【行业动态】美国大学是如何带学生开展喷气发动机研究

导读：2025 年 3 月 11 日讯，俄克拉荷马州立大学（Oklahoma State University）工程、建筑与技术学院机械与航空航天工程学院的学生在涡轮发动机研究方面取得了重大进展，未来，让大四学生将设计和制造喷气发动机作为他们的顶点项目（毕业设计项目）或许会成为可能。

在库尔特・劳泽（Kurt Rouser）博士的指导下，2024 年学生们接到的任务是分析和设计一个小型燃气涡轮发动机上的压气机组件，为一架无人机提供高压空气。

学生团队与 W9er Engineering 公司合作，这是一家从事实验飞机业务的航空公司，为该公司的一架无人机开发压气机。学生们的主要目标是展示他们根据飞机的特定需求设计压气机的能力。

在分析了飞机在气压、质量流量和轴转速方面的需求后，团队发现汽车涡轮增压器的压气机能满足这些需求。这个商用部件对于飞机来说比所需的要重，但学生们能够证明该压气机设计能满足 W9er 公司飞机的需求。

劳泽的团队现在正进入这项研究的另一个阶段。该团队将再次与 W9er Engineering 公司以及由退休的美国空军试飞员创立的生产无人机的 Astrium 公司合作。学生们将参与一个项目，把压气机设计集成到 Astrium 公司生产的飞机上。

团队的首要任务是改变现有的涡轮螺旋桨发动机减速齿轮箱的传动装置，然后制作一个法兰，以便将压气机用螺栓固定上去。

第二项任务是将发动机安装在测试台上，并测量压力和质量流量。劳泽表示，这些任务必须在 2025 年春季学期结束前完成。

劳泽称，目前提议使用碳氢化合物和气动（压缩空气）系统。系统的部分将由高压空气源驱动，这可以在飞行器从起飞所需动力转换为维持飞行的动力时，将功率损失降至最低。

许多垂直起降无人机是由电池供电的，这为起飞提供了必要的动力，但当无人机在空中时会增加重量。劳泽说，一种开始出现的概念是燃气 / 电力混合无人机。

这种无人机在起飞时使用电池，在空中续航时使用燃气发动机，但有两个动力系统意味着其中一个在不使用时会成为无用的负重。劳泽的团队将努力应对这一挑战。

劳泽说：“这是我们从学术角度提出的问题。如果你考虑垂直起降的选择，是全用燃气？全用电力？还是采用燃气和电力的混合？但我们提出的一个新问题是，是否可以用某种气动装置来实现。所以，考虑到这一点，我们首先要做的就是弄清楚是否可以使用涡轮螺旋桨发动机来产生我们需要的高压空气。”

与 W9er 公司合作的项目第一阶段表明，学生们可以通过分析和设计实现目标。劳泽表示，到春季学期结束时，就能知道在实践中是否可行。

Astrium 公司将在 5 月至 11 月期间设计机身，以容纳这个系统。在此期间，学生们将得到使用汽车涡轮增压器的系统模型的测试结果。在收到机身之前，团队将努力制作定制的轻质部件，以避免使用现成的部件并进行修改。

一旦完成这些，团队将进行测试，以确保压缩空气源的可行性。然后，他们将努力将其集成到 Astrium 公司生产的机身中。这可能会使项目在 2026 年夏天完成。

劳泽说：“到那时，我们从将系统集成到飞行器的过程中吸取的任何经验教训，都将影响到任何设计变更，我们将进行完善，以便到 2026 年 4 月，我们有可能进行首次试飞。”

组装飞机对学生们来说将是一个绝佳的机会。由于重量问题，他们可能会使用一些对于实际飞机来说并不理想的部件，但组装的经验将是一次很好的学习经历。

劳泽说：“这对我们来说是一次很好的学习经历。能够将这个想法融入到飞行器中，将是一次很棒的教育体验。”

随着该项目的不断推进，越来越多的学生参与到涡轮研究中。劳泽让大一、大二和大三的学生参与到研究项目中，让他们在学习过程中获得经验。

机械与航空航天工程学院的副教授库尔特・劳泽博士在俄克拉荷马州立大学的里士满希尔斯研究实验室（Richmond Hills Research Lab）解释实验设备。

机械与航空航天工程专业的学生长期以来一直成功地为小型涡轮喷气发动机设计进气口和喷嘴部件。他们在压气机和涡轮方面越来越熟练，燃烧室成为了主要的挑战。

机械与航空航天工程专业的研究生扎克・瓦滕巴格（Zach Wattenbarger）今年春天正在研究发动机的这一方面。燃烧室是一个挑战，因为需要将液体燃料汽化、喷射、混合并燃烧。

他一直在致力于开发一种微型涡轮喷气发动机燃烧室。微型涡轮喷气发动机通常被认为推力范围在 10-500 磅之间，瓦滕巴格正在努力开发一种推力为 22 磅的燃烧室。然后，这个燃烧室将被改装到一个带有离心式压气机的动力涡轮上，并连接到涡轮喷气发动机的排气口，以产生高压空气。

瓦滕巴格正在使用增材制造技术制作一个更好的燃料歧管，以帮助分配和汽化燃料。劳泽说，这是学生们在设计和制造喷气发动机时面临的最后障碍之一。

其他挑战还在于子系统，如轴承、燃油泵、启动器、用于测量每分钟转数和废气温度的点火传感器。

瓦滕巴格和其他学生致力于开发一种定制的发动机控制单元，该单元与子系统一起工作，从启动到全油门状态对发动机进行监测和控制。

商业化趋势

通过美国空军的创新部门 AFWERX，机械与航空航天工程专业的学生设计的发动机有可能实现商业化。AFWERX 致力于将能够快速开发的技术转化为美国空军可以投入使用的资产。

设计将专门针对所设计飞机的特定需求。

劳泽说：“假设所有这些都进展顺利，美国空军基本上可以选择继续并开始下订单。这必须专门为这个特定的设计而制造。这里新颖的部分是 W9er 公司带来的推进系统。如果我们每个人都成功完成项目中自己负责的部分，那么美国空军通过 AFWERX 可以迅速将其转化为一种可投入使用的资产。”

劳泽表示，Jetilus Aero 有限责任公司于 2023 年与 Cowboy Technologies 和俄克拉荷马州立大学的其他机构合作成立，以帮助劳泽团队开发的技术实现潜在的商业化。

学生们还组建了两个美国国家科学基金会（National Science Foundation）的 I-Corps 团队。他们将参加一个项目，让学生体验将一个想法转化为实际并探索其商业潜力的过程。

学生们将与潜在客户和行业利益相关者交谈，努力确定客户需要解决的任何问题。

劳泽说：“其中一个团队的目标是开发我们所说的微型涡轮喷气发动机。他们提议将这个想法付诸实践，并开始探索其商业潜力。”

将设计喷气发动机作为顶点项目

目前机械与航空航天工程专业学生的一个顶点项目是参与航空推进与推广计划，这是一个由美国空军研究实验室赞助的年度大学生竞赛，大四学生在竞赛中设计和修改燃气涡轮发动机。

未来的一个目标是让劳泽指导的大四学生能够将设计喷气发动机作为他们的顶点项目。

实现这一目标的部分条件是让更多的学生参与涡轮研究。当他们第一次接触发动机研究时，并不期望他们成为专家，但他们可以获得宝贵的经验，并在继续学习机械与航空航天工程专业的过程中不断积累。

劳泽说：“我现在需要开始培养人才梯队，从大一学生开始，让大一学生接触到这些内容。他们会接触到正在从事这项研究的大四学生。当他们成为大二和大三学生时，他们会获得更多这方面的经验，并变得更加熟练。”

设计涡轮喷气发动机的关键要素是设施资源和必要的设备，如金属 3D 打印机和高速动平衡机，每年为这些设备提供资金将是一个挑战。学生们能够开发相关技术也至关重要。

劳泽表示，事情正开始逐步推进，这为工程、建筑与技术学院的推进研究开创了一个新的时代。

“我最终的梦想是，我们在这方面做得非常出色，将其变成一个每年都进行的本科生顶点设计项目。我们可以对本科大四学生说，‘我希望你们设计一个涡轮发动机，也许是一个能产生一定推力的涡轮喷气发动机。’”

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