原标题：数据解析 | 民用航空发动机技术2020年发展综述

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数据解析 | 民用航空电子技术2020年发展综述

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数据解析 | 飞行控制与航空机电技术2020年发展综述

2020年，世界民用航空发动机领域延续了近年来的发展趋势，以美国GE9X和俄罗斯PD-14为代表的各国新一代民用航空发动机产品的研制稳步推进，各自取得了新的里程碑节点，距离完全服役越来越近。本年度“脱碳”成为航空领域的热点主题词，围绕减少航空领域碳排放，世界民用航空领域的研究机构和制造商有不少实际的举措。5月份欧洲发布了《氢动力航空》报告，空客公司于9月公布了三种2035年可服役的采用液体氢燃料零排放大型客机，欧洲将在氢动力飞机领域发力。此外，航空电推进系统发展持续升温，美、俄、欧等国家和地区的相关项目均取得了不同程度的进展，该领域的迅速发展也引起了军方的关注，美国空军正推进对电推进飞机在军事领域的应用可行性研究。

一、欧洲高度关注氢动力飞机，将对气/液氢储存和燃料电池/涡轮的多种动力形式组合进行深入评估1.欧盟发布《氢动力航空》报告，聚焦氢燃料用于航空领域的系列研究

2020年5月，在欧盟“地平线2020”框架计划资助下，麦肯锡公司与“洁净天空2 联盟”（Clean Sky 2 JU）、“燃料电池与氢能2 联盟”（Fuel Cell and Hydrogen 2 JU）合作，发布了《氢动力航空》报告。该项研究是欧盟“洁净天空”航空减排总体规划的一部分，研判了基于氢燃料的运输航空的技术可行性、机型设计路线、经济性和环境影响。

该项目针对5种商用飞机类型（通勤、支线、近程、中程和远程）进行模拟，为每种类型定义了一款“最有发展前景”的氢动力飞机设计，包括燃料电池、氢涡轮机或氢涡轮机和燃料电池的混合。

经评估，氢能是通勤、中程飞机的最佳推进燃料，合成燃料则为远程飞机的最佳推进燃料。从经济角度来看，中短途航班采用氢能推进对减轻气候影响的效果可能会超过合成燃料。

项目还归纳出研究与创新的路线图，可划分为四个领域：核心氢能组件的开发、氢能飞机系统的开发（包括新飞机设计）、明确基础设施壁垒以及建立治理框架。关键研究活动可分为三个阶段：

2020年至2028年：发展基础性技术，促使通勤飞机通过认证，实现支线和短程氢能飞机成功试飞，并制定路线图和基础工作体系，从安全到市场激活机制等方方面面提供保障。

2028年至2035年：R&I活动应集中于扩大这些组件的规模，将其应用于中程飞机，并使其准备投入使用，同时也为氢能航空的再次发展做好准备，其中包括一个安全和高效的机场氢加注设施。

2035年到2050年：必须为中型和可能的远航程开发概念机和首批原型机，包括新的革命性飞机设计以及用于大规模燃料供应和氢能快速加注新技术。

对于宽体远程喷气飞机，由于氢气系统的复杂性和尺寸呈螺旋式上升，因此最合适的选择不是氢气。相反，他们将依靠合成燃料。因此，氢气是解决方案的主要部分，但不是全部。

2.德国DLR与MTU航空开展航空燃料电池推进系统研究

8月，德宇航和MTU航空发动机公司签署了学术合作备忘录（MoU），将研究重点放在燃料电池推进系统上，两家将共同对该系统进行开发和验证。

为了开发和验证此类技术，两位合作伙伴计划为Do 228飞机配备了氢燃料电池和两台轴功率超过500kW的电动机，分别驱动两个螺旋桨，并在未来几年进行飞行测试。联合技术项目的目的是开发适用于航空及其冷却条件的电推进系统。两个合作伙伴的目标是2026年实现Do228验证机的首飞。

DLR提供和运用项目研究所需飞机，还负责动力系统的集成和认证。该研究所还将在飞行测试、气动力学和航空弹性领域提供专业知识。

二、电推进飞机持续升温，世界多国政府和企业开展多项目推进，军方开始评估电推进飞机的军事应用前景

除仍在持续推进轻型飞机可用的混合电推进系统外，鉴于较大的支线和商用客机是航空碳排放的主要来源，欧美政府已经开始认真考虑在70座及以上大型飞机，航程数千公里的飞机采用电气化推进系统的可行性。目前欧洲和美国已经开展了政府投资的研究项目，研究上述飞机采用的电推进技术。

1.美国和欧洲均启动了政府投资主导的电推进技术研究计划

1月，33家欧洲航空研究单位及工业合作伙伴发起了“混合电推进技术研究及成熟”（Imothep）计划，评估商用航空减排潜力并制订混电技术路线图。

欧委会在地平线2020研究计划下，向该计划投资1040万欧元，该计划将对混合动力飞机的电气技术进行深入研究，深度研究混合电推进技术、先进的飞机结构以及新颖的飞发一体化结构。

计划由法国航空航天研究中心牵头，集合了欧洲飞机制造商空客和莱昂纳多，发动机制造商赛峰、GE、MTU、ITP和GKN，以及航天研究组织CIRA（意大利）、DLR、AIT（奥地利），ILOT（波兰）、INCAS（罗马尼亚）和NLR。法国、德国、意大利、瑞典和英国的大学，以及德国航空界智库Bauhaus Luftfahrt和跨政府空中运输组织Eurocontrol也有参与。

此外，还有很多政府支持的计划正在进行中。英国开展了Fresson项目，由克兰菲尔德大学牵头，采用混合电推进系统对11座的Britten-Norman Islander进行改进，用于短途和跨岛运输。项目成本2300万美元，英国政府出资一半。预计于2022年首飞。

在巴伐利亚州政府的支持下，德国航天中心DLR计划把道尼尔228改为电动飞机验证机，预计2021年进行首次混电飞行。柏林和巴伐利亚州政府计划赞助另一个电推进系统项目，采用专门研制的技术验证机APUS i-6。同时，法国政府正在支持一项由空客、Daher和赛峰开展的项目，把TBM900转化为分布式混合电推进系统。

德国DLR和Bauhaus Luftfahrt在Jetstream31基础上研究了一型全电19座飞机

8月，美国能源部先进研究项目局（ARPAE）宣布启动两个研究项目，为全电的150-200座窄体客机研发推进技术。

ARPAE计划投资3500万美元开展“一体化驱动的航空级协同式冷却电动机”（Ascend）计划。另外2000万美元同步开展“低碳高效电气化航空延程”（Reeach）计划。两个计划将于2020年11月开始，为期四年。这两个项目不寻求集成推进系统整机，而是将目标设置在能量存储、功率生成及全电传输系统等一系列部件与系统级技术上，Ascend计划重点在动力传动系统，Reeach计划重点是能量存储和发电。计划采用一个防错的千伏分布式系统把发电系统的电传输至驱动风扇或螺旋桨的电动机。

2021年，ARPAE计划完成关键设计评审，验证从某涡扇发动机高低压转子提取大功率。把兆瓦级电机/发动机与燃气涡轮轴集成到一起，可以提取电力或存储能量，减小设计裕度，提高效率，或许可使涡扇发动机更小、耗油更少。这种方法使电池重量最小化，是研制单通道客机混合电推进系统的第一步。

2.NASA动员全美行业力量，开展电推进飞机集成验证项目

3月，NASA计划加速电推进系统验证机发展，早日实现把技术应用到单通道飞机上的最终目标。为此，NASA开展了“电气化动力系统飞行验证”（EPFD）项目，该项目是X-59 QueSST低噪声超声速飞行验证机的后续项目。

NASA发展电推进系统的思路是先提升当前在研技术的成熟度，然后进行基于涡桨的验证机地面和飞行试验，再过渡到涡扇验证机试验，并集成到X-plane飞机上，实现单通道飞机的电推进。该项目将于2021财年启动，验证1兆瓦功率范围内的电气化推进系统技术，所装备飞机预计于2030-2035年服役。

第一步，按照项目计划和风险减低要求，NASA把初始五份电动飞机推进系统（EAP）合同授予包括波音、GE和普惠，合同有效期到2020年6月份。除此之外，2019年9月份，NASA还把EAP合同授予了Ampaire和Wright Electric两家初创公司，合同于2020年9月份到期。合同包含12项任务，包括在EPFD下制定飞行试验台计划。

Ampaire公司已经把两架塞斯纳337“天空大师”转换成混电推进系统试车台

Ampaire公司正在塞斯纳337“天空大师”飞机上测试混电验证机，目标是配装4-6座飞机。在NASA授予其的EAP合同下，Ampaire正与Ikhana飞机服务公司合作研究把19座加拿大德·哈维兰公司DHC-6“双水獭”的动力改成混电推进系统。

Wright公司则在进行配装9座飞机的混电推进系统地面试验，目标是私人航空市场。该公司已经公布他们正在研发1.5兆瓦、3千伏动力系统，希望能配装186座短程电动飞机在2030年左右服役。

波音和多家子公司及合作伙伴一起在城市空中交通项目下研究小尺寸电推进系统。GE航空已经测试了1兆瓦电机，并验证了从F110双转子发动机内提取1兆瓦功率。

GE研究中心正在一项与NASA合作的价值1200万美元的项目下，利用碳化硅动力电子器件研发飞行准备状态1兆瓦DC-AC电流换向器。该换向器的飞行试验将在NASA位于俄亥俄州梅溪站的电动飞机试验设备模拟的9144米高空条件下进行。

GE的1兆瓦电流换向器试验将在NASA电动飞机试车台模拟高度条件下进行

普惠对其承担的NASA项目进度保密，很有可能他们正在根据飞机优化需求，研究兆瓦级电动机/发电机与第二代齿轮传动涡扇发动机的集成。在804项目下，柯林斯宇航公司和普惠加拿大正在基于加拿大德·哈维兰公司Dash8设计并联式混电验证机。

3.空客公司E-Fan X混电推进验证机在完成节点后项目取消，但罗罗公司仍在继续研发其发电系统

2月，空客公司E-Fan X混电推进验证机完成了风洞试验，为其的气动设计、低速性能和操纵品质积累了数据。

在测试过程中，E-Fan X安装在Filton低速风洞上，风洞测试段尺寸为3.65m×3.05m。巨型风扇以348km/h的速度送入空气。安装在测试模型上的小型传感器使工程师能够从不同角度分析空气的流动。E-Fan X模型飞机比例为1:8，在模型飞机超过3m的翼展上进行了流动测试。

风洞试验的成功完成是E-Fan X开发的一个关键里程碑。但到4月时，空客和罗罗联合宣布，已经停止了共同合作的E-Fan X混合电推进技术验证机项目，以便“重新聚焦”于碳中和战略。但罗罗公司决定继续进行E-Fan X发电系统的地面测试，将正在挪威测试的发电机与在德比和印第安纳波利斯开发的电力控制和热管理系统集成起来，继续研究测试，以便验证混合电推进技术。罗罗认为，虽然E-Fan X验证飞机项目取消了，但为E-Fan X开发的发电系统却仍可以应用于未来任何可能的飞机项目。

E-Fan X验证机

4.俄罗斯带超导电机的混合电推进系统完成一系列地面测试

2020年，俄罗斯中央航空发动机研究院（CIAM）作为俄罗斯“电动飞机SU-2020”科研工作的牵头单位，正在联合另外俄4家公司的相关力量，为支线飞机研制使用替代燃料的混合动力装置（GSU）。

“电动飞机SU-2020”是俄罗斯联邦工业和贸易部委托的一个国家项目，项目研发历时3年，是“Electrolet SU”研发的延续。

3月，西伯利亚航空研究院、乌法国立航空技术大学、超级奥克斯公司开始改装一架雅克-40飞机用于该混合动力系统的飞行试验。该项目将雅克-40尾部布置的三台发动机，其中一台替换成带发电机的涡轴发动机，带动飞行实验室前端安装的电动机和螺旋桨。该电动机由超级奥克斯公司在预研基金项目下研制，具有高温超导效应和低温系统，与传统电气设备相比，能够保证混合动力装置的单位功率更高、各电器部分（电动机、发电机、输电系统）的效率更高。

10月，CIAM完成了由TV2-117涡轴发动机及发电机构成，作为混合动力系统主电源的涡轮发电机试验。涡轮发电机功率为400kW，由CIAM与乌法国立航空技术大学的专家利用最新的电子技术研制而成。

涡轮发电机的试验在CIAM高空台进行。发电机与发动机动力涡轮输出轴连接，该输出轴的转速为12000r/min。其出口接通模拟发电机载荷特性的电子载荷。试验状态范围从慢车状态（70kW）至最大功率状态（400kW）。试验过程中，整个系统运行正常，无故障和损伤。涡轮发电机与燃气涡轮发动机一起工作时的温度与由电驱动该电机单独工作时的温度相同。

混合动力系统验证机的工作能力和安全性得到验证之后，将装在雅克-40飞机平台上进行飞行试验，该飞行试验计划于2022年进行。

5.英国BAE系统公司在电能系统小型化领域取得进展

7月，英国BAE系统公司正在致力于为Jaunt Air Mobility 等公司的eVTOL系列电动飞机生产更小、更轻的电能系统。

BAE系统公司正在减小电推进飞机的电能管理和发动机控制技术的尺寸和重量，已经生产出的设备比目前在大型涡扇发动机上使用的设备尺寸要小40%，而且重量更轻，处理能力却将提高10倍。该公司还为Jount Air Mobility公司的eVTOL系列电动飞机提供飞行控制和功率转换技术。

与较大型的电能管理和发动机控制单元一样，新的缩小尺寸的控制单元也使用一系列传感器来监控推进系统的性能。根据收集的信息，控制系统可以根据需要自动调整电源设置，还可预测故障发生时间，并对任何必需的维护进行安全有效的管理。BAE公司希望从2021年中期开始，其电能管理设备可以用在各种在研原型机上。

5.美国空军启动“敏捷至上”项目，系统评估电推进飞机的军事应用前景

5月，美空军宣布2家企业进入“敏捷至上”（AgilityPrime）项目第三阶段，可申请政府资源支持，与美空军开展联合演示验证。该项目旨在探索航空业新兴的电动垂直起降（eVTOL）航空器技术在特种作战、救援搜索、短距运输等军事任务中应用的可行性，以推动电动垂直起降航空器在2025年前后实现军队大规模部署应用。

项目关注的3类应用场景及相关技术指标需求分别为：①第一类应用场景是大型载人应用。要求：有效载荷3～8人；采用全电推进或混合电推进；航程大于161千米；飞行速度大于161千米／时；航时超过60分钟。②第二类应用场景是小型载人应用。要求：有效载荷1人或2人，或同等重量的货物；采用全电推进或混合电推进；航程大于16千米；飞行速度大于72千米／时；航时超过15分钟。③第三类应用场景是载货。要求：有效载荷大于230千克；最大起飞重量大于600千克；采用全电推进或混合电推进；航程大于322千米；飞行速度大于161千米／时；航时超过100分钟。

“敏捷至上”项目于2020年2月启动招标，在完成与空军两阶段接触后，乔比飞机公司和贝塔技术公司两家企业于5月29日进入项目第三阶段，可申请其他交易授权类原型机合同，从而获得政府资源支持并开展联合演示验证；美国军刀飞机公司获得了金额325万美元的“小企业创新研究”合同。

面向第一类应用场景，乔比飞机公司研发了S4航空器，它采用全电推进系统和倾转旋翼构型，巡航速度320千米／时，航程240千米。S4航空器方案于2014年确定，2017年完成原型机制造、启动测试工作，并寻求美国交通部联邦航空局认证。

空军的新要求对eVTOL设计提出了苛刻的速度和航程要求，Joby航空的S4（图中）是为数不多的满足这些要求的已知方案之一

同样面向第一类应用场景，贝塔技术公司研发了“阿丽亚”航空器，采用全电推进系统和固定翼／旋翼混合构型，质量2.7吨，是目前全球最大的电动垂直起降航空器。

面向第二类应用场景的飞行器方案较少，仅美国飞特公司提出了“红色蜂鸟”单人飞行器方案，并完成了无人试飞，但尚未获得美空军合同。面向第三类应用场景，军刀飞机公司研发了“雷戈”航空器，采用混合电推进系统，兼具传统升力表面与倾转涵道风扇，其载荷能力为1225千克（垂直起降）或2268千克（常规起降），速度可达到370千米／时。混合电推进系统通过电池组作为蓄能装置实现能量输出的“削峰填谷”，保证发动机始终处于良好、高效的工作状态，美空军近年来极为重视此类能量优化方法。

三、新一代超声速客机研制持续推进，其发动机发展动向值得高度关注

近年来，欧美多家公司都推出了超声速客机的研发计划，而GE、罗罗公司也在为其提供可用的发动机，2020年，超声速客机领域取得了一定进展，后续可能会加速发展，民用超声速客机发动机可能会独立成为一个研究领域，需要高度关注。

1.Boom超声速公司XB-1超声速客机演示样机正在测试，并与罗罗共同研讨其真正商用Overture超声速客机的动力装置

10月，美国Boom超声速公司推出XB-1超声速飞机，这是该公司推出的首架超声速客机演示样机。

Boom公司设计、研发、制造了XB-1，并计划于2021年首飞，XB-1的设计、制造和测试都旨在为Overture超声速商用客机的设计提供有用的信息。XB-1采用了三台GE J85-15发动机，单台能够提供超过12000磅的推力，从而使得XB-1能够超声速飞行。

2020年XB-1正在进行地面测试，并计划于2021年前往加利福尼亚州莫哈韦进行飞行测试。8月，罗罗公司被选中为Boom超声速公司Ma2.2的Overture大型客机和维珍银河公司的Ma3客机提供推进系统。

2.NASA展示配装X-59 QueSST超声速飞机的F414发动机

8月，GE公司已经为NASA的X-59 QueSST（静音超声速技术）高超声速客机技术验证机交付了第1台F414-GE-100发动机。X-59飞机可在1.68万米高空以超声速巡航，其噪声比SST或“协和”飞机等超声速飞机要小得多。

根据项目合同，GE公司将提供2台发动机，还可提供第3台发动机。GE公司正在与飞机制造商洛马公司就飞机集成和交付计划方面进行密切合作。

X-59 QueSST被《大众科学》杂志评为2019年最伟大的100项技术创新之一。其动力F414-GE-100发动机是F414战斗机发动机的商用单发改型，推力为97.9千牛，安全性高。2019年底，GE公司完成了首台F414-100发动机的验收试验。

四、各国新一代民用航空发动机产品的研制稳步推进

2020年，美国GE公司的GE9X发动机研制进程顺利，获得了FAA的型号认证，与此同时，俄罗斯新一代MS-21干线客机采用的PD-14发动机也顺利完成了装机试飞，俄罗斯的PD-8发动机完成了核心机试验，为2023年型号认证铺平了道路。

1.777X配装GE9X发动机完成首飞，且GE9X发动机取得了FAA型号认可

1月，波音公司宣布配装GE9X发动机的波音777-9在波音机场安全着陆，完成了777X首飞，发动机为两台GE9X。在准备用于777X飞行试验之前，GE9X已完成超过4100小时的地面和空中试车，以及6500次循环，并在波音747飞行试验台上进行了72次飞行试验，共计完成了超过400飞行小时。为了支持波音777X试飞，GE公司已生产了8台GE9X发动机和2台备份。

GE公司还与波音公司密切合作，为波音777X飞机提供电力管理系统（ELMS）、备用发电机和备用转换器。新的发电系统的发电量是目前波音777飞机系统的2倍，而ELMS控制的电量增加了30%。

9月，GE9X发动机已经获得美国FAA认证，标志着GE9X发动机项目达到关键里程碑。此次，GE获得联邦航空规章33部认证共涉及9台试验发动机。GE已向波音交付十台套GE9X发动机，供四架777X试飞飞机使用。

10月，GE计划在年底前完成GE9X发动机延程飞行批准试验外，还准备了一台发动机以开展新型导流叶轮装置验证试验。完成FAR33部发动机取证后，GE正开展GE9X批产发动机首批出厂验收试验。GE还计划再准备一台发动机继续开展地面试验以获取25部延程运行（ETOPS）批准。

发动机取证期间，试验发动机累积运转5000小时和8000个循环。由于2019年发现高压压气机静子可靠性问题，发动机取证日期有所拖延。

2.PD-14发动机配装MC-21客机完成首飞

8月，俄罗斯中央航空发动机研究院牵头与“航空发动机”设计局一起研发了PD-14发动机上装配的具有先进冷却系统的高压涡轮单晶叶片。该叶片可以在燃气温度高达2000K（1726.85℃）的情况下工作。和PS-90发动机相比，钛合金空心宽弦风扇叶片成功地将风扇效率提高了5%，低排放燃烧室是由金属间化合物制成，其消音结构是由复材组成，热端部件、空心低压涡轮叶片等具有陶瓷涂层。

整个2020年，俄罗斯都计划开展PD-14发动机配装MS-21飞机首飞，但由于各种原因有所推迟。

12月15日，配装PD-14发动机的MS-21客机在俄中南部的伊尔库茨克成功完成首飞。此次首飞测试了客机工作的稳定性、可控性、发动机工作状态和其他各系统功能，飞行时长共计1小时25分钟。

3.俄透露正在为SSJ-100支线科技研制PD-8涡扇发动机

7月，俄技集团透露，正在为SSJ-100和别-200飞机研制全国产的PD-8涡扇发动机，并计划2023年完成型号认证。PD-8发动机将取代SSJ-100目前的发动机—动力喷气（PowerJet）公司生产的SaM146发动机。

为确保军民用飞机均采用国产发动机，俄技集团正在MS-21飞机配装的PD-14发动机核心机基础上，新研发PD-8发动机，这型多用途动力装置可用于苏霍伊SSJ-100型和别-200飞机，以及先进新型直升机。

按计划PD-8发动机核心机研制将在2021年完成，该发动机将在2023年取得认证。俄技集团表示，该项目资金来源充足，投资额足以确保新发动机研制的所有工作都能按期有效地完成。

PD-8涡扇发动机

4.俄罗斯新研制的直升机发动机计划在三年内认证

7月，俄技集团表示，俄罗斯民用直升机卡-226、安萨特、VRT-500和卡-62直升机都配装的是国外制造的涡轴发动机，为此，俄罗斯联合航空发动机集团公司（UEC）新研制了VK-650和VK-1600发动机，计划在2023年完成认证。

UEC研制的新发动机VK-650的功率为298-521kW、VK-1600功率为969-1267kW。

VK-650发动机可以用在卡-226、安萨特和VRT-500直升机中，VK-1600发动机则用于卡-62直升机。这些发动机无论从技术特征，还是生命周期成本都按世界市场的要求而进行研发的全新的现代化动力装置。

2019年联合发动机公司下属克里莫夫公司宣布开始研制新型涡轴发动机VK-650V，研发人员已经完成了VK-650发动机的方案设计，完成了设计图。按计划，2021年制造出第一批原型机，2023年进行认证。VK-1600发动机也将同期认证。

5.罗罗公司完成超扇发动机多个部件系统制造

2020年，罗罗公司完成了超扇发动机多个部件系统的制造。

2月，罗罗公司正在生产“超扇”（UltraFan）验证发动机的零件，已经开始制造复合材料风扇叶片，其最终直径达到3.55米，这些部件均由该公司在英国布里斯托尔的技术中心制造。

这种风扇叶片是首先通过预填充树脂材料的数百层碳纤维，然后进行加热加压，再在每个叶片安装上薄的钛合金前缘。罗罗公司承诺，与第一代遄达发动机相比，UltraFan将使燃油消耗降低25%。效率的提高部分归功于复合材料风扇叶片和风扇机匣，能够使双发飞机的重量减轻700kg。

7月，ITP航空公司为超扇发动机验证机设计的首个中压涡轮（IPT）机匣已进入最终制造阶段，机匣制造过程中采用了新的粉末热等静压（HIP）技术，使制造所需的原材料减少了多达60%。制造过程包含在罐内对粉末状高温合金（超耐热镍合金）进行高压高温压制成型，获得接近最终机匣的几何形状。

（航空工业发展中心 李东海）

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