包括开放式风扇在内的新型推进系统可进一步提升下一代飞机的燃油效率。空客与发动机合作伙伴CFM国际正在测试开放式风扇验证机(隶属于CFM的RISE-Revolutionary Innovation for Sustainable技术验证项目)，以研究其气动外形、噪声特征及系统集成便利性。

新一代飞机推进系统对航空业实现2050年净零排放目标至关重要。开放式风扇发动机架构正是其中一项前景广阔的技术，它结合了涡轮螺旋桨发动机的燃油经济性与涡轮风扇发动机的性能速度优势。在实际飞行测试前，空客与发动机合作伙伴CFM正在对开放式风扇验证机进行风洞试验，以评估其空气动力学与声学表现。

支持替代能源兼容

设计未来空客飞机的第一步是降低油耗。改进空气动力学能带来巨大贡献，但推进系统同样能产生重大影响。当需要在开放式风扇与其竞争对手超高涵道比涡扇发动机之间做选择时，前者的空气动力学特性、噪音表现以及易集成性都将成为决定性因素。

为此，过去三年来空客的合作伙伴CFM（GE航空航天与赛峰飞机发动机公司合资企业）一直通过其RISE技术验证项目（可持续发动机革命性创新计划）研发开放式风扇验证机。

RISE项目旨在将燃料消耗与二氧化碳排放量较当今最高效发动机降低20%以上，并测试包括可持续航空燃料(SAF)和氢能在内的替代能源兼容性。该计划获得了欧洲清洁航空框架、法国民航局(DGAC)及法国民航委员会CORAC的资金支持。

风洞测试可提供高精度数据

空中客车已与CFM公司合作评估开放式风扇在未来飞机上的应用潜力。在启动飞行测试前，需通过风洞测试验证开放式风扇架构及其与飞机的集成效果。本阶段测试采用两种"最小机体模型"：1:5.5比例模型用于高速测试，1:7比例模型用于低速测试。

每款模型都会进行单独测试以及与缩比机翼的联合测试，以评估两者的相互作用。低速模型还会额外测试襟翼、缝翼等高升力装置。测试分别在法国航空航天实验室ONERA（高速）和位于荷兰的德荷联合风洞DNW（低速）进行，两者都能提供极高精度的数据。

高速测试于2024年初在ONERA进行。这些测试收集了实验数据，使研究人员能够研究模型的安装效应和螺旋桨性能。随后，从2024年9月至11月底在DNW进行了模拟起飞和降落的测试。这些测试重点关注开放式风扇的空气声学性能及其与高升力装置的交互作用。

由于开放式同人发动机未采用导管设计（即省去了传统喷气发动机的外罩），要在发动机及飞机层面应对其更大转子叶片产生的噪音，需依赖创新设计选择与新技术。尽管如此，这些发动机仍须符合声学监管与认证要求。

进入飞行测试阶段

经过500多小时的测试，这轮"最小机体"试验——仅是第一阶段——即将结束。下一步将使用1:11(高速)和1:14(低速)全机模型，评估开放式风扇推进系统对飞机性能的影响。这些模型将于2026年在法国航空航天研究院(ONERA)的高速风洞和空中客车公司位于英国菲尔顿的低速测试设施中进行试验。目前模型的设计制作工作已在推进中。

本十年末将迎来开放式风扇测试的全面实践，届时一台功能完备的发动机将被安装在一架空客A380飞行试验机上，从法国图卢兹基地展开测试。为适配该发动机而进行的飞机改装工作已经启动。

什么是风洞测试？

风洞测试对于验证数字化模拟和建模至关重要。通过向缩比模型吹送气流，工程师能够观察并测量升力与阻力的大小，同时评估飞行器的稳定性和操控能力。

这有助于他们在建造昂贵的大型原型机之前，识别潜在的设计缺陷并优化飞机外形，以提高性能和燃油效率。风洞模拟了各种飞行条件，帮助确保飞机能够应对不同速度、高度甚至恶劣天气，最终使空中飞行更加安全。

CFM RISE计划正推动开放式风扇技术实现燃油效率提升20%并降低排放。由通用电气和赛峰联合研发的下一代发动机将整合混合动力系统、可持续航空燃料兼容性及空客A380飞行测试，塑造航空业的净零未来。

如今的喷气发动机堪称航空领域最强大也最高效的机械杰作，通过轻质材料与先进设计的完美结合，以相对较低的成本实现了卓越性能。但随着航空业面临实现净零排放的压力，传统发动机结构的极限正面临严峻考验。

CFM国际公司的革命性可持续发动机创新(RISE-Revolutionary Innovation for Sustainable)计划旨在突破这些限制。作为GE航空航天与赛峰飞机发动机公司各持股50%的合资项目，RISE正开发开放式风扇推进技术，目标是与当前发动机相比降低20%的燃油消耗和碳排放，计划于2030年代中期投入使用。

除了开放式风扇设计，RISE项目还将推出一系列突破性技术，包括紧凑型高压核心机、混合电力系统以及对可持续航空燃料的兼容性。截至目前，该项目已通过多个技术验证机完成了350多个组件和模块测试。

CFM RISE开放式风扇发动机技术

提升推进效率是RISE计划成功的关键。从单轴发动机到高涵道比涵道风扇的演进，最终催生了开放式风扇概念。与传统的涵道风扇发动机不同，开放式风扇设计移除了外部机匣，使更大尺寸的风扇设计成为可能。

通过风扇的气流质量流量增加，使发动机效率大幅提升。更高的涵道比（即绕过发动机核心的气流与通过核心的气流之比）显著降低了燃油消耗和噪音排放。

每片风扇叶片长度超过1.6米，由赛峰复合材料公司通过其创新平台采用先进的3D树脂传递模塑(RTM- Resin Transfer Moulding)技术制造。该复合材料技术已在CFM LEAP风扇叶片上得到验证，可显著减轻重量并提高燃油效率。

紧凑型高压核心及混合动力系统

作为CFM RISE项目的核心验证机组成部分，GE航空航天正在开发一种紧凑耐用的高压核心（包括压气机、燃烧室和涡轮）。今年5月，该公司完成了高压涡轮叶片技术的耐久性测试，模拟大推力起飞和爬升工况。超过3000次循环的耐久性测试验证了该高压涡轮系统的耐用性、可靠性和燃油效率。

GE Aerospace未来飞行工程副总裁赫格曼(Arjan Hegeman)表示："通过对新型高压涡轮叶片冷却技术进行耐力测试，表明CFM RISE项目早期就关注耐久性和可靠性。这是我们首次在新技术开发阶段如此早地进行耐久性测试，融入了当今商用飞机发动机飞行积累的经验值。"

RISE项目的另一个关键目标是机身集成。除了高效材料和推进系统效率外，发动机机翼集成及由此带来的空气动力学性能也至关重要。通过与飞机制造商合作，将对这一先进架构的装机性能进行测试。

CFM RISE项目的测试里程碑

RISE计划旨在展示开放式风扇发动机技术，为未来引擎奠定基础。2022年，CFM与空客联合启动了飞行测试验证项目，将在A380测试平台上推进先进开放式风扇的测试工作。

两家公司旨在加速推进推进技术的研发，同时加强机身集成度。

预计于本年代末启动的飞行测试项目，还将重点关注发动机的声学表现及其与100%可持续航空燃料(SAF- Sustainable Aviation Fuels)的兼容性。

开放式风扇架构设计飞行速度与现有商用飞机相当，但运行效率更高、碳排放与噪音水平更低。随着技术不断成熟，CFM RISE项目将联合航空合作伙伴开展全面开放式风扇测试。

想象一台拆除外壳的喷气发动机，巨大的扇叶如同安装在机翼前方的超大螺旋桨，在露天环境中自由旋转。这些裸露的叶片划出优美弧线，标志着对喷气发动机工作原理的彻底革新。

它们或许还代表着喷气发动机的未来，有望大幅提升航空旅行效率，影响飞行器设计，并为自喷气时代初期以来变化甚微的飞机结构带来创新可能。

"开放式风扇结构实现了涵道布局永远无法企及的涵道比，为飞机带来显著的性能提升，"GE Aerospace未来飞行技术副总裁赫格曼（Arjan Hegeman）解释道。他提及该设计通过使更多气流绕过燃烧室，从而实现更省油的推进效率。"我们坚信这将成为未来航空动力系统的方向。"一项耗资数十亿欧元的跨国研发计划，有望在2030年代中期将其变为现实。

重新审视航空旅行

开放式风扇发动机的概念既是对过往理念的回归，也是一次跨越式创新。类似设计早在上世纪七八十年代就以无涵道风扇或桨扇发动机的形式出现，当时原型机较传统涡扇发动机实现了30%的燃油效率提升。但随着石油市场格局变动导致燃料价格下跌，这项技术的经济驱动力随之消失，相关研发计划也被搁置。这项技术就此沉寂了数十年之久。

如今，先进复合材料、精密计算流体力学技术以及迫切的可持续发展需求，使得开放式风扇方案重新具备经济可行性。现代碳纤维复合材料能够承受早期设计无法应对的机械应力，超级计算机可实现前所未有的精确气流模拟。以GE Aerospace为例，该公司在田纳西州橡树岭国家实验室使用全球最快的超级计算机Frontier进行模拟运算，每秒执行百亿亿次计算，以优化叶片的气动性能与噪音特征。

与赛峰飞机发动机公司各持股50%的合资企业，正通过其RISE（可持续发动机革命性创新）计划引领这项工作。该倡议是"清洁航空"联合项目（Clean Aviation Joint Undertaking）的核心组成部分，这个由欧盟委员会与航空业合作伙伴共同发起的41亿欧元公私合作项目，致力于研发更高能效的航空技术。"清洁航空"计划力争到2035年实现先进飞行器温室气体排放量减少至少30%，并设定了到2050年更换75%现役机队的目标。当前研发工作聚焦于攻克一系列独特的工程难题。

为最终实现开放式风扇发动机的商业化应用，工程师们正着力解决裸露旋转叶片的安全隐患、优化噪声特征等技术难题。赛峰集团透露已完成近200项风扇叶片机械测试，包括吞鸟试验与振动耐久性评估。RISE计划的风洞测试时长已达300小时且仍在持续。测试项目涵盖全尺寸静动态风扇叶片试验、高速涡轮测试以及450多小时的混合电力系统验证—这是清洁航空计划推进的另一项创新技术，与开放式风扇设计结合后，不仅能提升能效还可降低飞行噪音。

全部研发工作将于2020年代末期进入集成阶段——届时，配备全尺寸、全功能开放式风扇发动机的空客A380飞行测试平台将从法国图卢兹腾空而起。"安全始终是我们设计和测试环节的首要考量，"赛峰集团工程、研究与技术执行副总裁皮埃尔·科糖索(Pierre Cottenceau)强调。

科唐索表示："要实现最高安全标准的设计，就意味着需要增强风扇叶片强度，并与飞机制造商协同确保机身能抵御任何可能的叶片故障。"他指出已投入使用的CFM公司LEAP发动机为开放式风扇设计奠定了基础。"实际上我们基于LEAP风扇叶片的经验值，已开展新型开放式风扇叶片的多年研发工作。"赛峰集团已对新型叶片设计进行了数百次测试。科唐索补充道："我们会对叶片进行吞鸟和振动测试，以确保其能承受实际运行中的所有状况。"这些技术突破的实现将为航空业带来巨大效益。

气动效能突破

开放式风扇效率的核心物理原理在于涵道比，即绕过发动机核心机与流经核心机的空气比例。传统涵道发动机存在一个限制：随着风扇增大以提高涵道比，外围涵道会成比例扩大，产生的阻力最终会抵消效率提升。涵道发动机的涵道比上限约为15比1。"开放式风扇结构移除了涵道，消除了这部分阻力，理论上可以无限扩大风扇尺寸，"赫格曼（Hegeman）解释道。"唯一限制因素就是飞机上的实际安装空间。"当前研究表明，开放式风扇发动机的涵道比可超过60比1——这将带来巨大的能效提升。

其优势远不止于此。"开放式风扇设计使发动机极其耐用，"赫格曼表示。传统发动机通过高温高压的核心机提升效率，而开放式风扇的主要效能提升则来自低温低压的风扇段，这减轻了零部件的负荷。"它的耐用性显著提升，维护成本大幅降低，"赫格曼补充道。更高的耐用性意味着航空公司能减少维护需求并降低运营成本。结合最高可节省航空公司40%运营成本的燃油效率，其经济性优势将极具说服力。

空中客车公司推进工程负责人弗兰克·哈塞尔巴赫表示："开放式风扇设计代表着发动机架构的根本性变革，从技术角度来看蕴含着诸多新机遇。将这种发动机架构整合至飞机存在重大挑战，目前我们正在研究多种配置方案。"例如将风扇安装在机翼前方而非下方，可优化机翼表面气流以产生更大升力，从而进一步提升燃油效率。这类调整需要发动机制造商与飞机制造商之间开展紧密协作。

赫格曼表示："任何下一代推进系统都需要优化与飞机间更复杂的交互界面。"发动机与机身的紧密耦合将使乘客受益。例如，采用更大直径发动机的革新机身设计，可能催生客舱空间更宽敞的飞机布局。赫格曼预测开放转子发动机投入商用后，人们将观察到明显变化："飞机外观会呈现新特征，发动机造型也将截然不同。"这种新型飞行体验将实现更安静的客舱环境，燃油效率显著提升，同时大幅降低排放量。"

原文，1. 《Testing the open fan’s promise》；2. 《What is CFM RISE? Inside GE and Safran’s open fan engine for net-zero aviation》 ；3. 《Is open fan the future of aircraft propulsion?》

杨超凡