德比室内测试平台Testbed 80上的UltraFan技术验证机

英国罗罗公司宣布，他们研制的新一代涡扇发动机-“超级风扇”（UltraFan）技术验证机，已经在英国德比的演示工厂80号试车台进行了测试，并且成功完成了首次试车，这标志着罗罗的大型涡扇发动机研制取得了突破性进展。

“超级风扇”发动机是罗罗公司面向21世纪30年代研制的新一代民用大涵道涡扇发动机，它采用了诸多新技术和材料，包括齿轮传动、复合材料、可持续航空燃料等等。“超级风扇”作为人类目前尺寸最大的大涵道比涡扇发动机，风扇尺寸直径达140英寸，折合3.556米，比此前创下纪录的通用电气GE9X还要大6英寸。“超级风扇”是和GE9X一个量级的涡扇发动机，推力介于25000至110000磅，最大超过50吨。之所以要把风扇造这么大，除了增加推力，燃油效率也是非常重要的指标。相比上一代全球最节能的遄达XWB系列涡扇，“超级风扇”的燃油效率还要提升10%。

巨大的个头是“超级风扇”最显著的特征

【涡扇技术升级，靠汽车？】“超级风扇”发动机所有技术之中，最引人注目的就是“行星齿轮传动”技术。在此之前普惠公司已经着手将齿轮传动技术运用在宽体客机上面，罗罗希望用这个新技术应对竞争对手的挑战。“行星齿轮传动”其实大家日常都有接触，比如汽车的变速箱里就较为常见。

行星齿轮结构本质是个设计巧妙的滑轮组，利用杠杆原理，将转速与力量进行转化调整

现在的民用大涵道发动机，是使用后方涡轮，通过一根传动轴来带动风扇，风扇再为飞机提供主要推力。对于涡轮来说，它的转速越高，提供的能量自然越多。但是对于风扇来说，需要增大尺寸的同时控制转速，以降低叶尖速度和叶根载荷，转太快了反而不利。

常规轴流式发动机，所有转子都是一根“轴”上的蚂蚱，这设计限制了性能进一步优化若想提升发动机性能，自然是涡轮要转的更快，而前方风扇要更大更慢。由于两者是通过传动轴刚性联接，需求互相矛盾，设计时只能折中，结果就是两者都不能在最佳状态工作。既然连在一起不方便，那就干脆在两者之间，加个齿轮组好了，这样速度上实现不同步，于是汽车变速箱上常用的设计，就出现在了喷气动力上。

通过切断刚性连接，发动机两端的需求矛盾，可以被变速箱调和，优化就方便的多采用齿轮传动技术之后，涡轮可以在更经济的转速工作，可以确保功率和油耗处于最佳水平，油耗可下降20%。同时由于突破了刚性连接的束缚，前方涡扇叶片也能放飞自我的优化，发动机涵道比可提高到12，叶片更大，转速也可以降低，可感噪声能减少70%。

通过解决了发动机两端的矛盾，发动机可以增大到与空客320差不多粗细

【齿轮工作在“地狱”中】工程师都是聪明人，汽车上用了那么多年的变速器设计，他们之前怎么会没想到用于航空发动机？之所以一直不用，是有原因的，那就是材料与可靠性。其实对汽车本身来说，变速箱也是非常要求材料与技术的一个设备。

一款简单的行星齿轮变速器原理示意图，可见内部设计也不简单

“超级风扇”项目最大的挑战也正是齿轮减速箱。“超级风扇”齿轮减速箱直径只有1米左右，齿轮重量数十公斤，但是却要传递数十兆瓦的功率，并且在恶劣环境之中仍然能够长时间稳定可靠的工作。这样对于齿轮的设计、材料和加工、冷却要求极高。

“超级风扇”的齿轮减速箱需要将极高转速变成巨大的推力，工作环境是地狱级别

其中散热冷却尤其令人头疼，机构传动无法做到功能百分百的吸收与传递，其中一些能量会转化成热量。罗罗公司要求“超级风扇”发动机推力达到50吨以上，以便两台发动机就能为777X客机提供动力。50吨推力是什么概念？我国的涡扇20，推力大约是13-16吨左右，一个“超级风扇”的推力就差不多顶运20B上4台发动机的推力总和。

换装涡扇20的胖妞性能提升较大，但我们也要看到中国航发与国外最强还是有差距

50吨的推力，要求“超级风扇”的齿轮箱能够传递50兆瓦的功率，即便它的传动效率超过99%，那么仍然有500千瓦以上的功率转化为热量，如果没有高效的散热系统，齿轮箱很快就会出现问题，这对于罗罗公司来说是一个巨大的挑战，不过现在来看，罗罗公司已经初步攻克了这一难题。

巨大的能量要借助齿轮箱实现吞吐，齿轮摩擦产生巨大热量，带来可靠性问题

【这个技术，中国也在攻关】

“超级风扇”明显比其他发动机，胖了一大圈

针对国外先进涡扇发动机的发展，尤其是齿轮传动技术的发展，中国航空发动机工业也在着手这项技术研制和攻关。2022年底哈尔滨广瀚传动有限公司对外外宣布，他们成功完成涡扇发动机国产齿轮传动系统样机，标志着中国已经初步了掌握了这个技术。根据哈尔滨广瀚公司的说法，他们完成的齿轮传动系统将用于国产“长江2000”民用大涵道涡扇发动机，2022年底样机已经成功完成相关试验项目，试验获得一次性成功。国产涡扇发动机齿轮传动系统机机功率达到20兆瓦。

长江2000发动机，推力已经达到35吨

国产长江2000民用大涵道涡扇发动机，是国产宽体客机的配套发动机，起飞推力大约在35吨左右，齿轮传动系统功率应该达到或者接近40兆瓦才能满足要求，因此这个样机应该是一个缩比例样机。下个阶段就要等到长江2000的技术验证机上地面台测试了。

国产C929宽体客机，需要更强大的动力，长江2000可以满足需求

【中外航发差距，有望缩到10年】考虑到齿轮传动系统的技术难度，先进行缩比例机样研制和试验是一个安全、稳妥的办法。这个级别齿轮传动系统研制成功，也表明中国已经可以研制10-15吨级齿轮传动系统涡扇发动机，为C919客机未来发展提供动力储备。

齿轮传动技术一旦突破，可广泛用于各种涡扇发动机的升级改造

如果进一步试验也非常顺利，那么中国应该会在2025-2030年之间进行全尺寸齿轮传动系统研制。2030-2035年长江2000民用大涵道涡扇发动机进入工程发展阶段，2035-2040年投入航线运营。而罗罗公司“超级风扇”计划在2025年投入使用，这样我们在民用航空发动机领域与国外差距将会缩小到10-15年，这将是一个非常了不起的成就