮发动机，每年在研发上投入10亿英镑。超扇发动机项目计划旨在将遄达系列发动机的效率再提高25%，这种改进将在很大程度上来自超扇发动机的齿轮风扇传动架构。赞博尼表示，该技术具有可扩展性，可使窄体客机和宽体客机同时受益。

其次是显著的提升动力系统与机身的融合，即发动机和机身一体化技术。

第三，就是电气化。赞博尼表示，如果全电动飞机要产生任何有意义的商业影响，就需要在电池技术方面取得突破，而目前的行业现状表明电池技术要在短期内发生革命性的突破很难。这就是为什么罗罗公司认为混合动力系统更加可行，通过传统的燃气涡轮发动机产生驱动风扇推力的电力，可以避免携带笨重的电池上天。

实际上，赞博尼认为电气化将对短途和区域航空旅行产生革命性影响。例如，电气化可以辅助增加可用的飞机升力，这将允许更短的跑道，因此更小的机场，以及更安静的起飞，从而使得机场能够更加接近城市中心或住宅区，这将带来运输政策和基础设施的改革，远远超出仅仅引入新一代飞机。

罗罗公司将航空混合动力推进系统的潜在市场分为三个部分：用于个人运输的垂直起降小飞机，最多可搭载5名乘客，可行驶500海里，约900公里，飞行速度约为400公里每小时，这实际就是空中出租车概念；更大点的飞机，大约搭载4至20名乘客，也是采用垂直起降；然后，搭载20至100名乘客的区域飞机也是航空混合动力的候选人。

甚至航程可达850海里左右的大型区域飞机，和航程1500海里的中小型公务机或窄体客机也可以采用航空混合动力。而更远航程的窄体客机和宽体客机则属于“更多电动化”类别，在该类别里，燃气涡轮发动机和电气化技术同时持续发展，直到电气化比例越来越高。

罗罗公司航空航天技术和未来项目主管艾伦-纽比（Alan Newby）表示：“我们认为电气化是一个新时代，我们将到达那里。”并且，他强调，要想达到欧洲航空规划“飞行路径2050(Flightpath 2050)”减少排放的目标，“我们除了必须不断努力外，还需要新技术。”

混合电动商用飞机

根据欧洲航空研究与创新咨询委员会ACARE制定的目标，需要分别减少75%和90%的二氧化碳和氮氧化物排放量，同时在滑行时使飞机无排放，在可行的情况下，还具备可回收利用能力，这是一项雄心勃勃的目标。纽比说，要实现这个目标将意味着两个关键趋势：电气化和可增强设计的数字化。

纽比表示，燃气涡轮发动机还有很长的未来，这也是电池许多缺点决定的，虽然目前电池技术正在改进并且将进一步发展，但如果要上天，它们需要辅以燃气涡轮发动机。

通过更好的飞机和发动机融合也可以实现很多改进。正如纽比指出的那样，今天的飞机基本上是机身加机翼，然后发动机用螺栓固定。显然实际上可能没这么简单，但正如空客和波音公司最近所展示的那样，通过用新发动机更新现有的机身可以实现更多的目标。

而电气化可以更好的促进飞机和发动机融合的实现，因为它更容易通过电缆而不是通过驱动轴来分配电力。不过也不一定要这么干，纽比在此强调说，电气化本身并不是一个目标，我们需要问的是，电气化到底可以让我们的航空旅行获得什么好处。

机身和发动机一体化将重新利用在飞机表面上流动的空气边界层，可以使得发动机可有效地吸入机体表面的低速边界层，而低速边界层空气可以更好的驱动风扇，增加发动机的输出功率。纽比说，在这里，如果使用分布式风扇，电气化可能有所帮助，因为电气化还可以实现更简单和更便宜的附加升力配置。

然而，他指出重要的是要认识到将推力转换为电力再转换为推力也是有损失，因此必须有飞机级别的收益才能实现效益的净改善。正如开过油电混合动力汽车的驾驶员都知道的那样，混合动力车的一个吸引力在于它们可以通过使用储存的能量来节省总成本，而不是指望所有的效益都来自烧汽油的主发动机。

最终，飞机级集成将把电气化转变为净效益。纽比指出，在这种情况下，罗罗更像是一个系统集成商。其实即使是在航空发动机这种核心业务中，罗罗也没有制造所有零部件，相反，它的专长是拥有开发和认证航空发动机的技能、能够保证关键系统的安全和容错，以及复杂旋转机械的设计能力，而这些能力对实现航空混合动力推进系统也同样有用。

他还指出罗罗公司在船舶和铁路上的混合电气化方面拥有丰富的经验，其中实现的噪声和排放效益类似于航空客机。对于支线飞机，他认为混合动力配置“看起来非常实用”。

该评论也将很快得到验证，预计该飞行试验将于2021年开始，采用围绕罗罗M250涡轴发动机制造了一个垂直升降系统，这款250马力（190千瓦）动力装置可以追溯到20世纪60年代，它曾驱动过包括贝尔407在内的现代直升机。罗罗的该垂直起降推力系统既可以采用串联混合动力模式运行，其中燃气涡轮发动机仅用于为电池充电，为推进系统的电动螺旋桨提供动力；也可以采用并联混合模式，让推力系统的动力来自燃气涡轮发动机或电池，或两者同时。

此外，在2020年下半年，一架名为E-FanX的飞机也将首次飞行，可能会更快地进行更重要的测试。该项目来自空客，罗罗和西门子共同努力，通过改装一架BAe146飞机，将其中一台霍尼韦尔发动机用电动风扇取代。

在外部，这架飞机看起来很像任何BAe 146飞机，除了右侧舷内发动机短舱内将容纳驱动风扇的西门子电动机，而风扇来自罗罗3007燃气涡轮发动机，该发动机是巴西航空工业公司145区域客机的动力。该混合推进系统的动力将在机身内产生，其中罗罗2100燃气涡轮发动机将驱动罗罗设计的发电机，以产生2MW的电力，而空客提供的电池将使这个混合推进系统更加完善。

该项目可不是一件小事。正如纽比指出的那样，2MW是一种在航空领域尚不存在的电力水平，这项技术对于向支线飞机电气化迈进是“非常重要的”。

纽比补充说，E-Fan X应该有可能在20世纪20年代后期或者30年代发展成为经过适航认证的飞机。但是从技术的角度来看，在下一个十年基本上就可以实现了，纽比强调对于这种混合动力电动飞机进行长期商业运营的话，还需要改变航空运输系统的政治和监管意愿。

换句话说，将混合动力电动飞机插入现有的航空运输系统可能不是革命性的，更不用说是改变游戏规则。罗罗公司非常清楚，其更广泛的电气化概念需要“跨行业的创新思维”，包括运输政策和补贴，物理和网络安全，数字票务，机场和地面基础设施设计，空中交通管理以及监管和适航认证要求，此外还必须考虑单个飞行员操作。

归根结底，在罗罗公司的思想中，电气化是一个更广泛的社会转型，它将带来全球航空旅行的革命。

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