3月29日，羅羅發布聲明，表示其首個超扇發動機（UltranFan）已經正式進入組裝階段：英國德比市（Derby）的DemoWorks工廠已經開始正式組裝首個超扇發動機驗證機（UF001），預計将于今年内完工。

根據羅羅公布的參數，超扇發動機的工程設計關鍵包括：

風扇直徑達140英寸（約3.556米），而同時，碳/钛合金風扇葉片和複合材料機匣可讓每架飛機的重量降低最多1500磅（約680千克）；

其齒輪設計能夠為未來的高推力和高涵道比發動機提供高效動力，這使得超扇與第一代遄達發動機（Trent）相比，燃油效率能提升25%；

超扇發動機的首次試車将采用100%可持續航空燃料，能夠提高機隊向更可持續燃料過渡的經濟效益。

從2014年啟動超扇發動機研制計劃到2020年初，羅羅已經在超扇發動機的研發工作上投入了約5億英鎊。按照此前的規劃，羅羅本計劃在2025年前交付首架超扇發動機，但是由于研發艱辛，疊加疫情的影響，羅羅目前已經将首架超扇發動機的交付節點推遲到了2030年左右。

顯然，這款發動機是羅羅公司在未來雙發大型幹線客機産品線上與對手展開競争的核心産品，無論是設計規格還是技術應用上都下足了血本……那麼，超扇發動機到底具有什麼樣的優點？作為其代價的困難又是什麼？

一：理想前景：大、輕、靜

1：巨大風扇，突破傳統涵道比

對于亞聲速飛行的運輸類飛機，省油的最大秘訣就是燒着盡可能少的燃油，但卻能噴射出盡可能多的氣流、從而産生盡可能大的推力。

大涵道比渦扇發動機原理：吸入中間的内涵道的空氣與燃油混合燃燒後噴出，吸入外圍的外涵道空氣不參與燃燒

在渦輪噴氣式發動機這個大類中，渦扇發動機之所以能迅速取代渦噴發動機成為主流設計，其核心優勢就在于，渦扇發動機在以渦噴作為核心的基礎結構上加裝了一個更大直徑的風扇——風扇隻消耗渦噴的一部分功率，卻能通過外涵道，産生流量數倍于渦噴核心結構（内涵道）的發動機噴流。

在涵道比越大，發動機越能降低油耗、提高推力這一原理下，從上世紀50年代至今，全球主流運輸類飛機的發動機正變得越來越“粗短”——長徑比變小，風扇直徑越來越大。

而根據超扇發動機的設計指标，其最大風扇直徑超過3米，涵道比高達15:1，推力最高可達49.9噸……相較于傳統大涵道比渦扇，羅羅宣稱這樣的設計能減少25%的油耗、90%的氮氧化物排放以及65%的噪聲。

2：齒輪傳動優化，更輕巧安靜

而發動機風扇葉片的直徑越大，在同樣的轉速下，葉片邊緣的速度就越高，一旦葉片邊緣逼近或者超過聲速，就會由于形成激波等多種原因，導緻葉片的氣動效率急劇下降、噪聲急劇升高、并需要更高的結構強度和剛性……

因此，決定超扇發動機成敗的設計關鍵之一，就在于一邊保證發動機的極高效率，另一邊還能讓風扇的轉速大幅度降低下來。

而在主流的渦扇發動機設計中，這兩點往往是相互矛盾的：

通常來說，發動機風扇通常直接連接在低壓轉子上，低壓渦輪/壓氣機葉片旋轉一圈，風扇也跟着轉一圈；低壓渦輪/壓氣機葉片需要足夠高的轉速，才能保證較高的工作效率。

減速齒輪傳動渦扇（上）與傳統直驅風扇（下）的渦扇發動機結構原理對比

超扇發動機對這一傳統思路的突破，是在低壓轉子和風扇之間加裝一個減速齒輪箱：低壓轉子旋轉幾圈，才能帶動風扇旋轉一圈。這樣兩者都能以最适合自己的轉速進行運轉，從而實現風扇、低壓渦輪、低壓壓氣機同時高效工作的目的。

超扇發動機的減速齒輪箱，設計功率為10萬馬力，而壓氣機和渦輪的效率提升，又促進了超扇發動機的另一個關鍵性能：由于發動機所需的葉片級數也大幅度降低，發動機全長可以顯著減少，大大減輕了重量，并顯著改善了壓氣機和渦輪的可靠性和維護性。

二：對齒輪傳動的“愛”與“恨”

1：齒輪傳動設計早已有之

渦扇發動機的齒輪減速傳動設計最早可以追溯到上世紀50年代法國的歐比思科（Aubisque）發動機，随後又見于美國ALF502、TFE731等少數發動機。

霍尼韋爾TPE731發動機

這幾款渦扇發動機都有一個相同的背景：都是基于較為成熟的小推力發動機改進、後期加裝風扇而來。小發要提高性能，就一定會利用葉片直徑小的特點，把轉速設計的很高來提高效率，而加裝減速齒輪機構，協調核心機與風扇的轉速，就成了不得已而為之的手段。

直到上世紀70年代末期之前，避免采用齒輪傳動，采用直連設計——為此不惜把壓氣機和渦輪做的級數更多更複雜，都一直是渦扇發動機設計領域的共識。

2：齒輪傳動缺陷明顯

為何發動機設計師一直避免齒輪傳統設計？其實原因很簡單：相較于直驅式風扇的設計，減速齒輪箱帶來的麻煩太多了——

在發動機的整機結構上，風扇和壓氣機之間添加一個齒輪箱，除了齒輪箱本身，還需要至少增加兩個軸承和配套的潤滑系統、兩個承力框架、對齒輪箱與低壓轉子不同心的補償機構、為齒輪箱提供潤滑和密封的油、氣系統......

因此，隻有在涵道比達到10以上，對于大型渦扇發動機來說，齒輪傳動渦扇的性能才能形成明顯的優勢。

三：超扇之前：投入巨大、風險不少

1：超扇之前的若幹嘗試

上世紀70年代末期，美國普惠公司開始探索基于齒輪傳動風扇設計的全新大型渦扇發動機：在CFM-56發動機的巨大市場優勢下，如果美普惠繼續開發同級别的直驅式風扇型号，很難形成明顯的性能競争優勢。

為此，美普惠付出了極為巨大的代價：僅前期的基礎研究和試驗就持續了20多年，耗資10多億美元，而且過程并不順利。

比如上世紀90年代的PW8000發動機項目，由于性能不及預期，在研發幾年後就被迫取消……而到第一個實用型号PW1000G真正研發完成、推向市場時，已經是2016年。

PW1000G發動機，涵道比為12.5，風扇後的暗金色部件就是減速齒輪箱

PW1000G的減速傳動齒輪，按3:1進行減速。低壓轉子的轉速為12000至15000轉每分鐘，風扇轉速為4000至5000轉每分鐘

也就是說，從立項到PW1000G推向市場，美普惠在這個項目上用了三十多年。而PW1000G的最大推力不到15.9噸、齒輪箱傳遞功率僅為為22MW。而超扇發動機的齒輪箱傳遞功率要達到74.57MW……顯然，技術難度遠遠高于PW1000G。

2：挑戰工程極限

在設計之外，齒輪傳動發動機也挑戰着人類工程水平的極限：從機械設計的角度來說，整個人類的近現代工業發展都建築在齒輪發展的基礎上。換句話說，齒輪怎麼設計、制造已經在幾百年間被研究到了極其成熟的地步。

這種背景下，超扇的減速齒輪箱要做到前所未有的性能水平，意味着它必然面臨這樣的困難：即使是常規使用環境下幾乎無法檢出的不利因素，譬如材料上極細微的組織或成分不均勻、工藝上極細微的瑕疵、設計上已經被抑制到極低水平的齒輪齧合振蕩.......

超扇發動機動力齒輪箱

即便在現役的先進發動機上，這些不利因素對發動機性能與壽命毫無影響，但在超扇發動機巨大功率的高速扭轉下，都會被迅速發展、急劇放大，并導緻部件的疲勞、性能劣化、乃至破損失效……

這一切都在挑戰着羅羅對超扇項目的決心與投入。因此，盡管目前首款超扇發動機驗證機已經在組裝中，但其未來市場前景依舊倚靠全球民航業的複蘇情況——

在2020年12月，羅爾斯•羅伊斯公司工程技術總監西蒙•伯爾(Simon Burr)在接受媒體采訪時曾表示：“如果客戶航空公司能更早地對超扇發動機表現出濃厚的興趣，那麼超扇發動機的研發工作将獲得極大的加速。”

而在2021年1月的媒體采訪中，羅羅首席執行官沃倫·伊斯特（Warren East）曾表示，羅羅計劃在2022年完成超扇發動機測試機的測試後就将該項目“凍結”，停止進一步投資，直到新飛機上市。

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