“押宝”开式转子发动机？其致命缺陷有待克服
“押宝”开式转子发动机？其致命缺陷有待克服
开式转子发动机（桨扇发动机）作为一种介于涡扇发动机和涡桨发动机之间的动力装置，因其高涵道比而具有显著的节油优势。然而，其噪声、机体适配和叶片包容性等问题一直制约着其发展。CFM公司的RISE项目作为这一领域的最新尝试，计划在2025至2026年进行全尺寸样机的地面测试。本文将探讨开式转子发动机的技术特点、历史发展以及当前面临的挑战。
CFM公司RISE项目概念图
技术特点与优势
开式转子发动机曾被冠以“桨扇发动机”或“无涵道风扇发动机”的名称，其外露的桨扇通常采用多个宽弦、薄叶型的后掠桨叶，并采用前后双排反向对转设计。它的原理结构介于传统涡扇发动机和涡桨发动机之间。近似的情况下，它既可以被视作是安装有先进高速螺旋桨的涡桨发动机，也可以被视作是风扇涵道比不断扩大直至完全去除外涵道的涡扇发动机。
加大涵道比，能够使发动机可以吸入更多不需参与燃烧、但又能产生推力的空气，是现代客货机发动机省油的最核心方法之一。现阶段的高性能大涵道比涡扇发动机，一般涵道比在8到10之间，一些最新的型号可以达到11左右。而桨扇发动机的实际涵道比，理论上可以达到25，甚至60。
因此，开式转子发动机的主要优势，是在亚声速飞机动力范围内，兼具涡扇与涡桨发动机的优势，令飞机既能实现高亚声速区域（马赫数0.8甚至更高）内的经济巡航，又能实现相比传统涡扇发动机更省油（节油20%~30%）的效果。
历史发展与挑战
开式转子发动机的研发始于20世纪70年代的石油危机，但随后由于技术难题和油价回落等原因，其发展长期处于低谷。近年来，随着全球民航产业面临严苛的碳排放要求，各国对“绿色航空”的追求推动着航空科技工作者再次投入到对开式转子发动机的研究中。
目前，开式转子发动机走向实用化的阻碍主要有三个：
噪声问题：开式转子发动机没有涡扇发动机的外涵道和发动机短舱，桨扇形成的噪声得不到传播方向上的约束，也难以衰减或被吸收，因此其噪声会高于涡扇发动机。同时，由于桨扇转速远高于传统涡扇发动机，重量尺寸级别也大于小型通用航空器级别的发动机型号，通常必须使用前后两组叶片进行反向对转，这使得噪声问题更加严重。
机体适配问题：桨扇发动机的涵道比优势需要更大的扇叶直径尺寸来实现，这可能与现有运输类飞机的机翼和起落架尺寸产生冲突。此外，更大直径的发动机吊舱也会给维修带来挑战。
叶片包容性问题：桨扇发动机由于桨扇叶片外露，缺乏涡扇发动机的短舱包容设计，特性更接近于涡桨发动机。但由于转速更高、叶片更锐利，因此它通过叶片包容性的适航认证难度要明显高于传统的涡桨发动机。
RISE项目的尝试
CFM公司的RISE项目在2021年启动，投资计划周期长达40年。根据目前CFM公司的公开信息，该项目已经完成200多项测试，参与的技术人员数量超过1000人。CFM公司计划在2025至2026年进行RISE项目全尺寸样机的地面测试，在2035年投入使用，希望其燃烧效率相对于LEAP发动机能提升20%。
RISE项目在设计上做出了一些重要妥协：
- 采用单转设计：虽然性能增益较低，但显著降低了噪声抑制难度。
- 适应多种安装布局：重点考虑了对传统单通道客机的安装兼容性。
- 紧凑型核心机：研发体积和直径更小、燃烧效率更高的核心机。
- 混动系统：加入基于电机的混动系统，进一步优化动力输出特性。
未来展望
从已有的技术趋势看，RISE项目在基本设计路线上做出了更多的妥协和均衡处理，并对核心技术难点给出了富有针对性的措施。如果RISE项目在测试中能充分证明其设计的有效和成功，以CFM公司的影响力，开式转子发动机确实有可能跻身主流航空动力。从更开阔的角度来看，在市场的另一端，作为CFM竞争对手的普惠、罗罗，他们近年来“豪赌”的齿轮涡扇路线，同样也可以应用紧凑型核心机和混动等新技术进行强化。
最终双方的未来产品，谁能在综合性能优势和市场接受程度上占据优势，现在尚难以断言。