桨扇浮沉

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20世纪40年代，虽然涡桨飞机耗油率低，但是当飞行马赫数大于0.65后，螺旋桨效率急剧下降，严重限制巡航速度，导致其与同时期的涡扇飞机相比，直接运营成本增大。再加上维修和噪声等问题，飞机制造商和航空公司都不看好其发展，并试图放弃涡桨发动机。

到了50年代，随着先进气动与结构技术的应用，形式上的桨扇发动机出现了。最初其带有涵道，是一种介于当时的涡扇发动机和涵道螺旋桨之间的发动机形式。当时的设计用途主要为短距起降飞机，尤其是针对小型的短距起降通用飞机。因为与当时的涡扇发动机相比，涵道桨扇发动机可以提供大约两倍的起飞推力。但是在此后的10多年里，桨扇及桨扇发动机的研究一直进展缓慢。

60年代末，分别来自国家航空航天局（NASA）刘易斯研究中心和美国最后一个螺旋桨制造商——汉胜公司的两名工程师，开始了其具有划时代意义的合作。刘易斯研究中心的工程师在查阅NASA的早期风洞试验报告时，产生了新的想法。二人合作设计了升级的带有后掠型的桨叶，以降低噪声和增加效率。成果很快被同事们认可，在刘易斯研究中心，有一部分骨干工程师对这个带有升级后掠型的桨叶产生了极大的兴趣，并参与解决了很多关键的技术问题。1970年时，桨扇就已经被设计为一种小直径、高负荷、多叶片、变桨距、有/无涵道的推进器。盘载大约为500磅/平方英尺（约为2 500千克/平方米），有8到12个叶片，叶尖切线速度大约250米/秒，当量涵道比为20～30。最初的研究只有汉胜公司参与，也只有参加研究的工程师自己扮演说客的角色，利用自己手里的技术成果来争取项目经费。

油价催生的黄金期

转折，发生在1973年。那一年阿拉伯石油联盟对美国进行石油禁运，导致油价大幅上升。原油价格从2.59美元/桶涨价到11.65美元/桶（原油单位里1桶为42加仑，约合160升——编者注），汽油从38.5美分/加仑涨55.1美分/加仑（1加仑约合3.785升）。对商业航空运输影响巨大，1974年1月，航空公司共解雇25000人，当时最大的航空公司泛美航空暂停了12个城市的航线。

这场能源危机影响深远，甚至从根本上改变了NASA的航空研究着眼点。建于1915年的NASA（前身名为国家航空咨询委员会）在航空领域的目标此前一直是研究如何飞得更高、更快和更远。在NASA前60年航空研究历史中，要牺牲一些高、快、远的能力来降低一点油耗，是完全不可想象的，同时也大不必要，因为当时燃油太丰富太便宜，远不足以成为航空设计的一个因素。1973年，石油危机突然迫使航空研究增加了这一重要的研究要点。高、快、远的要素向后排，能源节约和燃油高效变成了新的虽不太吸引人但却非常本质的目标。

1975年秋，美国国会听取了航空业界包括军队、工业界、商业界和NASA的汇报。作为国家航空研究机构的代表，NASA提出了一个需花费10年时间和5亿美元的研究项目。当时的美国政府咬牙批准了这一致力于节省50%燃油的技术研发，由此诞生了高能效飞行器（ACEE）计划。桨扇突然就进入了黄金发展期。

ACEE计划极大的促进了桨扇发动机的研制，尤其是其中最激进的先进涡桨项目（Advanced Turboprop Project，ATP），直接成就了美国今天绝大部分的桨扇发动机技术方案、技术路线和部件、系统、整机、试验技术。

但是在当时，ATP项目风险巨大。考虑到可能来自工业界和商业界的反对，1976年， ACEE计划的6个项目，只有ATP项目没有获得经费投资。时任刘易斯研究中心主任认为是因为尝试使用一个相当高效的推进器来代替涡喷/涡扇发动机的ATP项目风险太高、创新性太强，所以很难被航空公司接受。每一项和ATP项目相关的研究内容都被认为是航空的革命。一个典型的例子是，已经到了1981年，《财富》杂志还刊文表明这种新风险性设计会带来整个世界的新螺旋桨时代，可称为“未来的呼唤”，并配以大幅标题《下一步进展》。

ATP项目的反对声音来自于技术和公众、工业和商业等多方面。从技术上讲，波音、洛克希德及麦·道等公司通过研究指出先进涡桨发动机四个令人担忧的方面：巡航时桨叶的效率、内部与外部噪声问题、安装的空气动力学影响和维修费用。在公众角度，当时涡扇飞机已经普及，螺旋桨发动机由于噪声、速度等方面的问题已经被乘客所抛弃。当时的舆论是，航空公司和制造商几乎都没有动力来开展这个型号的工作。航空公司指出包括噪声、维修和桨叶断裂的危险等很多关于新螺旋桨的缺陷。而飞机制造商也已经把巨大的投资投向了涡扇发动机技术。所以未来可以使用革新螺旋桨驱动的这一观点本身都遇到了极大挑战。

经济之后是政治

飞机结构和发动机的发展是比较缓慢和保守的，改变整个国家的民机机队推进系统需要极大的投资。即使政府能投入几亿美元来发展先进螺旋桨，工业界也还需要再投入几十亿美元来使其商业化。对于一个已经建成的工业来说，革新性的改变是艰难的，对于国家经济也是一个很大的挑战。

美国政府和NASA最终决定批准这个项目上马，原因之一是油耗可以降低 20%～30%，另一个促使其批准项目的至关重要的原因来源于政治。70年代持续的冷战促使美国全面地侦察、追踪和试图超越任何对美国国家安全存在潜在威胁的苏联的技术突破。当时，苏联已经制造出了不需要空中加油，即可从莫斯科直接飞往古巴哈瓦那的涡桨飞机。苏联的涡桨飞机已经达到将高螺桨燃料效率与高喷气动力速度的结合，这个事实直接推动了NASA的ATP项目。在政府听证会上，NASA的代表展示了多张苏联的涡桨飞机照片，主要是图-95“熊”和安-22“雄鸡”，两者的最大巡航速度分别为马赫数0.75和0.69，最大航程为14000和10950千米。

冷战为各方有关先进涡桨飞机的辩论画上了句号。任何对美国国家安全造成威胁的苏联技术优势都是不能允许的，美国不可能让苏联在飞机燃油效率这个重点领域内保持技术优势。为此，美国国会批准了ATP项目。

ATP项目正式上马以后，除了最初就参与研究的汉胜公司，其他的飞机/发动机制造商，普惠、艾利逊、通用，还有当时的业界巨头波音、洛克希德、麦·道都纷纷加入到研发的队伍中里来。这样，ATP项目就变成了一个大型的易于拿到经费的研究项目，在ATP项目高峰的时候，有超过40家工业界承包商和15所大学与全部NASA的四个研究中心：刘易斯、兰利、德莱顿和埃姆斯，签订科研合同。它集中了大量人力物力财力资源，成为了一个可以被成为“大科学”的科研活动。

10年ATP

ATP项目的概念发展阶段（1976～1978），第一步任务是建立一个小尺寸的缩尺模型。从技术上讲，整个未来的ATP项目都取决于这个缩尺模型是否能达到事先预测的燃油效率。阶段初期是刘易斯研究中心以一个小组研究人员的方式与汉胜公司签订了一个研制直径0.6米模型桨扇的合同，这个桨扇被称为SR-1，即单转（Single Rotating）桨扇。单转是指桨扇只有一排叶片；相对应地，还有对转（Counter Rotating）桨扇，即叶片有两排，分别在相反的方向转动。这种研究小组和汉胜签科研合同的模式实现了较高的研究效率，并提供了很多设计与试验数据以供申请追加经费使用。

这一技术研究发展模式的成功使ATP项目于1978年正式立项，进入了技术增强启动阶段（1978～1980）。在技术层面上，螺旋桨的气动外形修正、客舱及地面可感受噪声、安装气动性能和驱动系统4个关键问题为本阶段的研究重点。螺旋桨的气动外形修正工作包括对桨叶前后掠形、弯扭和厚度的广泛研究。其中之一的设计原则是，螺旋桨的油耗下降必须与潜在增加的噪声污染折中考虑。在20世纪70年代末，工程师第一次使用计算机来分析和设计螺旋桨，并取得了螺旋桨效率上升与噪声减小的双赢效果。大多数涡桨飞机的发动机都是安装在机翼上。螺旋桨到底是推进飞机还是拉进飞机对安装性能更好？为了减少阻力、提高燃油效率，应如何最有效地整合推进器、短舱和机翼？这些问题都要通过设计、计算和试验加以解决。尤其是风洞试验，可以设计和得到明显减少阻力的涡桨发动机在机翼上的安置位置。工程师们还研究了包括齿轮箱在内的各种传动系统问题。

经过两年的工作，先进涡桨飞机的想法开始吸引更多的军方支持和商业关注。时任美国海军副司令把先进涡桨飞机作为未来的超远程和长航时飞机的可行候选方案，并支持其研究。洛克希德加利福尼亚州分公司副总裁也给予了项目的大力支持，称这会大幅提升军事应用性能，并将成为未来航空运输燃油节约的重要手段。1978年，美国联合航空公司工程部副总裁在公司管理层对ACEE计划商议和评审以后，对先进涡桨飞机近期的进展和未来的收益留下了深刻印象。一年后，联合航空公司总裁重申支持该计划，并认为对美国未来的航空运输将产生重大影响。

小尺寸缩尺模型试验的成功和不断增加的来自工业、商业和军方的支持，使ATP项目发展到了人力与财力大量投入的大尺寸模型一体化阶段（1981～1987）。为了解决从小尺寸缩尺模型到大尺寸或全尺寸模型设计过渡阶段的不确定性和技术问题。NASA于1980年又发起了大型先进桨扇（LAP）项目，目的是提供试验数据库和用于试验的全尺寸桨扇发动机。NASA最初认为先进涡桨发动机的发展层次，应该是性能首先考虑，然后是噪声，最后才是结构完整性设计。随着项目的推进，设计人员发现结构完整性才是最重要的关键技术。如果桨叶结构设计不先进，则预测的油耗降低可能永远无法实现。

汉胜公司在1981年开始设计一个大型、单转的先进涡桨叶片。五年以后，汉胜公司完成了一个直径2.75米的用于商业运营的单转螺旋桨设计。由于桨叶直径太大，以至于美国没有尺寸足够的风洞能进行试验。NASA的项目主管决定冒着被欧洲航空业偷技受益的风险，把螺旋桨通过海运，送到法国的一个风洞中进行试验。1986年初，汉胜和NASA的研究人员得到了模拟马赫数为0.8、高度为3600米的风洞试验数据。

市场调查说了算

ATP项目实施的另一个关键问题则无关技术，却是影响是否能商业运营的重要原因，即航空客运乘客是否能接受螺旋桨驱动的飞机。降低油耗的其他技术，比如层流控制和超临界机翼等，即使在商用飞机上应用，乘客也是发现不了的。但是使用涡桨发动机就不同了，因为螺旋桨非常明显，而且被认为是能产生巨大噪声的旧时代产品。如果民航乘客不选择配装涡桨发动机的客机出行，则涡桨发动机带来的燃油节约将在空驶的航班中失去所有意义。

出于对这方面的考虑和担忧，NASA和联合航空公司一同发起了一项问卷调查，以确定航空乘客对配装涡桨发动机的态度。因为清楚这份问卷对ATP项目的决定性影响，调查问卷尽量回避老旧这样的字眼，而是强调涡桨飞机在飞行技术上的延续和进步。调查问卷第一页是联合航空公司的市场部副总裁给广大乘客的一封公开信，希望乘客能配合使用联邦政府针对未来飞机而应用的新技术。

“桨扇”一词出现在这封公开信中，是其第一次出现在非专业文本中，作为具有一个积极意义的全新词汇取代“新的涡桨”这个跟老旧有太多联系的字眼。问卷故意混淆修辞，使乘客在意识中完成了螺旋桨到桨扇的转变，以解除螺旋桨在人们心中那种老旧的活塞式螺旋桨负面印象。

这种将螺旋桨更名换姓的战略取得了成功。航空乘客认为现代化技术是风扇，老旧化技术才是螺旋桨。桨扇中带个“扇”，让人们认为，这些推进器不是螺旋桨，是风扇。调查问卷展示了3个飞机草图，两个是由螺旋桨驱动的，第三个是由涡扇发动机驱动的。乘客需要选择哪一种类型的飞机是他们会选择乘坐。所有的草图都描绘的是飞机的飞行状态，配装带有风扇叶片的发动机的飞机上飞行使用了。

调查问卷不仅向乘客说明桨扇比螺旋桨看起来更像风扇叶片，而且将比喷气式飞机省油20%～30%。直到问卷的第四页，参加调查的乘客才被告知，桨扇飞机在飞行高度、飞行安全，飞行速度和飞行平稳性上和喷气式飞机不相上下。

1 9 7 8年12月，桨扇调整结果出如果航空公司能够避免因研发涡桨飞机而带来的乘坐费用上升，那么有87%的受访者表示愿意乘坐新型的桨扇飞机。面对这一结果，NASA的工程师宽慰地总结道：“其实大部分乘客几乎不知道机翼上安装的是什么，乘客只关心票价和餐饮。”美国联合航空公司工程部副总裁也认为，若能达到同等的乘坐舒适度，桨扇飞机会被积极的认同，关键是它能减少燃油消耗和降低票价。

通用公司——半路杀出的程咬金

当NASA继续与艾利逊、普惠和汉胜研究先进涡桨发动机时，通用公司悄悄地开发了一种替代螺旋桨系统的无涵道风扇。NASA在此之前的设计，是一个单转涡桨形式的推进器，包括一个单转的桨扇和一个相对复杂的齿轮变速箱。20世纪50年代对涡桨飞机的诟病之一就是其变速箱常需要大修。通用公司花了5年时间开发了一款无齿轮减速器、对转桨扇推进器系统，他们将两台对转无涵道风扇发动机对称地安装在飞机尾部，用推进方式代替传统的拉进方式驱动飞机前进。1983年，通用公司对NASA公布了无涵道风扇发动机方案，不久以后，就列出了飞机试验计划时间表。

NASA对此完全措手不及。突然间就有两个先进涡桨飞机项目来争夺同样的资金支持。但是NASA总部还是通过了无涵道风扇发动机的研究建议，并指派刘易斯研究中心与通用公司合作研发和试验无涵道风扇发动机。尽管NASA最初不愿意支持两个项目，但后来证明无涵道风扇发动机是非常成功的。1985年，地面试验证明的油耗下降20%，无涵道风扇发动机领先于NASA原来的齿轮单转涡桨发动机。就在一年以后，1986年8月20日，通用公司的无涵道风扇发动机安装在一架波音727的机尾右侧进行试飞。太多的NASA工程师为此而感到沮丧，因为第一次先进涡桨发动机飞行试验不是NASA和工业界联合团队的技术产品。但其实这两个涡桨动力系统的竞争以及私有企业投资发展先进螺旋桨的意愿都对使政府、军队和民航业接受螺旋桨发动机起到了更大的促进作用。

NASA研究团队也同时通过地面模拟安装效应试验来不断完善单转涡桨发动机系统设计。首先使用汉胜公司的SR-7A叶型桨扇，并结合艾里逊涡轴发动机和变速箱，将其集成安装在一个地面塔式试验台架。到1986年6月，一共累计进行了50多个小时的有效试验，其整机性能完全达标，为真实飞行试验铺平了道路。1987年佐治亚上空，先进单转桨扇发动机在“湾流”II试车台上进行了多次飞行试验。这架“湾流”II飞机安装了超过600个传感器，监控包括声学、性能、振动在内的几乎所有参数。飞行试验结果证明，NASA在20世纪70年代初预测的20%～30%的燃油节省确实是可实现的。

通用公司和NASA的先进桨扇发动机试验成功以后，随之而来的不仅是对螺旋桨推进越来越多的支持，而且还有大量的对未来推进革命乐观预测。《纽约时报》称“螺旋桨再现”，而《华盛顿时报》则宣称“涡桨飞机又回来了”。进一步的试验表明，这种螺旋桨推进技术已经准备好进行商业运行了。

归根到底还是经济因素

但是，1987年的经济形式与20世纪70年代初所预测的情况完全不同。从商业化角度看，虽然先进桨扇的试验表明解决了当时的省油、噪声、安全和维修问题，但先进桨扇发动机与飞机的研发从来没有达到生产的水平。最重要的，从某种意义上说，先进桨扇还是一个应急的牺牲品，因为NASA从来没有预料过燃油价格会下降。1970年原油3.39美元每桶，1980年每桶37.42美元，可到1988年，已经下降至每桶14.87美元。能源危机结束，先进涡桨飞机的需求消失了。整个ACEE计划，包括层流控制项目和ATP项目都顿时失去了实用性。20世纪80年代燃油价格下降，新式高速涡桨飞机的先进航空电子设备、结构和气动等都比同时期以涡扇为动力的飞机要贵得多，而单靠节省燃油以抵消较高的初始成本已经远远不够了。

虽然ATP项目终止了，但是NASA与工业界先进涡桨联合研究团队的工作受到了极大的赞誉。1987年美国航空协会在华盛顿授予NASA与工业界先进涡桨联合研究团队“科利尔”奖杯，这一美国最负盛名的航空航天成就奖，前无古人后无来者地拥有了由NASA、汉胜、通用、艾利逊、普惠、洛克希德、麦·道和波音公司业界巨擘组成的领奖团队。

一些当时为先进桨扇项目研发的技术今天仍然在使用，比如降噪和齿轮箱相关技术，一些结构可靠性问题的解决方案，比如如何保持桨叶稳定性等，都用在了今天的涡桨发动机设计上。如今，一些先进桨扇的专有技术已经被搁置起来，或尘封在厚厚的技术档案中，等候燃油经济时代的到来和召唤。

一转眼，20年过去了。作为当时两大桨扇研制工业商之一的普惠已经将全部的重点转向了齿轮传动涡扇发动机（GTF），而通用则保留了对转桨扇技术，并坚持下来。

2006年，NASA发起了亚声速固定翼（SFW）计划，并在2009年将其升级为技术成熟度水平更高的环境责任航空（ERA）计划。两个计划的目的都是发展省油、降噪、减排的亚声速飞行器。其动力方面的研究重点就是推进器。在这样的背景下，NASA与通用公司签订了研究协议，在2009年底，在格林研究中心（原刘易斯研究中心），重新开启了尘封20年的无涵道对转桨扇发动机风洞试验。

2012年7月，通用公司的风洞试验结果表明，使用斯奈克玛公司三维树脂转换模具技术制造的复合材料桨叶，对转桨扇已经满足了ICAO的第4级噪声要求，可能达到或超过将在明年发布并在2020年执行的更为严格的第5级噪声标准。由于其在降低油耗方面的显著优势，美国联邦航空管理局（FAA）也正在研究适用于桨扇发动机的适合标准。

在循环模式与燃料不产生重大变革的情况下，无涵道桨扇发动机仍被认为是最有前途的亚声速飞机发动机。

编辑：石坚

作者简介：朱大明，高级工程师，现任职中航工业发动机研究院，从事航空发动机论证与设计工作。

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