NASA混合熱效率核心機(jī)項(xiàng)目分析

■ 李明 / 中國航發(fā)研究院

（李明，中國航發(fā)研究院，高級工程師，主要從事航空發(fā)動機(jī)發(fā)展戰(zhàn)略與科技情報研究）

2021年3月29日，美國國家航空航天局（NASA）發(fā)布了混合熱效率核心機(jī)（HyTEC）項(xiàng)目研究公告（NRA），向工業(yè)界征集研究方案，旨在將渦扇發(fā)動機(jī)的燃油效率提高5%～10%，開發(fā)適用于下一代單通道客機(jī)的發(fā)動機(jī)技術(shù)，以確保美國在發(fā)動機(jī)領(lǐng)域繼續(xù)處于領(lǐng)先地位。

針對小型高功率密度核心機(jī)技術(shù)，美國國家航空航天局（NASA）格倫研究中心（GRC）在2020年8月發(fā)布了混合熱效率核心機(jī)(HyTEC)項(xiàng)目的信息邀請書（RFI），要求航空發(fā)動機(jī)制造商提供正在開發(fā)的、符合該項(xiàng)目需求的技術(shù)信息，以及成本、進(jìn)度等情況。NASA借此驗(yàn)證項(xiàng)目的合理性和可行性，使項(xiàng)目聚焦到最適合協(xié)作開發(fā)的技術(shù)，確保其投資開發(fā)的技術(shù)內(nèi)容是理想的選擇，使下一代單通道客機(jī)使用新的小型核心機(jī)技術(shù)能最大程度地減少油耗、提高耐久性，并能盡快地服役，同時也促進(jìn)業(yè)界的相互競爭。

項(xiàng)目概況

項(xiàng)目目標(biāo)

HyTEC項(xiàng)目意在加速渦扇發(fā)動機(jī)核心機(jī)技術(shù)發(fā)展，并在2026年前形成先進(jìn)核心機(jī)驗(yàn)證機(jī)，驗(yàn)證高熱效率、高功率密度的核心機(jī)技術(shù)，用于本世紀(jì)30年代早期服役的單通道客機(jī)。在保持渦扇發(fā)動機(jī)推力、效率、可操作性和耐久性情況下，實(shí)現(xiàn)高達(dá)20%的功率提取。

計(jì)劃安排

NASA打算與美國工業(yè)界和監(jiān)管機(jī)構(gòu)合作開展該項(xiàng)目，采用基于模型的系統(tǒng)分析和工程，管理、集成各項(xiàng)技術(shù)的開發(fā)與驗(yàn)證。NASA確定了一套針對與工業(yè)界合作的技術(shù)成熟活動，其中包括利用NASA的資源、試驗(yàn)設(shè)施及其專業(yè)知識，來加速工業(yè)界小型核心機(jī)技術(shù)開發(fā)，主要的技術(shù)領(lǐng)域包括高壓壓氣機(jī)（HPC）、高壓渦輪（HPT）、燃燒室、低壓渦輪（LPT），以及渦扇發(fā)動機(jī)功率提取。

項(xiàng)目的第一階段側(cè)重于通過子系統(tǒng)或部件的試驗(yàn)，開發(fā)這些單項(xiàng)技術(shù)，達(dá)到技術(shù)成熟度（TRL）4～5級。第二階段轉(zhuǎn)向核心機(jī)演示驗(yàn)證，各項(xiàng)技術(shù)將集成到一個完整的核心機(jī)，來驗(yàn)證高功率密度的小型核心機(jī)在2026年達(dá)到TRL6級。

項(xiàng)目研究內(nèi)容

縮小渦扇發(fā)動機(jī)的核心機(jī)可增大涵道比，提高總體效率。更小的核心機(jī)意味著更高的內(nèi)部溫度，需要使用更耐熱、抗膨脹的先進(jìn)材料，當(dāng)前正在研發(fā)陶瓷基復(fù)合材料（CMC）、先進(jìn)涂層、先進(jìn)冷卻技術(shù)，確保較小的轉(zhuǎn)子/靜子葉片能承受更大應(yīng)力。

HyTEC項(xiàng)目與CFM56發(fā)動機(jī)參數(shù)對比

高壓壓氣機(jī)（HPC）技術(shù)

隨著核心機(jī)尺寸的縮小，由葉尖間隙、葉片厚度、腔流及漏氣引起的損失增加，對壓氣機(jī)前區(qū)的可操作性和穩(wěn)定性也提出了更多限制。

在項(xiàng)目第一階段，重點(diǎn)開發(fā)前區(qū)氣動優(yōu)化技術(shù)和后區(qū)氣動優(yōu)化技術(shù)。運(yùn)用日益提高的氣動設(shè)計(jì)并融合其他先進(jìn)技術(shù)，通過試驗(yàn)前預(yù)測和壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)件的試驗(yàn)，驗(yàn)證高總壓比發(fā)動機(jī)的高壓壓氣機(jī)性能和可操作性的提高。二者都涉及非常規(guī)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)特征，如機(jī)匣處理、先進(jìn)葉型及相關(guān)技術(shù)。前區(qū)氣動優(yōu)化技術(shù)包括管理高負(fù)荷跨聲速的前幾級，來確保氣動機(jī)械的穩(wěn)定性和可操作性；最大限度地減少可變結(jié)構(gòu)，以及更有效的級間匹配。后區(qū)氣動優(yōu)化技術(shù)包括降低由于相對較大的間隙導(dǎo)致的固有損失；解決妨礙簡單幾何縮放核心機(jī)的設(shè)計(jì)/制造限制；可操作性管理；高溫管理。

NASA向工業(yè)界征詢的候選技術(shù)領(lǐng)域

高壓渦輪（HPT）技術(shù)

提高小型核心機(jī)的熱效率通常要增加渦輪前溫度，這對高溫材料系統(tǒng)和先進(jìn)冷卻技術(shù)提出挑戰(zhàn)，NASA的研究重點(diǎn)在CMC。NASA通過自身研究和對外合作的方式，一直開展研究來了解帶冷卻的CMC葉片的氣動、熱和結(jié)構(gòu)性能。

在項(xiàng)目第一階段，重點(diǎn)開展以下工作。

一是先進(jìn)氣動設(shè)計(jì)。開發(fā)和驗(yàn)證優(yōu)化的HPT氣動性能，提高整個熱力循環(huán)的性能。識別幾何結(jié)構(gòu)影響，管理二次流和冷卻氣流，降低葉身和葉尖熱負(fù)荷，優(yōu)化葉尖特征以最小化葉尖損失和管理熱負(fù)荷。

二是高溫CMC渦輪轉(zhuǎn)子葉片。設(shè)計(jì)CMC/環(huán)境屏蔽涂層（EBC）的冷卻/非冷卻渦輪葉片，對其在旋轉(zhuǎn)工況下對耐溫和性能提升的表現(xiàn)進(jìn)行評估，包括先進(jìn)的冷卻概念，識別影響耐久性的關(guān)鍵材料和設(shè)計(jì)參數(shù)。通過試驗(yàn)和分析這些參數(shù)如何優(yōu)化以增加耐久性，來消除或延遲關(guān)鍵故障的發(fā)生。

三是高溫CMC渦輪導(dǎo)向葉片。設(shè)計(jì)和評估由CMC/EBC制成的渦輪導(dǎo)向葉片，與目前水平相比，這些導(dǎo)向葉片能減少或取消氣膜冷卻氣流。識別增加耐久性的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，將失效模式、耐久性的模型預(yù)測與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比。

燃燒室技術(shù)

小型核心機(jī)、高壓比的發(fā)動機(jī)對燃燒室排放和可操作性都提出了巨大挑戰(zhàn)，需要發(fā)展先進(jìn)材料和冷卻技術(shù)，同時解決排放的問題，其中主要涉及技術(shù)包括先進(jìn)材料冷卻技術(shù)和緊湊燃燒室設(shè)計(jì)。

在項(xiàng)目第一階段，重點(diǎn)開發(fā)燃燒室材料技術(shù)。設(shè)計(jì)CMC/EBC小型核心機(jī)燃燒室火焰筒來提高性能，識別影響性能和耐久性的關(guān)鍵設(shè)計(jì)特征，通過試驗(yàn)和分析驗(yàn)證如何延遲故障發(fā)生。

先進(jìn)熱管理技術(shù)

該技術(shù)涵蓋了發(fā)動機(jī)的整個系統(tǒng)，增加核心機(jī)熱效率需要先進(jìn)的緊湊熱管理系統(tǒng)，涉及到先進(jìn)冷卻技術(shù)、增材制造技術(shù)以及創(chuàng)新設(shè)計(jì)系統(tǒng)等。

功率提取技術(shù)

渦扇發(fā)動機(jī)的功率提取是NASA認(rèn)定的一項(xiàng)航空技術(shù)挑戰(zhàn)。早在1972年，NASA的研究表明，在噴氣發(fā)動機(jī)的主軸上集成發(fā)電機(jī)為所有子系統(tǒng)供電，可能會使客機(jī)減輕10%的質(zhì)量，并降低發(fā)動機(jī)所需的總功率，從而改善燃油效率。

隨著技術(shù)發(fā)展，飛機(jī)的電氣化程度越來越高，核心機(jī)將為飛機(jī)的各個子系統(tǒng)，例如客艙溫度控制和液壓系統(tǒng)，提供更多電力。目前，波音787的電氣化程度最高，在飛行控制、環(huán)境控制、起落架收放和制動等關(guān)鍵領(lǐng)域，電氣系統(tǒng)取代了傳統(tǒng)的液壓和氣動系統(tǒng)，其功率提取率為5%。

HyTEC的新技術(shù)有望將功率提取提高到10%～20%。一旦功率提取技術(shù)得到驗(yàn)證，新發(fā)動機(jī)將能與電動飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的兆瓦級部件集成，結(jié)合高效復(fù)合材料飛機(jī)制造技術(shù)（HiCAM）和超高效、高展弦比的桁架支撐機(jī)翼（TTBW）等創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，將實(shí)現(xiàn)民用飛機(jī)的長期可持續(xù)性。

在保持當(dāng)前民用渦扇發(fā)動機(jī)的推力、質(zhì)量、效率、可操作性、耐久性等性能條件下，要顯著提高功率提取的水平，需要解決的關(guān)鍵技術(shù)包括：任務(wù)包線內(nèi)，高低壓軸功率的分別提??；機(jī)電能量管理控制；確保發(fā)動機(jī)穩(wěn)定性；功率提取對渦輪機(jī)械部件和發(fā)動機(jī)總體設(shè)計(jì)、性能、油耗、質(zhì)量和耐久性的影響評估。

項(xiàng)目發(fā)展時間表

技術(shù)發(fā)展規(guī)劃

HyTEC項(xiàng)目對前述的各項(xiàng)技術(shù)發(fā)展，明確了研究周期、里程碑等安排，包括初步設(shè)計(jì)評審（PDR）、詳細(xì)設(shè)計(jì)評審（DDR）、關(guān)鍵設(shè)計(jì)評審（CDR）及關(guān)鍵決策點(diǎn)（KDP）。

項(xiàng)目技術(shù)管理

NASA有一套系統(tǒng)的技術(shù)衡量指標(biāo)，來深入了解技術(shù)方案制定、技術(shù)開發(fā)進(jìn)展情況、相關(guān)風(fēng)險和問題的持續(xù)評估，以及實(shí)現(xiàn)利益攸關(guān)方關(guān)鍵目標(biāo)的可能性。經(jīng)過系統(tǒng)需求論證，明確項(xiàng)目的效能指標(biāo)（MOE），制定關(guān)鍵性能參數(shù)（KPP）。效能指標(biāo)經(jīng)過設(shè)計(jì)推演、迭代和驗(yàn)證，形成性能指標(biāo)（MOP）。在研制過程中通過技術(shù)性能度量（TPM）實(shí)現(xiàn)監(jiān)管和風(fēng)險監(jiān)控，確保技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

效能指標(biāo)（MOE）

用來建立項(xiàng)目利益攸關(guān)方的期望和項(xiàng)目目標(biāo)，被利益攸關(guān)方用來評判其對產(chǎn)品的滿意度。

性能指標(biāo)（MOP）

用來確定項(xiàng)目通過技術(shù)開發(fā)和混合熱效率核心機(jī)地面驗(yàn)證來達(dá)到的階段目標(biāo)，是定量化的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)達(dá)到時，能幫助確保一項(xiàng)MOE達(dá)到要求。

HyTEC項(xiàng)目的效能指標(biāo)

關(guān)鍵性能參數(shù)（KPP）

用來確定項(xiàng)目技術(shù)開發(fā)和核心機(jī)地面驗(yàn)證的成功標(biāo)準(zhǔn)，是任務(wù)成功的核心能力或特征。

技術(shù)性能度量（TPM）

在合同授出后，對構(gòu)成關(guān)鍵性能參數(shù)的關(guān)鍵可度量技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行量化評估，用來跟蹤技術(shù)進(jìn)展是否滿足性能指標(biāo)、識別可能妨礙滿足性能指標(biāo)的缺陷。NASA要求競標(biāo)者須確定每項(xiàng)建議技術(shù)的性能度量，并提供其對相關(guān)KPP貢獻(xiàn)的評估。

選取的技術(shù)性能度量需要反映發(fā)動機(jī)關(guān)鍵性能，把握研制風(fēng)險，做到自下而上的技術(shù)管控，通過技術(shù)性能度量可確保發(fā)動機(jī)性能指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)效能指標(biāo)，最終滿足需求。

被跟蹤的可度量技術(shù)指標(biāo)的選定是基于成本、風(fēng)險和該參數(shù)是否是系統(tǒng)成功的關(guān)鍵指標(biāo)，起著衡量和評估技術(shù)進(jìn)展?fàn)顩r的度量作用。

HyTEC項(xiàng)目的關(guān)鍵性能參數(shù)

項(xiàng)目進(jìn)展

2021年2月10日，NASA發(fā)布了項(xiàng)目研究公告（NRA）草案；3月29日，針對項(xiàng)目第一階段（技術(shù)開發(fā)階段）發(fā)布了正式公告，要求競標(biāo)者在5月11日前提交方案。NASA要求競標(biāo)者至少要分擔(dān)一半的成本費(fèi)用，可以是現(xiàn)金或設(shè)備、人力等非現(xiàn)金的形式。NASA后續(xù)將從競標(biāo)者的以往經(jīng)驗(yàn)、實(shí)施潛力和影響、技術(shù)途徑和能力、工作計(jì)劃等方面，對提案進(jìn)行綜合評估，最后將向最能滿足公告目標(biāo)的競標(biāo)者授出成本分擔(dān)合同，周期2年。

NASA計(jì)劃從2022財(cái)年開始，在項(xiàng)目第一階段的技術(shù)研究領(lǐng)域，每年投入1000萬美元，但實(shí)際金額還要依收到的提案質(zhì)量和可用資金而定，預(yù)計(jì)將在2021年8月授出合同。

項(xiàng)目的合作伙伴將主要是航空發(fā)動機(jī)制造商。雖然項(xiàng)目仍處于“制定階段”，各個方面仍可能進(jìn)行調(diào)整。但NASA已與GE、霍尼韋爾兩家公司簽訂了單獨(dú)的協(xié)議，研究功率提取的技術(shù)方法，以實(shí)現(xiàn)兆瓦級的電動推進(jìn)。

NASA與霍尼韋爾公司的合作是致力于低壓渦輪技術(shù)的開發(fā)與試驗(yàn)。試驗(yàn)將于2022年在NASA格倫研究中心進(jìn)行，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，合作團(tuán)隊(duì)建立渦扇發(fā)動機(jī)功率提取基準(zhǔn)，同時開發(fā)計(jì)算預(yù)測模型和工具，并推動霍尼韋爾公司高效渦輪技術(shù)開發(fā)工作，影響其未來的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)產(chǎn)品。

NASA與GE公司的合作是開展渦扇發(fā)動機(jī)功率提取的驗(yàn)證和評估以及發(fā)電機(jī)和電動機(jī)的集成，解決發(fā)動機(jī)高功率提取帶來的推力、質(zhì)量、可操作性、效率和耐久性等方面的挑戰(zhàn)。

結(jié)束語

對NASA而言，在面對國際航空航天競爭威脅日益增加的情況下，HyTEC項(xiàng)目通過與本國工業(yè)界合作，能真正加強(qiáng)航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域的核心能力，對于幫助美國確保航空發(fā)動機(jī)技術(shù)領(lǐng)先地位至關(guān)重要。特別是在新冠肺炎疫情肆虐、美國航空困難的時期，該項(xiàng)目被視為美國政府投資制造業(yè)，保持長期競爭力的一個良好范例。