人人都认为飞机发动机应更环保。那么解决办法在于推进系统的创新吗？未来我们乘坐的飞机是否可在现有的喷气式发动机上使用可再生燃料？《金属切削世界》杂志对各种未来的航空发动机来探个究竟。
喷气发动机已为航空业很好地服务了逾50年，其推进方式的变化很少。但是对于飞机制造业来说，为了应对日益严格的排放和噪音污染法的要求，以及快速上涨的燃料成本，研究人员正在加快技术开发的步伐。那么这种研发正朝什么方向发展？以燃气轮机为基础的喷气发动机将来能否继续改进并发展下去？是否会出现一种全新的动力推进方式，使喷气发动机退出历史舞台？
在化石燃料造成的二氧化碳排放中，而随着航空运输需求增加，排放量还在不断增加。同时，航空燃料在燃烧中产生的氮氧化物还造成了酸雨和雾霾，由此造成的疾病和死亡每年为社会带来数十亿美元的损失，而预计在2020年之前氮氧化物排放量还将增加一倍。为了应对这一问题，欧洲航空业于2001年设定了目标：到2020年将每客座公里的燃油消耗减少一半、并将商用飞机的氮氧化物排放量减少80%。
从短期来看，专家们的共识是，将通过一系列渐进发展而非剧变来使发动机变得更洁净并提高燃油利用率。大学、研究机构和发动机制造商的研发项目不断推出对发动机的小改以提升燃油效率，譬如由Rolls-Royce公司牵头的PANACEA项目，山特维克可乐满是其中的关键合作伙伴（详情请参阅第31页的文章）。在这个项目中，通过使用新材料制成的发动机零件，可以使燃油效率提高0.3%-0.5%，也就是说每次跨大西洋的飞行可减少600公斤二氧化碳排放量。
与此同时，GE航空集团（GE Aviation）最近公布了一种集军用和民用高技术于一身的用于商务机的新型动力系统Passport。这种目前正在开发的发动机预计将于2013年进行原型机测试，其压气机由尚未透露的新型先进材料制成，具备更高的增压比。GE预测这款发动机将可减少8%的油耗，并大大减少氮氧化物排放量。GE商务及通用航空副总裁兼总经理Brad Mottier说：“Passport是全球首个专为超远程、大客舱商务飞机设计的集成动力推进系统，使客户能够更安静更高效地飞行。”
同样借助其保密的先进材料、新的冷却技术和燃烧室（发动机中空气与燃料混合并点燃的部分）设计，GE的另一项针对支线喷气飞机的新发动机项目与现有机型相比，预计可将燃油效率提高15%。
这些小改进无疑因提升了飞机环保性能而受到欢迎，但要实现更重大的飞跃并非轻而易举。位于瑞典哥德堡的查尔姆斯理工大学应用机械学系副教授Tomas Grönstedt说：“我们面临众多挑战，包括因冷却空气温度升高而使提高发动机总增压比的难度增大；开发新材料技术所遇到的限制；以及超高涵道比发动机的重量和阻力所造成的不利影响等等。我们需要不断找到开发新材料的新途径，但没人能保证做到。”
目前正在开发中、被誉为中期阶段可行解决方案的技术包括中冷发动机、中冷回热发动机和开式转子。Grönstedt说：“如果开发取得成功，中冷回热发动机和中冷发动机也要在2020年后才能投入使用。我认为开式转子发动机的使用时间可能也要在2020年以后。”
具备大幅提高热效率潜力的脉冲爆震发动机是正在研究中的前景喜人的推进技术之一。然而，Grönstedt指出，仍有许多重要问题需要解决。他说：“譬如，必须在脉动燃烧环境中处理涡轮的冷却。噪音也是一项挑战。
但如果这些挑战被一一克服，将带来可观的环境效益。Grönstedt说：“将脉冲爆震发动机与开式转子结构、翼身融合等机身开发成果和降低飞行速度等结合在一起，到2050年就有可能将每客座公里的燃料消耗量在2000年的水平上减少75%。
以上这些技术将是很大的进步，但仍然还是当今内燃机的变体。那么，我们何时才能将基于革命性的全新推进系统，类似科幻小说中出现的的飞行解决方案变成现实呢？
Grönstedt说：“已有好几种面向2050年的超前卫概念，但我尚未看到真正重要的、打破现有格局的概念。”他解释说，燃气轮机的优势仍在于其巨大的功率密度。“它们能在重量非常轻的条件下产生极大的推力，这是其它原理的热机很难与之媲美的。可能到2200年我们还在使用它们，但不会像以前那样大力投资了，因为它们已经接近热效率和推进效率的极限了。
也许没有必要真正取代内燃机。Grönstedt说：“我认为要通过大幅度改进能效以及全面推行生物燃料，才能使航空业变得更环保。海藻也许能提供所需的生物燃料量而不会与食品生产相冲突。但目前的技术障碍还有待被克服。
新型发动机更新型的燃料
开式转子发动机：
也称为桨扇和超高涵道比发动机，兼具涡桨发动机的燃料经济性以及涡扇发动机的速度和性能。于1979年注册专利的开式转子发动机具有节省大约30%燃料的潜力，但比其它类型的发动机噪音都要大。
脉冲爆震发动机：
这种发动机（简称PDE）的概念最早出现于70多年前，利用爆震波燃烧燃料和氧化剂混合物。它让燃料产生爆震，而不是燃烧。理论上，PDE可使飞机达到大约5马赫的速度，但迄今为止，尚未有任何实用的发动机投产。PDE面临的挑战是噪音和振动。
中冷回热发动机：
将中间冷却器与同流换热器（热交换器）集成在飞机发动机中，就可以从燃烧室的排热中回收热量并缩小燃烧室的温升。这样就可以节省大约30%的燃油，同时降低氮氧化物的排放和噪音水平。
可再生燃料：
麻风树是一种在贫瘠土地上生长的植物，其形状如野草，被誉为潜在的喷气燃料来源。好几家航空公司已成功测试了用麻风树籽生产的燃油。与产自石油的航油相比，据称能减少温室气体排放达60%。2011年6月，一架湾流G450飞机由与传统燃油等量的亚麻籽生物燃料提供动力，进行了首次横跨大西洋的生物燃料动力飞行。
生物燃料的使用势必大幅度增长。
新的切削挑战层出不穷
着眼环保的不懈努力
飞机发动机的一些数字和数据有时候实在让人难以想象：譬如每个宽弦风扇叶片产生大约70吨的离心力，相当于一台现代化机车的重量；每个高压涡轮叶片产生的功率相当于一辆一级方程式赛车的功率；发动机热端区域叶片的工作温度要比制造这些叶片所用材料的熔点高几百度。
山特维克可乐满应用研发专家Steve Weston说：“有些数字看似荒谬。我们想进一步提高温度以提升效率，但却已经超过了材料的熔点，这就是挑战所在。”
Weston指出，山特维克可乐满应飞机发动机制造商的要求提供加工新一代材料的技术，其中一些材料的结构和成分几乎令人难以置信。他说：“来到我们车间的材料有时候看上去就像是月球上的岩石。它们强度高，导热性差从而会导致刀片磨损剧烈，其切削加工颇具挑战性。但是只要客户说清楚他们想要的结果，并给我们时间，我们保证能找到正确合理的切削方法。”
山特维克可乐满参与的PANACEA项目便是其中之一（关键发动机所用先进镍基合金的加工）。合作伙伴包括Rolls-Royce和谢菲尔德大学先进制造研究中心，山特维克可乐满是该中心的一级合作伙伴。
该项目的目标是研发出发动机零件，具体说就是涡轮盘。该轮盘具备芯部和边缘具有不同的机械性能的“双重显微结构”，这样可能将发动机的工作温度提高50˚C，从而将燃油效率提高1.5%。PANACEA技术将可为每次横跨大西洋的飞行减少0.6吨二氧化碳排放量。
山特维克可乐满的角色是对这种专用材料进行加工。Weston说：“与众不同的是我们在一台机床上就完成了涡轮盘的所有加工，我们为此设计制造了一些新刀具，并开发实施了新的加工策略。而作为对比，通常的加工方法来说需要几台不同的机床才能加工出该零件的各种特征。”
目前正在制造用于全尺寸测试的更大尺寸原型，这种涡轮盘有可能在两年之内投入使用，发挥节省燃油并减少排放的功效。
山特维克可乐满在Rolls-Royce牵头的PANACEA项目中是关键的合作伙伴。
