王天正

2018年范堡罗航展期间，罗尔斯·罗伊斯通过官方渠道发布召集令，号召支持者前往乐高官方网站参与一项创意模型的投票，该创意是由一位乐高玩家搭建的罗罗“超扇”（Ultra Fan）发动机小比例模型。时至今年8月，网友对该模型的投票已经达到了官方要求的1万票，并进入了评审阶段。如果官方在后续评审中通过了该创意，其将会在未来一到两年内以正式产品的形式上市销售。

丹麦著名玩具制造商乐高十分重视其产品的寓教于乐功能，在此之前，乐高发行过多款与航空航天相关的玩具产品，其中较为经典的当属美国航天飞机和前两年上市的“土星五号”运载火箭，后者与罗罗“超扇”发动机一样，也是在获得了网友超过1万票的支持后，由官方发行的正式产品。此外，比较经典的航空航天产品还有获得波音公司官方授权的787梦想客机。此次进入最终评审阶段的罗罗“超扇”发动机，通过乐高积木精巧的搭建，具有较高的仿真效果，加之拥有罗罗公司官方的强力支持，相信这款航空发动机模型未来极有可能与大众见面。

罗罗为什么如此支持其新一代“超扇”发动机呢？作为全球航空发动机的顶级制造商，罗罗以其遄达系列在世界航空发动机市场与通用电气、普惠三足鼎立，为全球绝大多数民用客机提供动力来源。但隨着市场上对新一代中小型客机更新换代的需求，飞机制造商空客和波音分别拿出了A320neo家族和B737MAX系列来回应客户，对新一代客机性能促进最大的就是油耗更低的发动机。不过，这些新一代窄体客机所选用的发动机被普惠公司的GTF系列和通用电气的LEAP系列抢占了市场，丝毫没有给英国的罗罗公司留下任何机会。虽然说罗罗的遄达系列发动机在大型机市场上具有广泛的应用，尤其是遄达XWB发动机——是空客A350家族飞机的唯一动力来源，但对中小型窄体客机发动机来说，罗罗显然已经丢掉了很大的市场。

幸运的是，在2017年，波音公司表示计划推出一款介于窄体机和宽体机之间的新中型客机，以此填补其在757、767客机退役之后，在737和787飞机之间留下的空挡。波音曾表示，该款中型机预计将在2025年前后问世，届时，飞机将需要一款18-23吨级推力的发动机。罗罗的“超扇”发动机也正是以此定位，希望能在未来5到7年内，全新研制的“超扇”发动机能成为波音新中型飞机的动力来源。

机遇就在眼前

技术指标方面，罗罗为“超扇”发动机设定的目标是：涵道比达到15，总增压比达到70，燃油消耗和排放与遄达700相比降低25%。为了实现这些目标，罗罗采用的新技术新设计包括：全新的核心机构架，旨在最大程度提高燃油效率，降低排放;CTi（碳-钛）复合材料风扇系统和复材机匣，以减轻重量;全新设计的陶瓷基复合材料，降低冷却空气使用量，提高耐热组件效率等。

不过，如果只是单纯使用新技术，而不对航空发动机的设计理念进行更新，传统结构设计的剩余提升空间将会越来越小，提升发动机性能的成本也将以几何级数增加。为此，罗罗公司为“超扇”发动机设计了动力齿轮箱，并将其表述成“超扇”发动机设计的重要组成部分。罗罗公司与利勃海尔宇航公司就动力齿轮箱进行合作，并成立了合资企业——航宇传动技术公司，在此合作框架下，罗罗公司正在引领动力变速箱的设计、集成和试验测试。

“超扇”发动机指标之高，很难一步实现，为此罗罗将新一代发动机的发展之路分为两步，第一步是以已有的遄达XWB为起点，开发并验证Advance发动机。我们可以简单的将Advance理解为“超扇”发动机的低配版或原始版，该型发动机将具有超过11的涵道比和超过60的压缩比，油耗将比目前的遄达700降低20%。Advance同样将采用CTi复合材料风扇，试验团队已经于2014年将该风扇安装在一台遄达1000发动机上，并在747空中试车平台上对风扇系统进行了第一次空中飞行试验。之后3年内，罗罗又对风扇、涡轮等系统进行了多次空中试验，

动力齿轮箱是新发动机的核心部件。

第二步是在Advance核心机的基础上，研发在可预见的未来具有颠覆性的“超扇”发动机。“超扇”发动机除了将使用上述先进核心机、新风扇和涡轮系统、动力齿轮箱外，还将引入可变距风扇技术、先进短舱等此前从未出现在涡轮风扇发动机上的全新结构设计。也只有这些全新的突破，罗罗“超扇”发动机才有可能实现预期的目标。

其中，动力齿轮箱概念无需多言，普惠公司的GTF“静洁动力”发动机使用的就是这项技术，安装在低压涡轮轴和风扇转子之间的减速齿轮可以保证两套系统都处于各自最高效的运转区间，从而提升发动机的效率。

十分值得一提的是，“超扇”发动机将采用可变桨距风扇系统，该系统此前仅在涡轮螺旋桨发动机上应用，发动机控制系统可以在不改变转速的情况下，通过调整风扇叶片桨距，进而改变推力大小，飞机着陆减速时，风扇叶片的攻角甚至可以变成负角度产生反向推力。罗罗将把该设计应用在具有涵道的涡轮风扇发动机上，如果成功，发动机将不再需要反推系统，整个发动机短舱的结构和重量都将简化和减轻。罗罗预计采用新风扇系统的发动机将最多减轻340千克。

但是新技术带来的挑战也前所未有。传统涡桨发动机的风扇最多采用8桨叶，无外涵道可以确保桨距改变时，风扇周围的流场不会对叶片造成震颤或失速，但如果将风扇放置在涵道内，涵道对流场具有单向约束性，如果改变桨叶角度，极有可能在外涵道内造成喘振和推力突变，因此风扇翼型和强度设计此时就尤为重要。同时，风扇变距需要一套安装在转子鼻锥内部的机械结构，变距的动力来源是通过独立驱动？还是从动力齿轮箱引入？是一个需要工程师花费心思设计的地方。前者需要在风扇鼻锥内部安装独立的驱动系统，会占用宝贵的空间资源;后者动力齿轮箱原本就是一个极其复杂的机械结构，再从该结构寻求动力输出，恐怕会增加整个齿轮箱系统的风险。

“超扇”发动机的短舱是一种带出口导向叶片支撑的悬臂短舱，名为先进短舱技术，可以简单将其理解为，将现有发动机短舱的后二分之一部分去掉，以减轻发动机重量。这样的设计得益于可变桨距风扇，使现有的反推系统成为多余。新短舱设计同样可以减小内外涵道的排气损失，同时可以有效降低噪音。

左侧为Advance发动机结构图，右侧为“超扇”发动机。“超扇”风扇根部采用可旋转的变距结构，外涵道短舱长度明显缩短，涡轮尺寸与Advance相比也小了很多。

挑战不容小觑

除了涡轮机运转的基本原理外，罗罗的“超扇”发动机从内到外都采用了全新的技术，想不提升发动机性能都难。然而在项目一切都在很顺利的进行途中，一个尖锐且敏感的声音吸引了人们的关注——“超扇”发动机涉及专利侵权。

去年5月，普惠公司总裁鲍勃·特勒杜语气强硬的向媒体表示，未来如果罗罗的“超扇”发动机被选为波音新中型飞机的动力，罗罗公司可能会面临普惠的专利诉讼。主要原因是“超扇”发动机使用的动力齿轮箱设计，可能侵犯了普惠的GTF发动机的齿轮传动技术。

目前，普惠GTF發动机的减速箱采用的是行星齿轮系统，这是同轴反向减速齿轮中最简单高效的设计，普惠公司对该设计在航空发动机上的应用拥有专利。外界普遍认为，如果罗罗想要绕开专利壁垒，首先至少应该在减速齿轮的结构设计上有所创新。

但令人感到意外的是，特勒杜表示说：“即使‘超扇发动机使用不同类型的齿轮箱，普惠仍可以发起专利诉讼。因为我认为无论是行星减速齿轮，或者是其他什么类型的结构，都无关紧要。如果他们试图向波音公司出售齿轮架构的航空发动机，那么我们就可能会按照要求执行我们的权利。”

看来普惠在研发GTF发动机之前，早已对“应用在涡扇发动机转子的齿轮减速系统”这个构架性质的概念申请了专利，也就是说，只要其他制造商在发动机的低压转子和风扇之间使用齿轮减速技术，就可能造成专利侵权。

乐高玩家设计的罗罗“超扇”发动机展示模型，细节精巧甚至可以转动，但不知道有没有将最关键的动力齿轮箱结构设计出来。

这无疑是罗罗“超扇”发动机在应用环节上的一个巨大挑战，罗罗公司未来会通过怎样的手段，绕开？或是向普惠的专利妥协？我们无法确定，但也不是最重要的。罗罗此次最大的挑战，其实来源于自身。

新技术——齿轮传动，且不论专利问题，单从技术上分析，航空发动机推力越大，意味着齿轮箱受力越大，越容易出现故障。在齿轮传动技术具有行业领导地位的普惠公司，在把减速齿轮箱应用于涡扇发动机之前，经历了几十款涡桨发动机的研发与应用，并且在上世纪90年代首次尝试了在PW8000大型涡扇发动机使用减速齿轮，但PW8000最终以失败告终。又经过近20年的技术积累，终于在2010年代将齿轮传动技术应用在了窄体客机发动机上，至此普惠已经花费了超过100亿美元。

因此在齿轮传动技术上，罗罗与利勃海尔宇航强强联手。目前，罗罗已经投入了约1亿英镑，用于建设基础试验台和组织开展相关试验。其实罗罗公司在大功率齿轮箱的应用方面也拥有较多经验，时至2017年，已经有4类产品使用这种齿轮箱（AE2100、T56、升力风扇、Model 250），有上千台发动机正在服役。利勃海尔宇航同样在齿轮传动、空气管理系统和机械作动系统具有较高造诣。

新技术的应用还有新材料涡轮系统，这也是一个关乎新发动机能否达到设计指标的重要系统。罗罗公司为此启动了一个名为高温涡轮技术验证机的新计划，为Advance和“超扇”发动机提供先进涡轮试验支持。该项目将在一台遄达XWB-97发动机基础上重点开展陶瓷基复合材料和其他先进高温材料的研发，罗罗希望其最新研制的涡轮系统能够超过1300开尔文的温度，更高的温度可以使燃料更加充分的燃烧，从而降低污染和提升燃油效率。

除了具体的大系统外，“超扇”发动机的转子系统也会进行全新设计，中压压气机从目前遄达XWB的8级减少到4级，中压涡轮从2级减少到1级，高压转子采用10级压气和2级涡轮。低压压气机部分，罗罗尚未给出计划采用的级数，但前端既然采用了减速齿轮，那么低压涡轮级数或将比现在普遍采用的5-6级更低，且减速齿轮也或将安装在低压轴上，随低压转子共同转动。这样的设计也可能会让罗罗绕开普惠在定义齿轮传动技术时的专利壁垒。

但细节改变越多，可能出现的问题就越大，眼下普惠GTF发动机就是一个典型的例子，虽然普惠已经承诺将在今年对出现问题的GTF发动机完成维修升级，但因发动机问题导致飞机无法交付或交付之后无法运行，不少客户将订单投向了通用电气的LEAP系列。然而导致GTF发动机故障的问题没有一件来自其使用的最新技术——减速齿轮箱，而是来自那些原本看来并不应该出现问题的、成熟的位置，例如GTF发动机此前遇到的刀锋封严等问题。这也是罗罗“超扇”发动机在研发过程中尤其需要注意，以及未来极有可能面对的问题。

挑战与机遇共存

罗罗“超扇”是一款集当前航空动力所有顶尖技术于一身的新一代概念发动机，我们期待它能在不远的未来以产品的身份吊装在翼下，就像希望乐高能够通过对“超扇”发动机模型的审核一样。只不过真机的意义更大。因为普惠的齿轮传动技术已经在当今航空发动机技术接近瓶颈的时候做出了突破性贡献，而罗罗将在涡轮机原理的基础上登峰造极。因为在目前的航空器动力设计领域，且不考虑研发难度，单是在技术层面，已经没有什么方法可以大幅度提高航空发动机的性能了。罗罗“超扇”发动机未来的诞生，或许将注解航空发动机一个时代的印记。

责任编辑：陈肖