航空工業(yè)正面臨前所未有的減排壓力，國際航空運輸協(xié)會提出到2050年實現(xiàn)凈零排放的目標(biāo)，而傳統(tǒng)渦扇發(fā)動機的能效提升已接近物理極限。在這一背景下，開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機（Open Rotor Engine）作為最具潛力的下一代航空動力方案，再次成為全球航空業(yè)關(guān)注的焦點。湖南泰德航空技術(shù)有限公司帶您從學(xué)術(shù)研究角度，詳細分析開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機的技術(shù)特點、發(fā)展歷程、優(yōu)勢挑戰(zhàn)及未來前景。

一、開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機的技術(shù)原理與特征

開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機，又稱槳扇發(fā)動機或無涵道風(fēng)扇發(fā)動機，是一種介于傳統(tǒng)渦槳發(fā)動機和渦扇發(fā)動機之間的航空動力裝置。其核心特征在于去除了傳統(tǒng)渦扇發(fā)動機的外涵道結(jié)構(gòu)，將風(fēng)扇葉片直接暴露于空氣中，通過大幅提高發(fā)動機涵道比來提升推進效率。

從結(jié)構(gòu)原理來看，開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機通常采用一對相互反轉(zhuǎn)的槳扇和無外涵機匣的設(shè)計。一般由對轉(zhuǎn)輸出減速齒輪驅(qū)動，可以裝在發(fā)動機進口處或者后側(cè)，結(jié)構(gòu)為牽引式或推進式。開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機本質(zhì)上是一臺渦輪噴氣發(fā)動機通過動力渦輪輸出軸功率驅(qū)動安裝在機艙外的螺旋槳/風(fēng)扇，兼具渦槳發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性及渦扇發(fā)動機的速度與性能。

按照不同分類方式，開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機可分為多種類型：按槳扇排數(shù)分為單排旋轉(zhuǎn)、雙排對轉(zhuǎn)和帶整流葉片的單排旋轉(zhuǎn)；按槳扇位置分為牽拉式和推進式；按驅(qū)動方式分為齒輪傳動類和直接驅(qū)動類。這些不同構(gòu)型各有優(yōu)缺點，適用于不同的飛行場景和技術(shù)要求。

二、與傳統(tǒng)渦扇發(fā)動機的比較分析

開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機與傳統(tǒng)渦扇發(fā)動機在結(jié)構(gòu)和工作原理上存在根本差異，這些差異直接決定了其性能特點和應(yīng)用前景。

從結(jié)構(gòu)上看，開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機沒有外涵道，采用雙排對轉(zhuǎn)槳扇，槳葉數(shù)量通常為單排6-12片，具有大后掠角、薄槳葉、直徑適中和轉(zhuǎn)速適中的特點。相比之下，傳統(tǒng)渦扇發(fā)動機有風(fēng)扇葉片通常在前側(cè)，單排20片左右，采用彎掠、寬弦設(shè)計，直徑小，轉(zhuǎn)速高。渦槳發(fā)動機則沒有外涵道，采用單排槳葉，通常在前側(cè)，槳葉數(shù)量6片以內(nèi)，后掠角小，直徑大，轉(zhuǎn)速低。

從性能上看，開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機的主要優(yōu)勢在于其超高的涵道比。傳統(tǒng)渦扇發(fā)動機的涵道比一般在8-11之間，而開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機的涵道比理論上可以達到25甚至60。這一特性使得開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機能夠吸入更多不需參與燃燒但能產(chǎn)生推力的空氣，成為現(xiàn)代客貨機省油的最核心方法。

從熱力學(xué)角度分析，開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機相比渦扇發(fā)動機采用了更大的槳盤直徑和更低的槳盤載荷，具有推進效率提高12%、耗油率降低20%的潛力。此外，大后掠角、寬弦長、薄槳葉設(shè)計，使得開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機比渦槳發(fā)動機速度更高。簡單來說，開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機具有"效率更高，耗油更少"的顯著優(yōu)勢。

三、開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機的核心優(yōu)勢

開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在三個方面：節(jié)能減排性能、推進效率和經(jīng)濟性。

3.1 節(jié)能減排性能

相比傳統(tǒng)渦扇發(fā)動機，開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機具有顯著的燃油節(jié)約和排放減少優(yōu)勢。根據(jù)CFM國際公司的數(shù)據(jù)，其RISE項目開發(fā)的開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機旨在將噴氣發(fā)動機的CO排放量減少至少20%。若全球現(xiàn)役窄體機隊中70%的飛機換裝開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機，年碳排放量可減少1.8億t，相當(dāng)于2024年航空業(yè)總排放的15%。

這一減排效果主要來自兩個方面：一是通過更高的推進效率降低燃油消耗；二是能夠使用100%的可持續(xù)航空燃料（SAF）。GE和賽峰集團計劃通過RISE項目實現(xiàn)與當(dāng)今最高效的發(fā)動機相比，油耗和二氧化碳排放量降低20%以上的目標(biāo)。

3.2 推進效率

開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機的推進效率優(yōu)勢源于其超高的涵道比設(shè)計。涵道比越高，發(fā)動機就能吸入更多不需要參與燃燒但能產(chǎn)生推力的空氣，從而提高推進效率。開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機的實際涵道比理論上可以達到25甚至60，遠高于現(xiàn)階段高性能大涵道比渦扇發(fā)動機的8-11的涵道比。

此外，開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機采用兩級對轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子，不需要定子導(dǎo)流就可以噴出無自旋的氣體，這大幅提高了渦輪機效率，因為兩級都可以對空氣做功。雖然有一個實現(xiàn)對轉(zhuǎn)的齒輪箱，但槳葉的轉(zhuǎn)速和低壓渦輪一樣，做功能力大幅提高。

3.3 經(jīng)濟性優(yōu)勢

開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機的經(jīng)濟性優(yōu)勢主要體現(xiàn)在燃油節(jié)約和重量減少方面。根據(jù)GE首席工程師的介紹，去掉沉重的機艙吊艙和內(nèi)部反推裝置可以為每臺發(fā)動機節(jié)省約一噸的重量。對于航空公司而言，這意味著更低的運營成本和更高的經(jīng)濟效益。

此外，開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機的維護成本也可能低于傳統(tǒng)渦扇發(fā)動機。因為它沒有外涵道外殼，省了非常多的重量和阻力，而且由于這么大的涵道比，外殼尺寸也要被等比放大，省去了這些結(jié)構(gòu)自然也減少了維護需求和成本。

四、全球航空減排壓力下的發(fā)展機遇

在全球航空業(yè)面臨嚴峻減排壓力的背景下，開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機技術(shù)迎來了新的發(fā)展機遇。這些機遇主要來自政策支持、技術(shù)進展和市場需求三個方面。

4.1 政策支持

國際航空運輸協(xié)會（IATA）提出到2050年實現(xiàn)凈零排放的發(fā)展目標(biāo)，而傳統(tǒng)渦扇發(fā)動機的能效提升空間已逐漸接近物理極限。歐盟設(shè)定了到2050年通過開式轉(zhuǎn)子與齒輪傳動渦扇（GTF）發(fā)動機等高效推進系統(tǒng)的應(yīng)用，推動實現(xiàn)溫室氣體排放量較2020年降低30%的目標(biāo)。

各國政府也通過資金支持推動開式轉(zhuǎn)子技術(shù)研發(fā)。2021年，GE公司獲得FAA CLEEN計劃第三階段資金支持，GE和FAA將在五年內(nèi)投資近5500萬美元，加速開發(fā)一系列可持續(xù)航空技術(shù)，包括開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機架構(gòu)、電氣化、降噪技術(shù)等。這是GE第三次獲得CLEEN計劃的支持，前兩次分別在2010年和2015年。

4.2 技術(shù)進展

近20年來，工程降噪、先進制造等技術(shù)的發(fā)展為開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機的復(fù)興提供了技術(shù)基礎(chǔ)。特別是計算機設(shè)計工具的應(yīng)用，使得開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機的噪聲問題有了解決的可能。

2009年-2012年，NASA、GE與FAA合作，對采用現(xiàn)代計算機設(shè)計開發(fā)的帶有葉片的開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機進行了測試。測試表明，當(dāng)代葉片設(shè)計源噪聲大幅降低，且當(dāng)代葉片概念可以實現(xiàn)FAA CLEEN計劃的空氣動力學(xué)性能和聲學(xué)目標(biāo)。

在歐盟"潔凈天空"計劃下的可持續(xù)和綠色發(fā)動機（SAGE）項目中，歐洲評估了兩個開式轉(zhuǎn)子概念：羅羅團隊提出的RB2011發(fā)動機（SAGE1）和賽峰團隊提出的CROR發(fā)動機（SAGE2）。這些研究為開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機的技術(shù)成熟奠定了基礎(chǔ)。

4.3 市場需求

隨著全球航空運輸量的增長和減排壓力的加大，市場對更高效、更環(huán)保的航空動力系統(tǒng)的需求日益迫切。開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機憑借其顯著的節(jié)能減排優(yōu)勢，有望成為下一代窄體客機的核心動力。

空客公司表示，開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機是其下一代窄體客機動力的重要選擇之一。空客計劃在2025年左右，在A380超大型噴氣式客機上試飛CFM概念的開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機。波音公司也預(yù)計將在一架薩博340渦輪螺旋槳飛機上試飛CFM設(shè)計的節(jié)省燃料的混合動力系統(tǒng)。

五、國內(nèi)外研發(fā)與技術(shù)創(chuàng)新

開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了多個階段，國內(nèi)外研究機構(gòu)和企業(yè)進行了大量研發(fā)工作和技術(shù)創(chuàng)新。

5.1 國際研發(fā)歷程

開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機的發(fā)展可以追溯到上世紀(jì)70年代末。早期稱為無涵道風(fēng)扇發(fā)動機或槳扇發(fā)動機。在美國國家航空航天局（NASA）的推動下，GE于上世紀(jì)80年代開始對開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機進行研究。

上世紀(jì)80年代，通用公司的GE36、普惠和艾利遜公司的578-DX等開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機相繼完成了地面和飛行試驗。但這些發(fā)動機最終因噪聲問題和國際石油價格的跌落導(dǎo)致低油耗吸引力降低而難產(chǎn)。

烏克蘭研制的D-27發(fā)動機是全球唯一投入商業(yè)運行的開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機，裝在安-70軍用運輸機上，于1994年試飛成功。但由于無法解決高噪聲的問題，加上故障率居高不下，安-70運輸機無法實現(xiàn)量產(chǎn)。

近年來，開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機技術(shù)重新受到關(guān)注。2021年，通用電氣（GE）和賽峰共同宣布啟動RISE項目（Revolutionary Innovation for Sustainable Engines，可持續(xù)發(fā)動機革命性創(chuàng)新），并展示了新的開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機原型機。

5.2 技術(shù)創(chuàng)新進展

開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機研發(fā)過程中出現(xiàn)了一系列技術(shù)創(chuàng)新，主要包括：

降噪技術(shù)：針對開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機噪聲大的問題，工程師嘗試了多種解決方案。一是使第一級槳葉比第二級的直徑更大一點，這樣被第一級槳葉加速的氣流在最外面的一層不會被第二級槳葉撕扯，這一層氣流包住了內(nèi)部被撕扯的氣流，起到隔音作用。二是開發(fā)新型聲學(xué)襯墊和出口導(dǎo)向葉片以降低噪音。

結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新：RISE項目采用了單轉(zhuǎn)設(shè)計，而非傳統(tǒng)的對轉(zhuǎn)設(shè)計。RISE發(fā)動機并沒有為了追求極致的燃燒效率而采用對轉(zhuǎn)設(shè)計，而是采用了性能增益較低的單轉(zhuǎn)設(shè)計。雖然它的槳扇也有前后兩排，但后排葉片僅能調(diào)節(jié)角度，并不能繞發(fā)動機軸旋轉(zhuǎn)。這相當(dāng)大地降低了發(fā)動機的噪聲抑制難度。

混合動力系統(tǒng)：CFM國際正在嘗試把發(fā)動機做成混合動力的。在RISE上，電力有時也會被用來幫助轉(zhuǎn)動軸。當(dāng)混合動力電動汽車依靠電力運行時，它不使用汽油。對于飛機來說，這是提高燃油效率的新概念。

材料與制造技術(shù)：通用電氣和賽峰集團使用先進的超級計算機來設(shè)計噴氣式飛機的各個方面，包括先進的材料和增材制造工藝，用于制造復(fù)雜的內(nèi)噴嘴和核心內(nèi)的冷卻路徑。CFM國際是唯一使用世界上最強大的超級計算機的非政府實體。

六、商業(yè)化面臨的技術(shù)難題與解決方案

盡管開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機具有顯著優(yōu)勢，但其在商業(yè)化過程中仍面臨一系列技術(shù)難題，需要解決后才能實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。

6.1 噪聲問題

開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機最突出的問題是噪聲水平高。因為沒有外涵道和發(fā)動機短艙，槳扇形成的噪聲得不到傳播方向上的約束，也難以衰減或被吸收，因此其噪聲會高于渦扇發(fā)動機。同時，由于槳扇轉(zhuǎn)速遠高于傳統(tǒng)渦扇發(fā)動機，重量尺寸級別也大于小型通用航空器級別的發(fā)動機型號，通常必須使用前后兩組葉片進行反向?qū)D(zhuǎn)，這使得噪聲問題更加嚴重。

解決噪聲問題的技術(shù)措施包括：氣動聲學(xué)葉片設(shè)計/幾何形狀優(yōu)化、葉片操作槳距/速度優(yōu)化、增加葉片數(shù)量、減少輪盤負載、轉(zhuǎn)子間距優(yōu)化、后旋翼夾斷、增加發(fā)動機掛架與旋翼間距以及掛架尾流緩解等。NASA用CFD對開式轉(zhuǎn)子外涵道做的模擬也為解決噪聲問題提供了 insights。

6.2 機體適配問題

開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機的槳扇直徑較大，對于大多數(shù)"下單翼+翼下吊艙"的現(xiàn)有運輸類飛機，其機翼和起落架的極限尺寸很可能無法容納同等推力級別的開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機。這給發(fā)動機在飛機上的安裝布局帶來了挑戰(zhàn)。

解決方案包括：重新設(shè)計飛機機體以適應(yīng)更大的發(fā)動機；采用替代安裝布局，如尾置發(fā)動機；研發(fā)體積更小的緊湊型核心機，從而在現(xiàn)有的尺寸制約下，獲得更大的涵道比，同時保證推力不降低或更大。CFM公司表示RISE發(fā)動機能適應(yīng)多數(shù)單通道飛機，這意味著RISE發(fā)動機的槳扇直徑增大幅度會受到顯著的制約。

6.3 葉片包容性問題

開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機由于槳扇葉片外露，缺乏渦扇發(fā)動機的短艙包容設(shè)計，特性更接近于渦槳發(fā)動機。但由于轉(zhuǎn)速更高、葉片更銳利，因此它通過葉片包容性的適航認證難度要明顯高于傳統(tǒng)的渦槳發(fā)動機。

解決葉片包容性問題的可能途徑包括：新型材料應(yīng)用、斷裂力學(xué)理論和實際數(shù)據(jù)積累、探傷檢測技術(shù)等基礎(chǔ)科學(xué)研發(fā)領(lǐng)域的突破和進展。在現(xiàn)有的公開資料中，沒有關(guān)于RISE項目包容性的更多信息。

七、下一代航空動力的革命與挑戰(zhàn)

開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機代表了航空動力系統(tǒng)自渦扇發(fā)動機時代以來最大膽的技術(shù)變革，其技術(shù)本質(zhì)是通過打破涵道物理約束，逼近推進效率的理論極限。隨著RISE項目加快進入試驗驗證階段，該技術(shù)已從實驗室走向工程現(xiàn)實，有望在2035年成為下一代窄體客機的核心動力。

然而，開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機能否順利實現(xiàn)商業(yè)成功，仍取決于三大關(guān)鍵因素：一是跨企業(yè)協(xié)同創(chuàng)新，需要發(fā)動機制造商、飛機制造商以及適航當(dāng)局開展深度合作，重構(gòu)飛發(fā)集成標(biāo)準(zhǔn)；二是漸進式降低技術(shù)風(fēng)險，面對產(chǎn)品研發(fā)過程中面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，需要通過測試平臺分階段驗證噪聲控制、安全性和可靠性等技術(shù)能力；三是保持連續(xù)的支持政策，需要對相關(guān)研究工作提供持續(xù)的資金保障，延續(xù)至相關(guān)產(chǎn)品驗證和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展階段，以降低制造商投資風(fēng)險。

從技術(shù)競爭格局看，開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機并非唯一的未來航空動力選擇。以普惠公司GTF發(fā)動機、羅羅公司"超扇"（Ultra Fan）發(fā)動機等為代表的新型航空動力也在加快發(fā)展，這些產(chǎn)品與現(xiàn)有機型兼容性強，技術(shù)風(fēng)險低，將對開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機的發(fā)展形成競爭。

總體而言，開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機技術(shù)具有巨大的節(jié)能減排潛力，是航空業(yè)實現(xiàn)2050年凈零排放目標(biāo)的重要技術(shù)路徑之一。隨著技術(shù)的不斷成熟和突破，開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機有望在未來航空動力領(lǐng)域占據(jù)重要地位，為全球航空業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

&注：文章內(nèi)使用的圖片及文字部分來源網(wǎng)絡(luò)，僅供參考使用，如侵權(quán)可聯(lián)系我們刪除，如需了解公司產(chǎn)品及商務(wù)合作，請與我們聯(lián)系！！

湖南泰德航空技術(shù)有限公司于2012年成立，多年來持續(xù)學(xué)習(xí)與創(chuàng)新，成長為行業(yè)內(nèi)有影響力的高新技術(shù)企業(yè)。公司聚焦高品質(zhì)航空航天流體控制元件及系統(tǒng)研發(fā)，深度布局航空航天、船舶兵器、低空經(jīng)濟等高科技領(lǐng)域，在航空航天燃/滑油泵、閥元件、流體控制系統(tǒng)及航空測試設(shè)備的研發(fā)上投入大量精力持續(xù)研發(fā)，為提升公司整體競爭力提供堅實支撐。

公司總部位于長沙市雨花區(qū)同升街道匯金路877號，株洲市天元區(qū)動力谷作為現(xiàn)代化生產(chǎn)基地，構(gòu)建起集研發(fā)、生產(chǎn)、檢測、測試于一體的全鏈條產(chǎn)業(yè)體系。經(jīng)過十余年穩(wěn)步發(fā)展，成功實現(xiàn)從貿(mào)易和航空非標(biāo)測試設(shè)備研制邁向航空航天發(fā)動機、無人機、靶機、eVTOL等飛行器燃油、潤滑、冷卻系統(tǒng)的創(chuàng)新研發(fā)轉(zhuǎn)型，不斷提升技術(shù)實力。

公司已通過 GB/T 19001-2016/ISO 9001:2015質(zhì)量管理體系認證，以嚴苛標(biāo)準(zhǔn)保障產(chǎn)品質(zhì)量。公司注重知識產(chǎn)權(quán)的保護和利用，積極申請發(fā)明專利、實用新型專利和軟著，目前累計獲得的知識產(chǎn)權(quán)已經(jīng)有10多項。泰德航空以客戶需求為導(dǎo)向，積極拓展核心業(yè)務(wù)，與中國航發(fā)、中航工業(yè)、中國航天科工、中科院、國防科技大學(xué)、中國空氣動力研究與發(fā)展中心等國內(nèi)頂尖科研單位達成深度戰(zhàn)略合作，整合優(yōu)勢資源，攻克多項技術(shù)難題，為進一步的發(fā)展奠定堅實基礎(chǔ)。

湖南泰德航空始終堅持創(chuàng)新，建立健全供應(yīng)鏈和銷售服務(wù)體系、堅持質(zhì)量管理的目標(biāo)，不斷提高自身核心競爭優(yōu)勢，為客戶提供更經(jīng)濟、更高效的飛行器動力、潤滑、冷卻系統(tǒng)、測試系統(tǒng)等解決方案。