航空业正在快速增长，并将继续增长。最近的估计表明，航空运输的需求将以平均每年4.3%的速度增长，这意味着在未来20年将翻一番。
燃气轮机被用来为飞机提供动力。它们将流体的内能(温度或压力)转化为动能(速度)。燃气轮机吸入的空气经过压缩机，使其温度和压力升高。通过在燃烧室燃烧燃料，额外的能量被添加到压缩空气中。这些能量的一部分通过涡轮回收来驱动压气机和发动机辅助设备。剩余的能量可用来形成一个推进喷气机，它可以用来推动飞机前进，就像在喷气发动机中，或驱动涡轮机，使动力在轴上可用，就像在船舶或发电站中。图1显示了一个典型的燃气轮机的级。
由于在运行过程中会遇到高温和应力，燃气轮机的部件必须精心设计并使用昂贵的材料制造。从历史上看，设计高效压气机的难度比设计高效涡轮的难度更大，这延误了燃气涡轮发动机的发展。在设计条件下，现代机组的压气机效率为86-88%，涡轮效率为88-90%。早期的燃气轮机采用离心式压缩机，相对简单和便宜。
然而，它们仅限于低压比。这导致了现代轴流压缩机的发展。然而，旁路比(BPR)过低直接影响燃油效率。齿轮传动涡扇(GTF)技术的进一步发展导致了更高的涵道比(BPR)。齿轮传动涡扇发动机是一种涡扇发动机，在风扇和低压轴之间有一个齿轮箱，以最佳角速度旋转。未来20年，我们将看到这项技术的更有针对性的进步，从而产生增强的GTF衍生物。
图1:燃气轮机工作原理图
从流动的气流中提取旋转机械能的最早装置可以追溯到16世纪。它是风车和烟囱(图2)。
在20世纪30年代中期，由英国皇家飞机研究所(RAE)的弗兰克·惠特尔领导的一个小组致力于设计一种高效的喷气推进飞机的燃气轮机。惠特尔的设计是基于离心压缩机，它对小质量流量有良好的特性，但当机器扩大到为更大的飞机提供动力时，效率就会降低。这种发动机比活塞发动机更适合高空和高速飞行。
在德国，Hans P. von Ohain与制造公司Ernst Heinkel合作，进行了独立的并行开发，最终研制出了一种完全可以使用的喷气式飞机发动机，其特点是一个离心压气机和一个径向进爱游戏捕鱼游戏气涡轮。1939年8月27日，世界上第一架喷气式飞机试飞成功。
图2:达芬奇(公元1500年)构思的烟囱杰克
在第二次世界大战后的几年里，所有主要的发动机项目都开始使用轴向压缩机，其中空气流动的路径大致是直线的，如图3所示的劳斯莱斯雅芳。对更大、更强大发动机的推动来自世界历史上一个新阶段的要求:冷战。
图3:劳斯莱斯雅芳1950
早期的喷气式发动机主要用于小型战斗机，因为燃油经济性差，不适合大型飞机。这标志着多轴发动机的引入，如普惠J57或协和飞机上的布里斯托奥林巴斯，压缩机被分成两个部分，以不同的速度旋转，每个部分由独立的涡轮驱动。
格里菲斯在1947年首次提出采用BPR的喷气发动机。基于这一想法的发动机在1952年首次运行，并发展成BPR为0.3的劳斯莱斯康威。康威及其竞争对手普惠JT8D的BPR为0.96(图4)，为波音707和DC8提供动力，开启了大规模航空旅行的时代。它们也为当时的许多军用飞机提供动力。
图4:普惠JT8D
20世纪70年代、80年代和90年代，所有主要的飞机制造商都在考虑能够搭载200名或更多乘客、飞行距离超过5000海里的宽体商用飞机，以满足日益增长的航空旅行需求。作为回应，发动机制造商提出了高涵道比的新发动机。
较低的风扇转速允许更高的旁路比，从而减少燃料消耗和大大降低噪音。在齿轮传动涡扇发动机中，风扇和低压轴之间的行星减速齿轮箱使后者能够以更高的转速运行，从而使低压涡轮和低压压气机使用的级数更少，提高了效率并减轻了重量。
在传统的涡轮风扇中，风扇尖端的速度超过了声速，造成了典型的嗡嗡声，需要消声。齿轮传动涡扇风扇以足够低的转速运行，以避免超音速尖端速度，被认为是最安静的之一。透博梅卡阿斯平是第一架齿轮传动涡扇发动机飞行，在1952年1月为Fouga Gemeaux试验台飞机提供动力。ALF 502/LF 507在1980年获得认证，是莱康明发动机公司生产的齿轮传动涡扇发动机。
航空发动机所用的材料已经取得了重大进展。低密度和耐高温的新材料将有助于提高燃料效率。陶瓷具有这些特性，但其脆性限制了其应用领域。陶瓷基复合材料(CMC)——用纤维增强的陶瓷可以解决这个问题，并被开发为下一代航空发动机材料。cmc已经发展了20多年，并将在不久的将来应用于商业领域。
航空已经被认为是全球技术发展和创新的推动力。当前十年及以后，航空发动机的重点一直是通过减少排放、燃料燃烧和噪声水平来改进和发展高效发动机。
为了实现与航空环境目标相关的具体举措，联邦航空局(FAA)根据图5提出了五支柱综合方法。
图5:FAA研究计划
新的发动机和机身技术继续在实现航空环境和能源目标方面发挥关键作用。美国联邦航空局和其他机构支持发动机技术和机身配置的进步，为下一代飞机奠定基础。美国联邦航空局的重点是成熟的技术在短期内的应用，而美国国家航空航天局的重点是更广泛的技术发展的时间框架。美国联邦航空局的持续低能源、低排放和低噪音(CLEEN)计划是下一代公司的一项努力，旨在加速具有环保前景的飞机技术和可持续替代燃料的开发和商业部署，并遵循以下指导方针。
各种飞机发动机制造商已经投入了大量的研究，努力开发新的技术，以实现上述指导方针。在进化技术的所有领域，即空气动力学、材料和结构、推进和飞机设备系统，正在不断取得进展。最近取得显著进展的一些技术例子有:自然和混合层流控制、新型高涵道比发动机架构以及飞机系统，如电动起落架驱动器和机载发电燃料电池。
在过去二十年的主要介绍之一是齿轮传动涡扇技术。普惠公司在1993年开始测试齿轮传动设计，并在1998年建造了第一架量产齿轮传动涡扇发动机，PW8000的旁路比为11:1，但该项目被放弃。然而，普惠公司在2000年初重新开始了他们的研究，最初被称为先进技术风扇积分器(ATFI)，后来是齿轮传动涡扇(GTF)。
PW1000G GTF发动机(图6)BPR 12.5:1，推力35000 lbf，于2016年1月随着汉莎航空的首架商用空客A320neo航班首次投入商业使用。3万马力(2.2万千瓦)的变速箱被设计为终身项目，除了换油外无需定期维护。该风扇有20个叶片，低于同级别CFM56-5B的36个叶片。这个发动机家族首次引入了铝风扇叶片的应用。由于齿轮箱的使用导致了风扇转速的降低，叶片上的拉应力降低了，这意味着新的高强度铝合金可以满足叶片的强度要求，而不需要钛合金叶片。
图6:普惠GTF发动机横截面
GTF发动机已经实现了50%的NOx排放减少，75%的噪音足迹减少，16%的燃料消耗减少
2010年，普惠启动了超高涵道比型号的开发，该型号的比明显高于PW1000G，与CFM56-7相比，油耗提高了20%，噪声降低了25分贝，达到了FAA的目标。目前它正在进行测试，有望在2020年代中期为波音新中型飞机提供动力，并将与劳斯莱斯的UltraFan和CFM的LEAP大推力版本展开竞争。
劳斯莱斯“UltraFan”的可变螺距风扇系统的目标是15:1 BPR, 100,000 lbf推力，25%的燃料燃烧提高，预计到2025年。它将使用碳纤维增强聚合物(CFRP)复合风扇叶片，而不是通常的空心钛叶片，每台发动机节省750磅。还采用了先进的陶瓷基复合材料(CMC)组件，在高压涡轮温度下更有效地工作。可变螺距风扇将促进低压力比风扇的操作性，并避免了推力逆转器的需要。每个风扇叶片都有一个数字双胞胎，可以存储真实的测试数据，使工程师能够预测在使用中的性能。
CFMs LEAP于2016年推出，BPR为10:1，推力为35000 lbf，燃油效率为16%。风扇叶片由3D编织RTM(树脂转移成型)碳纤维复合材料制造。这项技术不仅重量轻，而且强度也足以支撑宽体飞机的重量。这是第一个使用增材制造来“生长”复杂、全密度但更轻的发动机。爱游戏捕鱼游戏它的燃料喷嘴轻了25%，耐用性提高了5倍。它的特点是双环，预混合旋涡燃烧室(tap II)，减少50%的NOx排放。碎片排除系统提供最佳的侵蚀保护，防止沙子，污垢和其他有害物品到达核心，从而使高度耐用，更高效的发动机。
在不远的将来，混合动力和全电动飞机将彻底改变航空旅行。飞机和推进系统(MEAAP)的更多电力架构关注于燃油效率的显著提高，通过优化飞机系统，考虑推进、热管理和电力管理，如图7所示。通过用电动系统取代传统的液压和气动系统，我们可以减少从发动机排出的空气，从而提高效率和降低燃油消耗。UTC进行的一项研究表明，商用电力和混合动力电力推进可以减少飞机噪音高达85%，可提高40%的燃料消耗，可减少超过20%的二氧化碳排放，并可减少高达20%的航空公司运营和维护成本。
图7:MEAAP的概念
在短期内，我们可能会看到一种“更电动混合动力”的商用飞机，而不是一种“全电动”的替代品。这种“更多的电动混合动力”版本可以通过减少排放带来真正的好处，并允许开发电机和电力电子设备，以过渡到完全电动操作。图8显示了混合动力解决方案的可视化效果
图8:MEAAP到Electric的转换
日本石川岛harima重工(IHI-Japan)与国ayx爱游戏平台内公司合作，开发了一种可安装在飞机喷气发动机尾部尾锥内的发动机嵌入式电机(250kW)，并于2020年2月成功完成评估试验。尖端技术使高功率密度和耐热发电机，包括预先成型和焊接绕组与5720 F高耐热绝缘涂层。此外，基于IHI在喷气发动机热、气动和结构技术方面的专业知识和经验，新的冷却技术也被纳入其中。参见下面的图9。
图9:发动机嵌入式电机(E3M)
IHI加速了高功率密度电机的开发，包括一个实际的发动机演示，并考虑了更高功率发电系统的可能性，这可能是未来混合动力推进的关键技术。
柯林斯航空公司公布了联合技术公司的混合电力飞行演示机。该项目的目标是在De Havilland Dash-8 100支线飞机上重新启动普惠加拿大公司(PWC)的发动机，并使用2MW级混合动力推进系统提供动力。
总部位于以色列的初创公司Eviation公布了其全电动轻型飞机“爱丽丝通勤”。该公司称该飞机采用分布式推进，在尾部安装一个主推进螺旋桨，在翼尖安装两个推进螺旋桨。爱丽丝号的动力来自6000磅的锂离子电池，最多可搭载9名乘客，行驶600英里。
英国航空财团涅瓦航空公司(Neva Aerospace)公布了未来个人载人航空运输的原型“AirQuadOne”商业概念。AirQuadOne被设想为一种个人垂直起降(VTOL)飞机，通过直接电线连接、感应或电池组开关，由与电动汽车充电站兼容的电池组提供动力。
“surely垂直起降”是一种由八个独立马达驱动一个碳纤维螺旋桨、一个备用电池动力系统和一个在紧急情况下安全降落的弹道降落伞组成的飞机，被称为“直升机的再发明”。这款双座旋翼飞机配有燃气发动机，设计的最大航程为70英里。Workhorse集团还指出，它拥有完整的计算机和电气系统冗余，飞行上限为4000英尺。
空客、劳斯莱斯和西门子建立了合作伙伴关系，目的是开发和建造混合动力演示飞机E-Fan x。它使用串联混合动力技术为一个2兆瓦的电机提供动力，安装在BAe 146飞行试验台上，取代四台燃气涡轮发动机中的一台。该公司的长期目标是建造一种配备E-Fan X技术的商用飞机，可搭载50-100名乘客，飞行区域和短程航线，预计在2035年左右投入使用。
材料技术是燃气轮机发动机的基础技术。参考图10所示的典型材料。发动机的最终效率受到工作温度的限制，因此需要具有高温性能的材料。然而，考虑到目前高温合金的熔点约为3362华氏度，挑战变成了寻找能够承受更高温度的材料;正因如此，对新材料的研究成为了当务之急。贫燃发动机的出现，其潜在温度高达3812华氏度，帮助推动了对这些新材料的需求。为了获得更高的推力，必须实现更高的工作温度;为了提高效率，必须在不损失推力的情况下显著减轻发动机的重量。无论哪种情况，都需要开发具有更高熔点和更大内在强度的新材料系列。
图10:航空发动机使用的典型材料
如今，飞机制造业正在经历一场革命，它可以用一个词来概括:复合材料。爱游戏捕鱼游戏飞机制造商使用复合材料，航空公司希望在其机队中使用复合材料的理由有很多。与传统金属材料相比，许多复合材料具有相对更大的强度特性，从而降低飞机重量，从而降低每名乘客的燃料成本。复合材料比金属材料更能抵抗反复起飞/降落循环带来的疲劳，因此在飞机的使用寿命中，花费更少的检查
由高性能陶瓷基复合材料(CMCs)、金属基复合材料(MMCs)和纤维增强聚合物(FRPs)制成的先进复合材料被用于高性能航空航天系统，提供额外的功能优势，如耐温、雷达吸收和颤振抑制。
cmc和金属一样坚韧，重量仅为镍合金的三分之一，可在2372华氏度下工作。承受极端温度的能力需要更少的冷却空气从推力转移;因此，发动机以更高的推力运行。此外，发动机运行温度更高，燃料燃烧更彻底，减少燃料消耗，排放更少的污染物。目前大多数飞机发动机CMC的发展主要是针对静态部件，如伞翼和燃烧室衬套。未来几年，旋转部件对CMC部件的需求可能会出现健康的激增。劳斯莱斯一直致力于碳化硅(SiC) cmc的研发，这种材料可以承受3452华氏度的高温。这些合金比传统的镍基合金轻三分之二。
碳纤维是一种由碳原子排列成又长又薄的晶体构成的材料。这些晶体的排列使得碳纤维的厚度极其坚固，其厚度比人的头发还小。碳纤维是一种独特的材料，可以与环氧树脂模压成几乎任何形状，包括金属无法达到的形状，或不将几块焊接在一起并制造弱点。碳纤维的优点是重量轻，在拉力下不易断裂。PW1100G发动机上使用的碳纤维和CMC部件参见图11。
图11:PW1100G上使用的CFC和CMC部件
金属基复合材料(MMC)是与航空发动机最相关的连续陶瓷纤维增强钛材料。mmc的主要航空发动机应用将是在压气机盘和鼓中，在这种情况下，纤维的高性能可以大大减轻重量(超过70%)，而不需要将纤维引入复杂的形状。重量的节省来自于取消了通常的金属中心网和轮毂，箍的强度和刚度由增强碳化硅纤维环提供，见图12。
纤维增强聚合物(FRPs)是一种先进的纤维结构(二维和三维编织、针织和编织)，被用作复合材料的预制体。
夹层复合材料采用先进的三维夹层纤维结构，表面和核心一体化，解决了分层问题。这些可以在未来更好地用于航空航天部件。
高的剪切和扭转强度和刚度，高的横向强度和模量，高的损伤容限和疲劳寿命，缺口不敏感，高的断裂韧性，以及开发复杂和近净形复合材料的可能性是编织复合材料的一些重要优点。火箭喷嘴、风扇叶片密封壳体、飞机螺旋桨和定子叶片是用编织复合材料建造的一些航空结构件。
虽然通过使用复合材料和轻金属合金已经实现了相当程度的重量减轻，但研究人员正在寻找能够提供更好的重量效率和提高飞机性能的革命性材料。增韧复合材料、纳米材料、杂化多尺度复合材料、自敏感复合材料、金属间化合物和形状记忆镍钛合金是目前正在研究的几种材料。
图12:MMC叶片环
