高油价那些年的省油之道

1月27日，布伦特原油期货价格收于48美元/桶，相比2008 年7月14日创下的147.27美元/桶的天价，减少了差不多100美元。油价下跌是能源消耗行业的重大利好，比如航空业。不过，凡事都分两面，之前那些年，虽然日益高涨的油价不断蚕食着行业的利润，却也逼迫整个行业在如何省油的问题上不断尝试技术革新。而对于某些仍处于萌芽期的省油技术，突如其来的油价崩盘可能未必是好事。

从发动机上做文章

降低油耗最有效的方式就是提高发动机的效率，即采用高涵道比的涡轮风扇发动机。由于涡扇发动机的主要推力是由巨大的风扇产生的，在同等技术条件下，涵道比越高，发动机的效率就越高，燃油消耗率越低。最早出现的高涵道比发涡扇发动机是通用电气公司为美国空军C-5“银河”运输机开发的TF39发动机（民用型号为CF6发动机），其涵道比为8，由于其降低发动机燃油消耗率的优势如此明显，自此之后，高涵道比（涵道比通常为5～8）涡扇发动机成为了军民用运输机型的标准配置。

在第二次石油危机之后，航空公司对于降低发动机燃油消耗率提出了更高的要求，为此出现了涵道比达10～11的超高涵道比涡扇发动机。但是，过高的涵道比为传统结构的涡扇发动机带来了新的技术难题。由于风扇直径大，在工作时，叶尖相对于空气的旋转速度已经显著超过了声速，这使得风扇叶尖在工作中处于严重的超声速激波区中，不仅工作效率大为下降，导致推力下降，而且由于受力大，使得风扇叶片的可靠性和寿命都受到了严重影响。通过采用短弦长、带后掠角的叶尖可以在一定程度上缓解这个问题，而著名的航空发动机制造商罗尔斯·罗伊斯公司还采用了复杂的三转子发动机结构设计，将风扇改由独立的风扇涡轮来驱动，其较低的转速可以适应风扇高效工作的需求，但在成本和可维护性、可靠性上做出了一定的妥协。很显然，传统的简单加大发动机涵道比的发展路子已经遇到了瓶颈。

桨扇发动机是第二次石油危机之后兴起的一种新型喷气发动机，又称为开式转子发动机，其风扇叶片进行了特殊的设计，采用了大后掠角的超声速桨叶造型，并取消了外涵道的整流罩，实际上相当于一个涵道比无限大的涡扇发动机。由于其风扇叶片具有良好的超声速性能，所以具备超越传统高涵道比发动机风扇的工作能力，为此也具备了进一步降低燃油消耗率的能力。然而，由于取消了风扇整流罩，桨扇发动机在工作时会产生巨大的桨尖激波噪音，不仅会造成起降时的极大噪声污染，而且激波也会对相应位置的机体蒙皮造成疲劳损伤，导致飞机的使用寿命受到威胁。另外，传统涡扇发动机的外涵道整流罩还有一个非常重要的包容作用，当风扇叶片因为意外而脱落时，可以将飞出的叶片挡住，防止其直接击穿机体，造成不可预料的损失。桨扇发动机由于没有风扇整流罩，则无法做到这种包容性，而其桨叶长期在超声速激波下工作，产生意外脱落的可能性远远大于传统涡扇发动机。

在新一代高效率航空发动机当中，普拉特·惠特尼公司研发的齿轮传动涡扇发动机凭借其结构上的先天优势，已经获得了大批订单，暂时取得了新一代发动机构型竞争的胜利。针对传统涡扇发动机的风扇与高转速的低压转子轴直接连接、二者最优工况无法调和的缺陷，普惠公司创造性的在风扇和低压转子轴之间增加了一个减速器，使得风扇可以在远远低于转子的转速下运行，二者都可以工作在比较理想的转速下，提高各自的工作效率，从而为进一步增大风扇直径、提高发动机的涵道比创造了条件。以普惠公司现已开始量产的PW1000G系列发动机为例，其采用了减速比为3：1的行星齿轮减速器，使得风扇转速只有低压转子转速的三分之一，涵道比达到了12。由于风扇转速的下降，其叶尖激波区域大幅度缩小，受力情况显著改善，使得风扇叶片不再需要使用昂贵的钛合金或者厚度较大、不利于气动修形的复合材料结构，而是采用了轻巧的铝合金，同时，风扇的叶尖部分也可以维持足够的弦长，进一步提高了风扇的工作效率。此外，由于风扇叶片的线速度下降，因此而导致的噪音也显著减小，风扇叶片的工作可靠性得到了提高，最后，即使在极端条件下风扇叶片出现脱落，轻量而低速的叶片也更容易被外涵道整流罩包容，避免对机体造成损害。结合其他方面的改进，PW1000G系列发动机的耗油率比起普惠公司原有产品可以降低12%，而噪音可以降低15分贝以上。

为减重而奋斗

在降低燃油消耗的努力当中，如何减轻飞机的起飞重量，是永恒的话题。对于民航飞机而言，通常飞机的结构重量占起飞重量的25%～30%，而有效载荷只有15%～20%，如果结构重量可以减少，则有效载重就可以提高，从而降低运行成本。例如，对于一架起飞重量为80吨的A310客机，如果能减小400千克的结构重量（仅为总重的0.5%，这是可以做到的），就可以多载4名乘客，如果不增加载客，则每年可以节省25 000美元的燃油。

减小飞机结构重量的最主要途径，是采用比强度高的先进轻型材料。传统飞机的结构材料以铝合金为主，在使用先进铝合金之后，波音757飞机减重315千克，而波音767客机减重500千克。一般来讲，如果在设计时就能保证结构的改进，可以获得显著的收益，结构设计每减重1千克，总重可以减少2～5千克。

目前较为常用的先进轻型材料主要是铝锂合金和碳纤维复合材料。铝锂合金的出现比较早，但由于锂的化学性质极其活泼，导致铝锂合金制备困难，成本是传统铝合金的3倍多，是以应用推广较晚。铝锂合金的密度比传统铝合金低10%，而强度相当，硬度还要高10%，并具备更好的疲劳强度，这使得铝锂合金比碳纤维复合材料更适用于受力部件，A330/340飞机在机翼上采用部分铝锂合金结构之后，减重达7%。但是，由于其受损之后的损伤容限特性仍存在争议，目前应用还不是很成熟，波音公司就放弃了在波音777客机上广泛使用铝锂合金的规划。

碳纤维复合材料与传统铝合金相比，可以实现减重20%甚至更多，例如，在ATR72飞机上，碳纤维复合材料的用量占机翼重量的30%，获得了20%的减重效果。在波音787客机上，碳纤维复合材料重量比例超过了50%，并首次采用了碳纤维复合材料一体成型机身，机翼主体结构也采用了碳纤维复合材料。碳纤维复合材料抗拉能力强，抗腐蚀能力和抗疲劳能力都优于金属材料，但是抗压、抗剪切能力差，在受力复杂的部分，是不能使用碳纤维复合材料的。使用的部位，也要经过合理的交叉敷设，以降低其各向异性的影响。另外，碳纤维复合材料需要不同于金属材料的修补设备和技术，这也是影响到其推广的问题之一。

更先进的气动设计

现代客机广泛采用了超临界翼型，以尽量延缓机翼上气流激波的出现，降低阻力，提高巡航速度。这使得采用超临界翼型的现代客机直接运行成本降低3%，耗油量降低5%。

另一个气动措施是采用翼梢小翼，以大幅度减小诱导阻力。以接近90°上反角布置于翼尖的翼梢小翼，实际上是安装在翼尖涡流区的小机翼，其好处来自于在机翼最外段诱导出的载荷，在总升力确定的情况下，有了翼梢小翼带来的这部分附加升力，机翼上的最大局部升力就可以减小，因此降低了机翼的波阻和诱导阻力。目前翼梢小翼已经是新式飞机的标准配备，而在一些原本没有安装翼梢小翼的飞机上，也有航空公司进行了加装工作。例如，我国上海航空公司为其使用的波音737-800客机加装了翼梢小翼，据测算每飞行小时可节省燃油50～80千克。但是，从纯空气动力学观点考虑，增加翼展的效果是最好的，所以有一些客机采用了翼尖大后掠角延长段，如波音767-400和波音787系列客机，其作用与翼梢小翼相当，本质上是一样的。

另外，借助于现代先进的计算流体力学发展，飞机在设计过程中就可以尽量做到减少不利流场的干扰，并进行合理的修形和调整，从而尽可能的降低总体阻力。当然，随着飞机投入运行，其使用中不可避免的会出现各种磨损，导致阻力增加，从而造成耗油量增大，这就需要定期进行表面维护和修理，才能恢复飞机原有的气动性能了。

责任编辑：王鑫邦

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