主题：未来的超音速商务机以及中美新型轰炸机的动力 -- 北纬42度

NASA近十年来一直在研究超音速商务机，做了大量如何减少超音速噪音的研究，这样就可以在陆地上空超音速飞行，解决横在超音速客机前面的一大障碍。美国一堆Start-up公司也跟风造起了超音速商务机，不过遇到的最大问题是没有合适的发动机。

客机最开始用的是涡轮喷气发动机（涡喷），但二战末期德国人就设想，在喷气发动机前面加个转动的风扇驱动气流，经过风扇后一部分的气流继续流经喷气发动机（内涵道），另一部分气流直接通过外涵道排出，内外涵道的气流混合后温度降低，可以显著减少油耗，涵道比越大越省油。50-60年代，德国人的设想被英美苏实现了，这种发动机被称为涡轮风扇发动机（涡扇），当时的涵道比（外内涵道气流之比）小于1，气流仍然主要经过内涵道，因为涡扇发动机比较省油很快就被用在各种民航客机上。60-70年代，随着航空技术的进步和油价的提高，普通民航客机的涡扇涵道比提高到2左右，被称为中等涵道比。70-90年代，民用涡扇的涵道比进一步提高到了4-6，2010年以后，新型民用涡扇的涵道比已经到了8-12。

随着涵道比的增加，客机发动机和配套的风扇的直径也在不断膨胀，大型风扇自然需要又轻巧又结实，目前最新的趋势是采用复合材料制造风扇。复合材料的性能很怪异，越小的复合材料风扇反而越难制造，所以会看到更大型的C929发动机打算采用复合材料风扇，而C919的风扇仍然是钛合金的。波音737最开始用的是小涵道比涡扇JT8D，所以起落架设计得比较短机身又比较紧凑，结果导致了737无法加长起落架，为了装下更肥大的新型发动机只好把发动机的位置提高并前移，发动机不再挂在机翼下方而是凸出在机翼前方，即使这样也无法采用涵道比大于10的发动机，而且终于导致了737MAX连续坠机的悲剧。

协和超音速客机用的发动机仍然是涡喷，新一代超音速民用飞机肯定会使用更省油的涡扇，但是，涡扇最前面的大风扇在高速飞行时会产生巨大的阻力，一般来说，涵道比大于3就不要有超音速的想法了，而为了省油涵道比又应该尽可能的大。对于战斗机来说，速度偏重于航程，至今普遍使用的军用涡扇基本是小涵道比的，只有两款80年代的轰炸机发动机是中涵道比的，苏联的NK32发动机涵道比1.4，俄罗斯刚刚恢复生产，美国F101发动机，涵道比2。但对于超音速客机来说，速度和航程并重，显然需要采用中涵道比发动机。这就带来一个问题，80年代以来的民航发动机涵道比普遍大于4，而常见的军用发动机又都是小涵道比的，这样一来新一代超音速商务机没有发动机可用，一些Start-up公司为了试飞甚至要去搜集二手的古董发动机JT8D。JT8D早期型号涵道比小于1，而70年代的后期型号把涵道比提升到了1.7，这很适合超音速客机使用。但坐商务机的人都是不缺银子的，飞机发动机又是性命攸关，他们绝对不会为一架使用二手古董发动机的飞机买单。

2018年年底，美国GE公司宣布在CFM56大涵道比发动机的基础上，设计一款新型中涵道比发动机Affinity，推力将在7-9吨，涵道比在3左右，这个涵道比更偏重于省油，但带来的后果是阻力偏大飞不了太快，估计很难超过1.5马赫（飞行速度和音速之比，普通民航客机一般的速度在0.8马赫，协和在2.0马赫，个人猜想较低的飞行速度也许是NASA研究的结果，1.5马赫之下噪音还是有希望控制住的）。这型发动机2020年预计完成设计，不过至今没有消息，投入运营估计至少要在2025年。而且这款发动机的推力太小，粗略估计一下，飞欧美航线，最大起飞重量至少需要60吨，飞机想超音速的话推力重量比至少得有0.4，那就是需要发动机总推力24吨，用3台GE Affinity正好。如果飞更远的美国到亚洲航线，最大起飞重量至少需要100吨，发动机要有40吨推力，4台Affinity仍然不够，但是有用5台发动机的客机吗？

-- 苏27之父西蒙诺夫说，有 -- 苏联刚解体时苏霍伊到处找饭吃，想设计一个超级大客机，手下报告发动机推力不够，西蒙诺夫斩钉截铁说，那就用5台发动机，自然，这个飞机最后无疾而终。。。

GE出手了，老对手普惠却一直没消息，但是非常有可能，普惠已经为美国最新型的轰炸机B-21设计了一款新型发动机，将是F35使用的F135发动机的发展型号。轰炸机也是速度和航程并重，即使是亚音速轰炸机也要飞到0.9马赫甚至0.95马赫的速度，航程还要远，发动机越省油越好，所以轰炸机和超音速客机一样，最合适的是中涵道比发动机。考虑到涵道比为0.6的F135无加力推力已经达到13吨，涵道比增加后推力也会跟着增加，很可能会做出来一个推力在16吨左右的发动机。如果B-21仍是高亚音速飞翼构型，推重比只需要0.2，两台16吨的发动机可以带动160吨的起飞重量，跟B-2相似。如果用3台这型发动机做个超音速客机，48吨的推力将能得到120吨的起飞重量，从北美飞去亚洲绰绰有余。万一以后有了新病毒，美国有钱人就可以用超音速的速度跑去中国避难，让平民们慢慢在首都机场排队等隔离吧。。。

有传闻中国的新型轰炸机轰20即将亮相，而且还有传闻轰20会使用涡扇18，这款发动机仿制于苏联70年代水平的中涵道比发动机D-30，涵道比2.2，大致相当于美国的JT8D，技术水平在今天非常难看，所以很多人认为这是个假消息。但基于前面的分析，很不幸，这很可能是真的。因为除此之外，中国目前只有战斗机用的小涵道比军用涡扇和运输机用的大涵道比的涡扇20，考虑到涡扇20至今烂尾，很显然中国航空工业很难有时间和精力再改出一款中涵道比涡扇，那么采用涡扇18就是最自然的选择。另外，参照F135的改进路线，今后在歼20用的涡扇15的基础上应该会发展出一型中涵道比的发动机，来替换涡扇18，不过涡扇15也是仍在研制中，新型的中涵道比发动机造出来估计要到2030年之后了。发动机确定后，我们可以粗略估算一下轰20的大小，如果也是采用飞翼布局，两台涡扇18的推力只有24吨，按照推重比0.2计算最大起飞重量只有120吨，这个重量的轰炸机航程不会超过1万公里，做出来没有意义。如果采用四台涡扇18，那就是个240吨的大家伙，大于B-2，堪比图160。

各种迹象表明中国近十年来正在研制一款组合动力发动机，兼有涡扇/涡喷和火箭的性能，可以达到高超音速5马赫甚至更快，顺利的话2030-2035年可以投入使用，实现从美国到中国只用2小时，这个才是真正称得上星辰大海的东西。。。

绝大多数都是依靠压力膨胀过程来实现热功转换的，活塞发动机、涡轮发动机都是如此。而要提高涡轮发动机的性能主要有两条途径，一个是提高压比，另一个是提高涡轮前温度，这是它的工作原理决定的。但提高压比、提高涡轮前温度是有一定限制的，设想压比达到40左右，压气机的转速会很大；同时压比提高，叶片的强度也成问题。所以无论从压比还是从温度来说，涡轮发动机基本上快要接近其性能极限了。如涡轮发动机压气机本身的效率，四十年前是81%～82%，而今天，最好的压气机的效率是86%～87%。可以看出，大约每十年只提高1%多一点。人们不得不考虑未来航空发动机的出路问题。