如何評價 GE 新專為民用飛機打造的超音速渦扇發動機 Affinity?

後協和/圖144時代,超音速公務機/客機概念已經存在多年,不是什麼新想法。幹線客機,不管是寬體還是窄體,因為尺寸,設計製造面臨的技術風險過於巨大,還沒有哪家公司想要再次挑戰超音速幹線客機。但是有很強支付能力的VIP們願意為縮短旅行時間,和麵子買單。

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如何評價 GE 新專為民用飛機打造的超音速渦扇發動機 Affinity?

超音速飛行和亞音速飛行是完全兩個世界,對於發動機來說尤其如此。

用針對亞音速飛行極致優化的大涵道比/超大涵道比渦扇顯然是無法超音速飛行的。而這個世界上並不存在專為現代超音速民用飛機定義、設計、製造的航空發動機。軍用發動機和民用發動機也是兩個世界,工程上的挑戰是完全不同的。尤其是在冷戰之後,軍機對民機的數量比例斷崖式下跌後又持續下降。再加上油價上漲,軍機對性能有著更高的追求,而民機追求低油耗高低維護保養成本,其對可靠性/安全性的要求更是極高而剛性。

如何評價 GE 新專為民用飛機打造的超音速渦扇發動機 Affinity?

超音速公務機先鋒美國Boom表示過,堅決不把軍機發動機裝到自己的超音速公務機上。

Affinity:

如何評價 GE 新專為民用飛機打造的超音速渦扇發動機 Affinity?

世界上這麼多公司都在超音速公務機的路上走,假如真沒有配套發動機,難道要超音速滑翔機嗎?就知道有人在家憋大招呢。世界航發三巨頭之一的GE在2018年10月16日發佈了Affinity,終於補上了超音速公務機這缺失的一環,也可以說是最核心的一環。而這是從定義初始就和Aerion(洛克希德馬丁)深度合作的。

工程學就是妥協的藝術,Affinity當然不是例外。

超音速與亞音速的妥協 單純追求超音速性能的渦輪發動機,一定是沒有外涵道的渦噴,有或沒有加力燃燒室。現代戰鬥機顯然可以超音速,但是都用小涵道比渦扇配加力燃燒室,因為它們不是純為超音速飛行定義的。波音2707的配套發動機GE4,單軸渦噴配加力燃燒室:

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如何評價 GE 新專為民用飛機打造的超音速渦扇發動機 Affinity?

協和的發動機羅羅Olympus593,雙軸渦噴配加力燃燒室:

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圖144初期的配套發動機為NK-144,渦扇配加力燃燒室,而後期改了渦噴配加力燃燒室的RD-36-51:

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NK-144

也就是說,在Tu144身上,是拿渦噴換下了渦扇發動機。可見渦噴相比渦扇,更適合幹長時間超音速巡航的活兒。

而針對亞音速飛行極致優化的渦扇,都是涵道比很大的,比如工程傑作GE9X:

如何評價 GE 新專為民用飛機打造的超音速渦扇發動機 Affinity?

Affinity定義為在60,000尺(約1萬8千米,亞音速噴氣客機的巡航高度為1萬米左右)巡航。在海上超音速,而在陸上亞音速。所以,這個東西並不是單純為超音速定義的。協和/Tu144定義的時候,人們沒意識到超音速的噪音,後來被禁止於陸地上超音速飛行。長了這個教訓,Aerion設計的飛機本來定義在陸地上就是亞音速的。其配套的發動機當然也不能只追求超音速性能。

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所以它有了在超音速發動機中最大的涵道比,兼顧了超音速飛行和亞音速飛行,找到了一個妥協的平衡點。兩級超音速整體葉輪的低壓壓氣(風扇),目測外涵道總壓比2.8-3.0,遠遠高於亞音速噴氣發動機。低壓軸支架放在了一級轉子(風扇)之前,中規中矩,下圖F414(F-18E/F超級大黃蜂的動力)也是這樣,很常見,不勝枚舉。

如何評價 GE 新專為民用飛機打造的超音速渦扇發動機 Affinity?

歐洲颱風戰鬥機的動力EJ200是個例外,把第一級風扇放在了最前面,低壓軸支架在低壓壓氣(風扇)和高壓壓氣之間。

如何評價 GE 新專為民用飛機打造的超音速渦扇發動機 Affinity?

效率與噪音的妥協

如何評價 GE 新專為民用飛機打造的超音速渦扇發動機 Affinity?

如何評價 GE 新專為民用飛機打造的超音速渦扇發動機 Affinity?

Affinity的內外涵道噴口用不同的形狀來增加噴嘴周長,讓高速與低速氣體融合更溫柔。這降低了流體剪力,也就降低了噪音。但是提高了流阻,從而降低了效率。因為小涵道比渦扇的噴氣速度遠高於大涵道比渦扇,只有更激進的降噪手段才能符合越來越嚴苛的噪音標準。

對比一下亞音速客機的渦扇鋸齒噴嘴,波音787搭載的GEnX:

如何評價 GE 新專為民用飛機打造的超音速渦扇發動機 Affinity?

Affinity的新技術

雖然是GE在現代超音速公務機這一塊處女地的試探,但依舊,這是一臺GE。

如何評價 GE 新專為民用飛機打造的超音速渦扇發動機 Affinity?

GE在亞音速大涵道比渦扇的技術路線。作為GE9X之後的項目,Affinity自然是應用了大量新材料,比如最新的渦輪熱障塗層、碳纖維的機殼等等。

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最新的渦輪機設計技術:

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還有一個非常重要的就是它的加工成型技術,大面積採用3D打印,而這些技術不光來自渦扇領域。在GE9X之後,GE還發了一臺ATP渦軸發動機,給渦槳飛機提供動力:

如何評價 GE 新專為民用飛機打造的超音速渦扇發動機 Affinity?

3D打印技術不光是為設計提供了更高自由度,還極大地降低了製造成本。

如何評價 GE 新專為民用飛機打造的超音速渦扇發動機 Affinity?

如何評價 GE 新專為民用飛機打造的超音速渦扇發動機 Affinity?

Affinity是一臺相對中規中矩,把GE民發(亞音速)細節技術集中體現在了一臺另類渦扇上。Aerion宣傳將於2023年首飛AS2,Boom也即將對發動機選型。眼看著這個還並沒實際存在的新興市場馬上就要活躍起來了。


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