GE航空航天混动涡扇发动机技术，能否帮助现有客机“无缝升级”新能源？

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近日，多家媒体报道称，目前GE航空航天正在研发基于油电混合动力的航空发动机相关技术，以显著降低新一代发动机的油耗排放。

“通行证”发动机在测试中。

据报道，该技术的目标主要是为窄体飞机提供动力。单通道的窄体飞机是目前全球民航市场中占比最高的飞机类型，因此它带来的配套发动机市场份额也是最重要的。著名的CFM56发动机也是因为占领了这一最为重要的市场，一跃成为民用航空史上生产量最大、盈利最高的航空发动机型号系列。

除了GE航空航天之外，目前也有其他企业在开展同领域的研究。例如，雷神技术公司也曾表示在研究油电混合航空发动机，最终产品能提高30%的燃油效率。

推进中的GE“通行证”发动机混动版研发

GE航空航天的相关研究中，目前实际进展最大的是其油电混动的大涵道比涡扇发动机，该发动机基于“通行证（passport）”发动机平台，改装了安装有嵌入式电机及其它配套系统的验证机，正在进行混合动力部件的初步测试和发动机的性能基准测试。

“通行证”发动机主要被用于大型公务机和支线客机的动力系统。其基础设计、技术运用很大程度上继承自LEAP系列发动机，一定程度上可以视为LEAP的“缩小改进型”。这种背景从技术和设计上来说有相当大的便利性，对于GE航空航天未来开发与LEAP发动机同级别的、较大尺寸的油电涡扇发动机，无疑将起到明显的助推作用。

该验证机也是GE航空航天与美国航空航天局（NASA）的合作项目“混合热效率核心（HyTEC）”的第二阶段产物。

HyTEC项目的具体规划如下：

项目第一阶段工作，重点围绕着涡扇发动机核心机的紧凑化和小型化而展开。在相同的发动机尺寸和推力性能限制下，核心机如果做得更紧凑、更小，就意味着能够进一步提升涵道比，使更高比例的气流通过外涵道产生推力，进一步降低油耗。而作为代价，紧凑化核心机内部的部件，必须能够承受更高的温度、压力；在设计上，也必须突破空气粘性等因素导致的气动效率下降、空间限制导致冷却能力降低等一系列严重的不利因素。

NASA人员测试带有隔热涂层的陶瓷复合材料。

NASA人员测试陶瓷隔热涂层。

因此，HyTEC项目第一阶段的重点工作集中在新型材料及其配套工艺，以及如何在更小尺度部件上获得更高气动效率的设计和测试方法等基础领域。可以将其总结为：“缩小最佳材料的范围，对其进行彻底测试；缩小部件（比如涡轮）尺寸外形的设计范围，寻找核心性能最佳的架构；并在发动机核心测试中使用获胜方案”。

项目第二阶段的工作重点则是通过与GE航空航天更深入的合作，制造出紧凑化核心机，并进行地面测试。在这个过程中要引入电机系统形成混合动力，以弥补传统涡扇发动机作为燃机所必然存在的效率缺陷。

混动技术意图解决的现代航发困境

无论是车辆广泛使用的活塞发动机，还是现代飞机上使用的各类涡扇、涡桨、涡轴发动机，这些燃机都面临着相同的缺陷——它们只能在极为苛刻的条件下，才能维持住设计上的最高燃烧效率。特别是占据航空发动机绝对主流的涡轮类燃机，其使用场景中，大气密度、进气速度变化巨大，同时，叶片必须维持高转速才能通过气流压力实现气密，这就造成它的高效区间比依靠“气缸/活塞”组合的活塞式发动机要狭窄得多。

这就使得，现代航空发动机在设计制造上一直面临在不同需求下功率和效率难以兼顾的困境。

比如，一台发动机如果能满足高海拔、高温条件下，在大载重、大角度爬升中的高功率需求，它通常就很难保证低功率巡航状态下的高燃烧效率。

而将油电混合动力技术引入航空发动机领域，核心目的是试图利用电机在非常宽广区间内都能维持极高效率的特点，对涡轮燃机的输出特性进行“填谷削峰”的处理，尽可能保证燃机始终处于最高燃烧效率的工作状态。

在发动机需要高推进功率（比如起飞和爬升阶段）的时候，电机出力辅助驱动风扇和压气机的旋转，降低燃气涡轮压力；在燃机输出功率过剩（比如巡航、降高）的时候，它能将多余的功率和动能，回收成电能储存。其设计理念，与汽车上常见的丰田THS混动系统很有共通之处。

更切合目前实际的混动发动机技术路线

按照NASA提供的数据，HyTEC项目的目标是将油耗降低10%。

但这仅仅涉及GE航空航天的一个产品，需要注意的是，GE航空航天所规划的混动航空发动机产品显然不仅限于“通行证”发动机这一个验证平台，相关技术也涉及甚广。

在“通行证”发动机之外，GE航空航天和NASA还合作了另一个项目：“电气化动力总成飞行演示”（EPFD），具体执行中涉及CT7涡轴/桨发动机与兆瓦级电机的整合。项目目标是预计在2020年代中期开展飞行测试。

GE航空航天CT7发动机。

GE的混动版CT7发动机将在萨博340B平台上进行试飞。

此外，GE航空航天在HyTEC项目所获得的一系列成果，已经有一部分成为了CFM公司推出的新一代开式转子发动机项目RISE的技术基础，比如新型涡轮和喷嘴。据称，这些新技术汇聚后的RISE项目，对比传统发动机油耗能降低20%以上。

混动技术应用在CFM RISE发动机上的概念展示。

仅从理论指标而言，目前很多研究成熟度已经较高的混动飞机方案，借助分布式电机推进器等突破性设计确实能获得比HyTEC项目或是RISE项目更优越的性能优势。但这些方案基本都涉及机体的大幅改变，因此潜在技术风险较高，而且难以在不改变目前主流民用飞机布局的前提下，直接改装。

原生的混动飞机方案性能更高，但布局与现有飞机差异巨大。

而GE航空航天提出的混动发动机方案，大部分技术突破和设计变更都在传统发动机的范围之内，并同时支持有/无储能电池两种状态。这使得现有飞机改装混动发动机的工作，和既往的发动机跨型号升级等工作区别不大。即使是带有储能电池的版本，其加装电池和改装机翼内动力电缆的工作，也并不复杂。

从目前的发展形势来看，受到碳排放相关法规政策带来的持续性压力和经济成本压力等因素作用，油电混合航空发动机一旦得到突破，它赢得广大航司青睐的可能性会相当高——相对投入成本低、技术风险小、收益可观，是一个值得重视的发展方向。

排版：王晨阳

文案 | 策划 ：候知健

编审 | 监制：武晨、王兰

看航空融媒体工作室出品

原标题：《GE航空航天混动涡扇发动机技术，能否帮助现有客机“无缝升级”新能源？》

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