如何评价 GE 新专为民用飞机打造的超音速涡扇发动机 Affinity?

后协和/图144时代,超音速公务机/客机概念已经存在多年,不是什么新想法。干线客机,不管是宽体还是窄体,因为尺寸,设计制造面临的技术风险过于巨大,还没有哪家公司想要再次挑战超音速干线客机。但是有很强支付能力的VIP们愿意为缩短旅行时间,和面子买单。

如何评价 GE 新专为民用飞机打造的超音速涡扇发动机 Affinity?

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如何评价 GE 新专为民用飞机打造的超音速涡扇发动机 Affinity?

超音速飞行和亚音速飞行是完全两个世界,对于发动机来说尤其如此。

用针对亚音速飞行极致优化的大涵道比/超大涵道比涡扇显然是无法超音速飞行的。而这个世界上并不存在专为现代超音速民用飞机定义、设计、制造的航空发动机。军用发动机和民用发动机也是两个世界,工程上的挑战是完全不同的。尤其是在冷战之后,军机对民机的数量比例断崖式下跌后又持续下降。再加上油价上涨,军机对性能有着更高的追求,而民机追求低油耗高低维护保养成本,其对可靠性/安全性的要求更是极高而刚性。

如何评价 GE 新专为民用飞机打造的超音速涡扇发动机 Affinity?

超音速公务机先锋美国Boom表示过,坚决不把军机发动机装到自己的超音速公务机上。

Affinity:

如何评价 GE 新专为民用飞机打造的超音速涡扇发动机 Affinity?

世界上这么多公司都在超音速公务机的路上走,假如真没有配套发动机,难道要超音速滑翔机吗?就知道有人在家憋大招呢。世界航发三巨头之一的GE在2018年10月16日发布了Affinity,终于补上了超音速公务机这缺失的一环,也可以说是最核心的一环。而这是从定义初始就和Aerion(洛克希德马丁)深度合作的。

工程学就是妥协的艺术,Affinity当然不是例外。

超音速与亚音速的妥协 单纯追求超音速性能的涡轮发动机,一定是没有外涵道的涡喷,有或没有加力燃烧室。现代战斗机显然可以超音速,但是都用小涵道比涡扇配加力燃烧室,因为它们不是纯为超音速飞行定义的。波音2707的配套发动机GE4,单轴涡喷配加力燃烧室:

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协和的发动机罗罗Olympus593,双轴涡喷配加力燃烧室:

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图144初期的配套发动机为NK-144,涡扇配加力燃烧室,而后期改了涡喷配加力燃烧室的RD-36-51:

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NK-144

也就是说,在Tu144身上,是拿涡喷换下了涡扇发动机。可见涡喷相比涡扇,更适合干长时间超音速巡航的活儿。

而针对亚音速飞行极致优化的涡扇,都是涵道比很大的,比如工程杰作GE9X:

如何评价 GE 新专为民用飞机打造的超音速涡扇发动机 Affinity?

Affinity定义为在60,000尺(约1万8千米,亚音速喷气客机的巡航高度为1万米左右)巡航。在海上超音速,而在陆上亚音速。所以,这个东西并不是单纯为超音速定义的。协和/Tu144定义的时候,人们没意识到超音速的噪音,后来被禁止于陆地上超音速飞行。长了这个教训,Aerion设计的飞机本来定义在陆地上就是亚音速的。其配套的发动机当然也不能只追求超音速性能。

如何评价 GE 新专为民用飞机打造的超音速涡扇发动机 Affinity?

所以它有了在超音速发动机中最大的涵道比,兼顾了超音速飞行和亚音速飞行,找到了一个妥协的平衡点。两级超音速整体叶轮的低压压气(风扇),目测外涵道总压比2.8-3.0,远远高于亚音速喷气发动机。低压轴支架放在了一级转子(风扇)之前,中规中矩,下图F414(F-18E/F超级大黄蜂的动力)也是这样,很常见,不胜枚举。

如何评价 GE 新专为民用飞机打造的超音速涡扇发动机 Affinity?

欧洲台风战斗机的动力EJ200是个例外,把第一级风扇放在了最前面,低压轴支架在低压压气(风扇)和高压压气之间。

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效率与噪音的妥协

如何评价 GE 新专为民用飞机打造的超音速涡扇发动机 Affinity?

如何评价 GE 新专为民用飞机打造的超音速涡扇发动机 Affinity?

Affinity的内外涵道喷口用不同的形状来增加喷嘴周长,让高速与低速气体融合更温柔。这降低了流体剪力,也就降低了噪音。但是提高了流阻,从而降低了效率。因为小涵道比涡扇的喷气速度远高于大涵道比涡扇,只有更激进的降噪手段才能符合越来越严苛的噪音标准。

对比一下亚音速客机的涡扇锯齿喷嘴,波音787搭载的GEnX:

如何评价 GE 新专为民用飞机打造的超音速涡扇发动机 Affinity?

Affinity的新技术

虽然是GE在现代超音速公务机这一块处女地的试探,但依旧,这是一台GE。

如何评价 GE 新专为民用飞机打造的超音速涡扇发动机 Affinity?

GE在亚音速大涵道比涡扇的技术路线。作为GE9X之后的项目,Affinity自然是应用了大量新材料,比如最新的涡轮热障涂层、碳纤维的机壳等等。

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最新的涡轮机设计技术:

如何评价 GE 新专为民用飞机打造的超音速涡扇发动机 Affinity?

还有一个非常重要的就是它的加工成型技术,大面积采用3D打印,而这些技术不光来自涡扇领域。在GE9X之后,GE还发了一台ATP涡轴发动机,给涡桨飞机提供动力:

如何评价 GE 新专为民用飞机打造的超音速涡扇发动机 Affinity?

3D打印技术不光是为设计提供了更高自由度,还极大地降低了制造成本。

如何评价 GE 新专为民用飞机打造的超音速涡扇发动机 Affinity?

如何评价 GE 新专为民用飞机打造的超音速涡扇发动机 Affinity?

Affinity是一台相对中规中矩,把GE民发(亚音速)细节技术集中体现在了一台另类涡扇上。Aerion宣传将于2023年首飞AS2,Boom也即将对发动机选型。眼看着这个还并没实际存在的新兴市场马上就要活跃起来了。


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