综述：航空发动机应用绿色制造技术研究进展与未来趋势

《Aerospace Science and Technology》：Research progress and future trends of green manufacturing technology for aero-engine applications

　　

## 摘要

近年来，全球环境问题日益凸显，制造业的绿色低碳转型已成为环境保护的关键举措。航空发动机制造技术的可持续发展是该领域的核心方向之一。如何提高制造效率、降低生产成本、减少资源消耗以及降低环境污染，已成为航空发动机生产的核心关注点。为了全面梳理航空发动机绿色制造技术的现状与应用情况，本文首次从全生命周期角度系统分析了航空发动机制造过程中的碳排放、环境污染源及其对应的环保与减排策略，涵盖从原材料准备、零部件制造、在役评估到退役回收的全链条。文章聚焦于核心制造工艺和先进难加工材料，总结了精密加工工艺、增材制造工艺、成形工艺、陶瓷基复合材料和树脂基复合材料在绿色发展方面的进展，并展望了未来发展趋势，旨在为推动相关技术领域的可持续实践提供参考和指导。

## 引言

全球气候变化是21世纪人类面临的最重大环境问题和最复杂挑战之一[1]。气候学家认为，人类活动释放的二氧化碳等"温室气体"在大气中浓度不断增加，导致地球变暖，这一机制通常被称为"温室效应"。人类活动通过温室气体的积累改变了大气的化学成分，环境温度的升高及相关过程的变化直接与大气中人为温室气体排放的增加相关[2]。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）指出，要将全球气温升幅限制在1.5°C或远低于2°C，全球需在2050年前实现二氧化碳（CO?）净零排放，这一目标通常被称为"碳中和"[1]，这是一个艰巨且远未完成的任务[3]。

绿色制造（Green Manufacturing, GM）正迅速发展成为一种具有可持续性潜力的制造方案，有望应对当今世界的诸多挑战[4]。GM的概念最早由美国制造工程师协会（SME）于1996年发布的《绿色制造蓝皮书》中明确定义，该文件指出："绿色制造，又称清洁制造，旨在从产品设计、生产、运输到废弃的全过程中，最大限度地减少对环境的不利影响。"[5]

据统计，在导致温室效应的众多因素中，约3.5%的全球温室效应归因于航空业[6]。因此，推动GM技术在航空制造业中的应用极为紧迫。目前，代表会员航空公司的国际航空运输协会（IATA）已承诺在2050年前实现净零战略[7]。

近年来，全球航空制造业强国加快了绿色航空技术的研发和产业升级步伐，借助政策引导、资金投入和技术创新来实现航空领域的低碳目标。欧盟于2008年2月启动了"清洁天空1号"计划（2008-2016），系统性地减少飞机噪声、碳排放（较2000年水平降低50%）和氮氧化物排放（降低80%）。随后于2017年推出"清洁天空2号"计划（2017-2021），将已验证技术商业化；2021年1月又启动"清洁航空"计划（2021-2031）[8]，通过公私合作投入41亿欧元，研发混合动力推进系统和超高效率中短途飞机等颠覆性技术，目标是在2035年前准备关键技术，并在2050年实现碳中和。英国是首个通过修订《气候变化法案》（2019年）在法律上强制要求"2050年实现净零排放"的国家，其航空技术研究所（ATI）于2020年7月启动了"FlyZero"项目，聚焦液氢推进技术，目标在2035年前推出中型氢动力飞机（100-200座、航程3700公里），2037年推出窄体机型，同时整合罗尔斯·罗伊斯的UltraFan发动机技术以推动跨行业协作。2022年7月，英国进一步公布"Jet Zero"战略，目标在2040年实现国内航空及机场运营的净零排放，2050年实现全行业脱碳。美国通过联邦航空管理局（FAA）的"持续降低能耗、排放和噪声"（CLEEN）计划（2010-2031）推进目标，目标包括降低40%的燃油消耗、减少70%的氮氧化物排放、累计降噪32分贝，同时推广可持续航空燃料。中国于2023年3月发布《绿色航空制造业发展行动计划（2023-2035年）》，提出2025年实现电动通用航空商业化、2035年新能源航空器成为主流的验证目标。

与此同时，全球航空制造商也在积极推进绿色技术。波音于2010年启动"生态验证机"（EcoDemonstrator）项目，测试了超过250项技术（如生物燃料、复合材料回收），其与NASA合作的X-66A验证机目标是在2030年前将单通道飞机燃油消耗降低30%。"生态验证机"项目的重要研究方向之一是降低机身摩擦阻力的技术，以实现机翼和尾翼等部件的自然层流。然而，该技术面临的关键挑战是表面污染问题：例如在低空起飞、爬升和降落过程中，飞机机翼容易受到昆虫撞击而留下残留痕迹，这将破坏层流边界层，引发其向湍流转变，导致减阻效果立即丧失。目前，波音采用的解决方案是涂覆特殊的防污染涂层和安装防虫装置[9]。空客于2015年发起"明日之翼"项目，由英国ATI资助，旨在将复合材料机翼的开发周期缩短至五年，并集成可折叠翼尖设计。2020年，空客发布了三款零排放概念飞机（涡扇、涡桨、混合翼身融合体），目标在2035年前投入运营。普惠PW1100G发动机，是普惠公司开发的一种齿轮传动涡扇（GTF）发动机，预计比其替代的发动机燃油效率提高11%[10]。为进一步提升发动机效率，开式转子发动机已被提出，该发动机取消了包裹风扇叶片的短舱。长期以来，这类发动机在理论上被认为能够实现最大的推进效率。然而，它也面临一个核心问题——难以克服的噪声难题[11]。为解决此问题，NASA与通用电气合作，利用气动声学建模工具对叶片几何形状进行反复优化设计[12]，完成了新一代低噪声高效开式转子发动机Gen-1叶片组的设计、制造和测试，基于Gen-1数据的整机级系统分析显示，与1998年同等技术水平基线系统相比，燃油消耗降低了33%，并具有13 EPNdB的噪声余量[13]。针对低排放、燃油效率提升和先进高温性能，罗尔斯·罗伊斯推出了三个发动机验证项目：面向宽体飞机三轴发动机家族的"Advance3"和UltraFan?，以及面向中端市场、公务机和支线航空的两轴发动机家族的"Advance2"。图1展示了集成到ADVANCE概念中的关键技术及其效益分类[14]，从中可以看出，提高航空发动机的环境友好性是其主要效益之一。同时，UltraFan?虽然在效率方面实现了显著提升，但仍面临该设计所面临的主要挑战之一——由其大功率齿轮箱产生的极端热载荷[15]。为应对这一问题，罗尔斯·罗伊斯采用了系统工程方法，重新定义了涡扇发动机的热管理系统，并制定了全面的技术发展路线图，从而成功解决了该问题[16]。

作为飞机的动力源，航空发动机被认为是航空业的主要污染源之一。不仅在运行过程中会产生温室气体排放和显著噪声造成环境污染，在其制造过程中也会产生各种环境问题，如废气或废液的排放。因此，实现航空发动机的绿色制造是达成绿色航空生产的关键任务。通过实施航空发动机绿色制造技术，可以实现多个目标，包括减少环境污染、降低制造成本、减少能耗和提高生产效率。

航空发动机的绿色发展引起了广泛关注，已有若干综述论文从不同角度介绍了航空发动机绿色发展的现状。Sheikhi等[17]强调了材料对航空发动机绿色发展的重要性，重点分析了航空发动机核心部件所用金属材料的绿色发展历史，但对树脂基复合材料和陶瓷基复合材料等新兴材料的介绍相对有限。Gan等[18]从航空发动机安全的角度综述和展望了可持续航空燃料的标准体系。Ranasinghe等[19]从燃烧和热流强化、齿轮箱技术、轻量化材料以及智能发动机健康管理系统的角度总结了航空发动机减排技术的发展现状，也介绍了碳纤维增强塑料的优势及其在航空发动机中的应用，但未讨论这些材料本身的绿色发展途径。Parker等[20]从航空发动机优化设计和能源替代的角度回顾了航空发动机的绿色发展历史，虽然该文提到使用树脂基复合材料和陶瓷基复合材料是实现航空发动机节能降碳的重要措施，但未从技术角度进行深入分析。Lee等[21]也从能源替代的角度分析了航空发动机的绿色发展途径。然而，根据Web of Science的检索结果，1995年至2025年间共发表了148篇与航空发动机相关的综述论文，其中40篇涉及材料。在这些材料相关综述中，仅有2篇涉及绿色发展，且均聚焦于清洁燃料相关主题，其余主要集中讨论材料的性能提升。另有29篇综述涉及制造工艺，其中仅1篇涉及绿色发展，且仅讨论磨削工艺相关内容，其余文章主要关注工艺本身的技术进步。此外还有两篇综述与航空发动机绿色发展相关：一篇主要涉及先进燃油喷嘴，另一篇则从推进系统、空气动力学和机体结构三个维度阐述航空器减排。总之，目前关于航空发动机绿色发展的综述论文数量相对较少，大多数现有综述侧重于通过航空发动机优化设计和清洁能源替代来实现绿色发展，对航空发动机制造工艺和材料的绿色发展关注较少。然而，如上所述，航空发动机的制造工艺和材料是影响航空发动机整体绿色发展进程的重要因素。值得注意的是，航空发动机的极端服役环境和严格的性能要求为其施加了一系列独特的制造边界条件，使其有别于一般机械产品。首先，在热边界方面，涡轮叶片和燃烧室衬套等高温部件在超过1650°C的温度下工作，极端热梯度可达1000°C/mm，制造过程中引入的表面缺陷在循环热载荷作用下会迅速扩展。其次，在机械边界方面，高压转动部件以超过15000 rpm的速度运转，承受高达自身重量10?倍的离心载荷，要求高周疲劳（HCF）服役寿命不低于10?次循环；制造工艺形成的表面完整性因此直接决定了服役可靠性。第三，在材料边界方面，难加工材料（包括钛合金、镍基高温合金和陶瓷基复合材料）占结构总重量的70%以上，其可加工性仅为普通碳钢材质的1/5至1/10，这些材料的常规加工已高度依赖切削液，这极大地增加了实施绿色替代方案的难度。

第四，关于精度界限，叶片翼型的轮廓公差要求控制在±0.02 毫米以内，表面粗糙度 Ra≤0.4 微米；冷却和润滑制度的调整将直接影响加工变形和表面质量，进而损害气动性能和疲劳寿命。由于这些特定约束，传统机械行业广泛采用的通用绿色制造技术——如标准干切削和基本微量润滑——无法直接移植到航空发动机生产中。针对航空发动机特性进行定向定制开发以及全流程性能验证是不可或缺的，这也构成了本综述专门针对航空发动机制造场景进行系统分析的核心依据。

为深入评述航空发动机制造技术与材料的绿色发展过程，并为相关技术的绿色发展提供参考，本文聚焦于航空发动机的核心制造工艺和先进难切削材料。开展了覆盖材料准备、部件制造、服役评估及退役回收等环节的全生命周期分析，并综合评估了绿色技术在生产和运行阶段所带来的整体环境效益。本文综述了精密加工、增材制造、成形制造、树脂基复合材料和陶瓷基复合材料的绿色发展。介绍了各相关领域绿色制造的研究重点和进展，并对未来发展趋势进行了预测。

为确保本综述的全面性和学术严谨性，采用了系统化、标准化的文献检索与筛选方案。文献检索在四个主流学术数据库中进行：Web of Science Core Collection、Scopus、ScienceDirect 和 IEEE Xplore，预定义关键词组合为：(绿色制造 OR 可持续制造 OR 低碳制造) AND (航空发动机 OR 飞机发动机) AND (精密加工 OR 增材制造 OR 铸造 OR 锻造 OR 复合材料)。检索时间跨度设定为 2010 年 1 月至 2026 年 5 月，并特别关注 2018 年以后发布的最新研究进展，以反映该领域的前沿进展。入选研究的纳入标准规定如下：(1) 发表于 SCI/EI 索引期刊或由 ASME Turbo Expo 代表顶级学术会议的论文；(2) 具有完整实验数据的原创研究或系统综述文章；(3) 直接关注航空发动机制造场景的研究；(4) 高引用率且学术价值广泛认可的论文。排除标准包括：不同数据库之间的重复记录、仅涉及机身结构而未涵盖航空发动机内容的研究、仅讨论服役阶段排放问题而未涉及制造工艺的研究，以及重复发表或数据支持不可靠的论文。经过逐步筛选和去重，最终纳入 188 篇核心代表性文献在本工作中进行深入梳理和分析。

本文其余部分组织如下。在第 2 节中，综述了航空发动机核心制造工艺的绿色发展，包括精密加工、增材制造和成形工艺，这些工艺均应用于航空发动机的冷段和热段部件。随后，在第 3 节中，综述了航空发动机先进材料的绿色发展，其中树脂基复合材料主要服务于冷段部件，而陶瓷基复合材料主要面向热段部件。最后，第 4 节是本文的结论。

章节片段
航空发动机制造工艺的绿色发展
航空发动机的制造工艺决定了其性能和成本，其生产的环境影响不容忽视。航空发动机制造技术的绿色发展主要通过工艺优化和新技术开发减少有害废物的排放以减轻环境污染，以及提高加工效率以降低能源消耗和生产成本。本节提供了全面的内容。
树脂基复合材料 (RMCs)
随着航空发动机对轻质高强材料需求的增加，RMCs 因其卓越的比强度和比刚度优势而成为关键材料 [148]。在全球碳中和与可持续发展的背景下，传统复合材料在整个生命周期内——涵盖生产、使用和处置阶段——的环境影响引起了广泛关注。在此背景下，

结论与展望
随着全球环境问题加剧，航空发动机绿色制造的实现已成为当务之急。在保证航空发动机安全性和性能的前提下，如何降低发动机制造和运行过程的环境影响已成为行业必须解决的关键挑战之一。本文聚焦于航空发动机的制造工艺，特别是其核心制造技术和先进难切削材料，以及

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张伟：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿，调查。雷鸣：写作 – 审阅与编辑，监督，资金获取，概念化。孔威一：写作 – 审阅与编辑，监督。刘山华：写作 – 审阅与编辑，监督。石磊：写作 – 审阅与编辑，监督。刘政：写作 – 原稿，调查。邱保伟：写作 – 原稿，调查。牛晓鹏：写作 – 原稿，调查。
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