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看熱鬧，也看門道------軍用航空發展&知識大補帖

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Dr Evil
路人甲乙丙

Taiwan
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Posted - 07/18/2025 : 10:16:26

本欄照理該放「現代武器」區，但那裡需要登入帳號實在麻煩。
MDC早已經是夕陽社區，還設門禁，可能是嫌人還不夠少......

所以放這邊方便隨意進出、沒有ＭＤＣ帳號的過客也可享用
開欄第一篇～ＰＷ百年，皇家航空學會採訪，滿滿乾貨好料

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隨著普惠（Pratt & Whitney, P&W）即將於2025年迎來創立一百週年，STEPHEN BRIDGEWATER（FRAeS）專訪了同為皇家航空學會會員的MICHAEL “DOC” WINTER博士，一探這家持續創新的引擎製造商在未來的發展藍圖。

自從FRED RENTSCHLER創立普惠以來的百年間，該公司始終站在航空引擎技術的最前線，接連推出一系列劃時代的重要計畫，引領產業走向未來。

1925年7月，RENTCHLER與GEORGE J. MEAD合作，並召集一小批曾在萊特航空（Wright Aeronautical）共事的夥伴，共同為美國海軍開發一款新型、輕量化、風冷式的星形引擎。儘管構想令人振奮，但缺乏資金，RENTCHLER便向普惠機床公司（Pratt & Whitney Machine Tool Company）尋求支援。當時該公司剛從一次大戰走出，手上資金充裕且有大量產能，於是提供了RENTCHLER 25萬美元（相當於今日約450萬美元）的貸款、授權使用「Pratt & Whitney」品牌名稱，以及部分廠房空間。

這筆投資最終被證明是極具遠見的決策——首具425馬力的P&W R-1340「黃蜂」（Wasp）引擎在聖誕前夕順利完工。最終，「黃蜂」系列的產量超過36萬3千具，成為航空史上最成功的引擎之一。

普惠（Pratt & Whitney）R-1340「黃蜂」引擎於1925年完成設計、研發與製造，總產量近3萬5千具，即便百年後的今天，仍有許多持續服役中。（RAeS/NAL）

為紀念普惠百週年，《AEROSPACE》雜誌專訪了現任RTX（雷神技術公司）首席科學家、同時為皇家航空學會會員的Michael “Doc” Winter博士。RTX為當今全球航空與國防巨擘，亦為普惠的母公司。

「在設計飛機或引擎時，最關鍵的是架構本身，」Winter說明道，「黃蜂引擎採用星形結構（radial configuration），使其能夠以氣冷方式散熱。這種架構的轉變堪稱劃時代，讓推重比提高了約2.5倍。」

Winter強調，這種架構上的創新正是普惠在過去一世紀中不斷重複實踐的精神，也將延續至未來。「二戰結束後，我們從基本的噴射引擎出發，透過結構上的突破，開發出雙軸設計的J-57引擎。雖然當初為軍用而設計，但它也催生了商業噴射旅行的經濟可行性。」

低涵道比引擎（low bypass）接著演進為高涵道比渦扇引擎（high bypass turbofan），到了1990年代末期，普惠開始研發Winter所稱的下一次「飛躍級轉變」——PW1000G齒輪式渦扇引擎（GTF）系列，最終於2016年搭載於空中巴士A320neo並投入服務。

「GTF的燃油效率約提升了16%，」他補充說道，「我為此感到自豪——現代燃氣渦輪引擎是人類有史以來最複雜、最精密的量產裝置。」

Edited by - Dr Evil on 07/18/2025 10:24:49

Dr Evil
路人甲乙丙

Taiwan
4715 Posts

Posted - 07/18/2025 : 10:18:49

近年來，普惠（P&W）最具代表性的飛躍之一，便是推出了PW1000G齒輪式渦扇引擎（GTF），其燃油效率相較前代引擎提升了約16%。（RTX）

Winter博士指出，現代引擎的性能主要取決於風扇、涵道與噴嘴的效率。「這種推進效率（propulsive efficiency）再乘上核心的熱效率（thermal efficiency），」他解釋道，「也就是我們如何將燃料中儲存的能量釋放出來，並轉化為驅動軸的動能。當我們推出GTF時，等於在推進效率上實現了飛躍，但我們同時也意識到，這個架構還有極大的潛力可以深入優化。」

目前研發仍在持續推進中，團隊正研究如何進一步提升齒輪比（gear ratio）與涵道比（bypass ratio），讓更多氣流繞過引擎核心，從而提高整體效率。「迄今為止，我們已將噴射引擎的熱效率提升了400%，相較於法蘭克·惠特爾（Frank Whittle）與漢斯·馮·奧海因（Hans von Ohain）當年開發的原始引擎，」Winter補充道。「但如果你將這些進展放在理想熱力學效率的座標圖上來看，我們目前只達到約60%至70%的理想效率。」

「然而，若我們將那條理論曲線延伸至更高的溫度與壓力、直至燃料的化學計量極限（stoichiometric limit），就會發現——我們其實才走了一半的路。」

普惠（P&W）已經使用100%永續航空燃料（SAF）測試了多款引擎，包括最新款的 GTF Advantage——這是原始GTF的進階版本，在燃油效率、推力與耐用性方面均有所提升。Winter表示：「一旦有通過認證的100% SAF，我們的引擎就能立即相容使用。」

同時，普惠工程師也正重新構想商業航空推進系統的樣貌，Winter稱之為「一種我能以全新且關鍵方式控制的混合電力（hybrid-electric）、虛實整合（cyber-physical）機器」。經過對所有飛行領域的廣泛評估後，普惠發現了Winter所說的「甜蜜點」——混合動力系統的最佳輸出功率落在0.5至1百萬瓦（MW）之間。「這個功率等級非常適合推動都會空中移動（UAM）應用；而傳統區域渦輪螺旋槳飛機的動力約為2,000到3,000軸馬力（shp），也就是2到3MW左右，」他解釋道，「因此在輕度混合動力設定中，0.5至1MW的電力已能對性能產生實質貢獻。」

在這方面，普惠與其同屬RTX集團、在航空電動系統領域具先驅地位的柯林斯航太（Collins Aerospace）密切合作。柯林斯目前已開發出一系列高功率密度的電動馬達與控制系統，功率從250千瓦到1MW以上不等。雙方正共同在多個示範計畫中探索這些電動系統的混合動力應用。

針對區域渦輪螺旋槳飛機，普惠已開發出一套系統，採用相同的創新型燃氣發電器（gas generator）、電機與驅動裝置，並將其架構為平行混合動力配置。「在這種架構中，可以選擇從電力系統或燃氣發電器擷取動力，再透過共用的齒輪箱推動螺旋槳，」他說明。「這具引擎已完成製造並完成全功率任務測試，目前正整合至Dash-8-100飛機機身上，預計於2026年試飛。我們預期此混合系統可提供高達50%的總推力需求，燃油效率可望提升至30%。」

此外，普惠也與空中巴士直升機公司（Airbus Helicopters）合作，為其 PioneerLab 示範計畫開發混合電力推進系統，將兩具0.25MW等級的電動馬達發電機與普惠加拿大PW210渦軸引擎結合。

Winter亦強調，普惠正參與歐盟「潔淨航空」（Clean Aviation）計畫第一階段中的「SWITCH」項目（Sustainable Water-Injecting Turbofan Comprising Hybrid-Electrics），目標為開發一款混合動力版本的GTF示範引擎。值得注意的是，這類系統將允許在任務中的不同階段，使引擎運作在最佳效率點。「我們並不只是用電取代燃料，」Winter強調，「事實上，我們降落時電池還是滿的。」

Edited by - Dr Evil on 07/18/2025 10:20:19

Dr Evil
路人甲乙丙

Taiwan
4715 Posts

Posted - 07/18/2025 : 10:22:52

普惠（P&W）開發的「氫蒸汽注入中冷渦輪引擎」（HySIITE），可利用氫氣的極低溫特性來冷凝水氣，再由引擎排氣系統收集這些水分，並重新投入熱力循環中加以利用。（RTX）

許多飛機機體與推進系統的開發者對氫燃料寄予厚望。Winter 解釋：「氫氣的質能比為121兆焦耳（MJ）/公斤，是煤油的三倍，但其體積卻是煤油的四倍，必須以液態低溫方式儲存，這意味著不僅要有儲存空間，還要有辦法維持在攝氏零下253度的環境。」

然而，普惠對氫燃料的研究已有超過60年歷史。「1950年代，美國中央情報局（CIA）發現蘇聯擁有能夠擊落高空U-2偵察機的飛彈，飛機設計師克拉倫斯·‘凱利’·約翰遜（Clarence ‘Kelly’ Johnson）構想出一款以氫為燃料、飛行高度達10萬英尺的飛機，」Winter分享道，「當時我們（普惠）承接了這項被稱為『陽光計畫』（Project Suntan）的引擎開發任務，採用熱力膨脹循環，並於1958年完成試車。到了本世紀初，我們重新翻出這些藍圖，研究其架構如何應用於現代燃氣渦輪引擎上。」

當然，如今面對的考量已與1950年代不同——例如燃燒氫氣所產生的高量氮氧化物（NOx）早已無法接受。「當我在相同推力條件下燃燒氫氣時，會比煤油產生約2.6倍的水氣，」Winter補充道，「而這些水氣與飛行中形成的凝結尾（contrails）有關，而凝結尾會影響地球的反照率與氣候變遷。」

儘管如此，Winter認為可以將這些挑戰轉化為機會：「我們構想出一種新型引擎架構，稱為HySIITE——氫蒸汽注入中冷渦輪引擎。它利用氫氣的極低溫將水氣冷凝，並透過排氣系統捕捉這些水氣，使其不作為排放逸出，而是重新投入整個熱力循環中利用。」

自噴射時代開啟以來就已知，在引擎中注入水氣可以提升推力——1960年代B-52轟炸機起飛時冒著黑煙的畫面就是明證。Winter說明：「我們利用水的副產物來冷卻氣流並提高其密度，從而縮小引擎尺寸、降低重量並提升熱效率。同時，固定式燃氣渦輪的研究也發現，注入水氣有助於減少氮氧化物的排放。」

這類引擎的關鍵技術，在於能安裝於高溫高壓排氣環境中的熱交換器。近期在美國能源部ARPA-E機構支持下，相關關鍵元件的測試表現亮眼。「我們首先成功證明，熱交換器能在極端環境中運作並持續運作，這是第一塊技術基石，」他指出。「第二塊基石是，我們發現可利用冷卻氣流在排氣系統中大量捕捉水分——我們已能每三秒回收相當於一加侖的水。第三塊基石，則是成功將這些水注入燃燒系統，觀察對氮氧化物的影響。」

在引擎關鍵部件測試中，研究人員發現：當引擎完全以氫氣燃燒時，氮氧化物的排放可比現有GTF引擎標準值降低99.3%。此外，得益於引擎核心的縮小與熱能回收能力，燃油效率也提升了約35%。由於航空公司與空軍的營運成本中有30%至40%來自燃油消耗，這種效率改善具有相當可觀的潛力。

儘管HySIITE項目已經告一段落，但普惠仍持續投入氫能技術的研發，例如在其加拿大分部，工程師正針對PW127XT渦槳引擎進行氫燃燒測試，該計畫名為HyADES（Hydrogen ADvanced Engine Study）。然而，氫燃料的長期應用仍受限，問題並不在技術能力，而在於「綠氫」供應的極度不足。

目前全球約95%的氫氣仍來自化石燃料製程，且大多數用於生產氨，用於肥料產業。「氨是肥料的主要成分，我們不希望因此破壞食物鏈，」Winter說明。「此外，若依賴電網製造氫氣，乾淨水源也是一項有限資源。最關鍵的是，假如將去年全球生產的90%氫氣全數投入航空使用，其能量僅足以驅動全球民航機隊的10%。」

因此，若要讓這種理想燃料真正為淨零排放目標發揮作用，建構生產、輸送與儲存綠氫的基礎設施，必須成為首要投資項目。

普惠（Pratt & Whitney）目前正與歐盟「潔淨航空」（Clean Aviation）聯盟合作，參與名為「SWITCH」（Sustainable Water-Injecting Turbofan Comprising Hybrid-Electrics）的項目。（RTX）

當被問及推進系統產業面臨的最大威脅與機會時，Winter沉思片刻後答道：「其實兩者是一體兩面。我們正處於一個技術發展以史無前例的速度指數成長的時代，與此同時，全球市場也正出現前所未見的需求高峰。」

「目前引擎的訂單積壓量，是自二戰以來最高的。我們正從『需求受限』的經濟模式，轉向『供給受限』的局面。與此同時，我們也面臨壓力，必須推出效率更高、性能更強的產品。好消息是，這讓航空推進工程成為一項既穩定又令人振奮的職涯選擇。它也為公私部門合作提供了絕佳機會，加速將這些新技術推向市場。」

作為一家龐大的組織，普惠依然試圖延續創辦人Fred Rentschler與其創業團隊當年所秉持的「新創精神」。當時他們在車庫裡快速研發，設計出黃蜂（Wasp）引擎，並在短短六個月內完成首具樣品。Winter告訴《AEROSPACE》：「我們仍追求那種敏捷的開發節奏。就像HySIITE計畫一樣，我們總是優先攻克最困難的問題，這就是我們對創新的一貫態度。」

也許正因如此，普惠18.5萬名員工中有高達5.7萬人是工程師（將近三分之一），公司擁有的專利數超過6萬件——平均每位工程師就對應一件以上的專利。

這些創新有很大一部分來自RTX技術研發中心（RTX Technology Research Center）。該中心今年也將迎來第96週年，源自Fred Rentschler於1929年創設的早期實驗設施，也是在公司開業不久後便建立的。Winter自己正是在那裡展開職涯，「那時我還是一名剛畢業的博士生、滿身實驗室氣味的新人。」如今，該中心是RTX集團中專門孵化新技術與創意的核心機構，推動著集團旗下十大技術路線圖的發展。

從百年前第一具黃蜂引擎誕生以來，普惠已生產超過五十萬具引擎，始終站在推進技術的最前線。而「Doc」Winter 對於打造更卓越、更高效航空引擎的熱情，至今依然充滿感染力。

──Stephen Bridgewater FRAeS

2025年7月11日

https://www.aerosociety.com/news/step-changes-pratt-whitney-at-100/

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兵工開物．第3發
http://www.acewings.com/cobrachen/forum/topic.asp?TOPIC_ID=12252

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