導讀：2025 年 3 月 11 日訊，俄克拉荷馬州立大學（Oklahoma State University）工程、建筑與技術學院機械與航空航天工程學院的學生在渦輪發動機研究方面取得了重大進展，未來，讓大四學生將設計和制造噴氣發動機作為他們的頂點項目（畢業設計項目）或許會成為可能。

在庫爾特?勞澤（Kurt Rouser）博士的指導下，2024 年學生們接到的任務是分析和設計一個小型燃氣渦輪發動機上的壓氣機組件，為一架無人機提供高壓空氣。

學生團隊與 W9er Engineering 公司合作，這是一家從事實驗飛機業務的航空公司，為該公司的一架無人機開發壓氣機。學生們的主要目標是展示他們根據飛機的特定需求設計壓氣機的能力。

在分析了飛機在氣壓、質量流量和軸轉速方面的需求后，團隊發現汽車渦輪增壓器的壓氣機能滿足這些需求。這個商用部件對于飛機來說比所需的要重，但學生們能夠證明該壓氣機設計能滿足 W9er 公司飛機的需求。

勞澤的團隊現在正進入這項研究的另一個階段。該團隊將再次與 W9er Engineering 公司以及由退休的美國空軍試飛員創立的生產無人機的 Astrium 公司合作。學生們將參與一個項目，把壓氣機設計集成到 Astrium 公司生產的飛機上。

團隊的首要任務是改變現有的渦輪螺旋槳發動機減速齒輪箱的傳動裝置，然后制作一個法蘭，以便將壓氣機用螺栓固定上去。

第二項任務是將發動機安裝在測試臺上，并測量壓力和質量流量。勞澤表示，這些任務必須在 2025 年春季學期結束前完成。

勞澤稱，目前提議使用碳氫化合物和氣動（壓縮空氣）系統。系統的部分將由高壓空氣源驅動，這可以在飛行器從起飛所需動力轉換為維持飛行的動力時，將功率損失降至最低。

許多垂直起降無人機是由電池供電的，這為起飛提供了必要的動力，但當無人機在空中時會增加重量。勞澤說，一種開始出現的概念是燃氣 / 電力混合無人機。

這種無人機在起飛時使用電池，在空中續航時使用燃氣發動機，但有兩個動力系統意味著其中一個在不使用時會成為無用的負重。勞澤的團隊將努力應對這一挑戰。

勞澤說：“這是我們從學術角度提出的問題。如果你考慮垂直起降的選擇，是全用燃氣？全用電力？還是采用燃氣和電力的混合？但我們提出的一個新問題是，是否可以用某種氣動裝置來實現。所以，考慮到這一點，我們首先要做的就是弄清楚是否可以使用渦輪螺旋槳發動機來產生我們需要的高壓空氣。”

與 W9er 公司合作的項目第一階段表明，學生們可以通過分析和設計實現目標。勞澤表示，到春季學期結束時，就能知道在實踐中是否可行。

Astrium 公司將在 5 月至 11 月期間設計機身，以容納這個系統。在此期間，學生們將得到使用汽車渦輪增壓器的系統模型的測試結果。在收到機身之前，團隊將努力制作定制的輕質部件，以避免使用現成的部件并進行修改。

一旦完成這些，團隊將進行測試，以確保壓縮空氣源的可行性。然后，他們將努力將其集成到 Astrium 公司生產的機身中。這可能會使項目在 2026 年夏天完成。

勞澤說：“到那時，我們從將系統集成到飛行器的過程中吸取的任何經驗教訓，都將影響到任何設計變更，我們將進行完善，以便到 2026 年 4 月，我們有可能進行首次試飛。”

組裝飛機對學生們來說將是一個絕佳的機會。由于重量問題，他們可能會使用一些對于實際飛機來說并不理想的部件，但組裝的經驗將是一次很好的學習經歷。

勞澤說：“這對我們來說是一次很好的學習經歷。能夠將這個想法融入到飛行器中，將是一次很棒的教育體驗。”

隨著該項目的不斷推進，越來越多的學生參與到渦輪研究中。勞澤讓大一、大二和大三的學生參與到研究項目中，讓他們在學習過程中獲得經驗。

機械與航空航天工程學院的副教授庫爾特?勞澤博士在俄克拉荷馬州立大學的里士滿希爾斯研究實驗室（Richmond Hills Research Lab）解釋實驗設備。

機械與航空航天工程專業的學生長期以來一直成功地為小型渦輪噴氣發動機設計進氣口和噴嘴部件。他們在壓氣機和渦輪方面越來越熟練，燃燒室成為了主要的挑戰。

機械與航空航天工程專業的研究生扎克?瓦滕巴格（Zach Wattenbarger）今年春天正在研究發動機的這一方面。燃燒室是一個挑戰，因為需要將液體燃料汽化、噴射、混合并燃燒。

他一直在致力于開發一種微型渦輪噴氣發動機燃燒室。微型渦輪噴氣發動機通常被認為推力范圍在 10-500 磅之間，瓦滕巴格正在努力開發一種推力為 22 磅的燃燒室。然后，這個燃燒室將被改裝到一個帶有離心式壓氣機的動力渦輪上，并連接到渦輪噴氣發動機的排氣口，以產生高壓空氣。

瓦滕巴格正在使用增材制造技術制作一個更好的燃料歧管，以幫助分配和汽化燃料。勞澤說，這是學生們在設計和制造噴氣發動機時面臨的最后障礙之一。

其他挑戰還在于子系統，如軸承、燃油泵、啟動器、用于測量每分鐘轉數和廢氣溫度的點火傳感器。

瓦滕巴格和其他學生致力于開發一種定制的發動機控制單元，該單元與子系統一起工作，從啟動到全油門狀態對發動機進行監測和控制。

商業化趨勢

通過美國空軍的創新部門 AFWERX，機械與航空航天工程專業的學生設計的發動機有可能實現商業化。AFWERX 致力于將能夠快速開發的技術轉化為美國空軍可以投入使用的資產。

設計將專門針對所設計飛機的特定需求。

勞澤說：“假設所有這些都進展順利，美國空軍基本上可以選擇繼續并開始下訂單。這必須專門為這個特定的設計而制造。這里新穎的部分是 W9er 公司帶來的推進系統。如果我們每個人都成功完成項目中自己負責的部分，那么美國空軍通過 AFWERX 可以迅速將其轉化為一種可投入使用的資產。”

勞澤表示，Jetilus Aero 有限責任公司于 2023 年與 Cowboy Technologies 和俄克拉荷馬州立大學的其他機構合作成立，以幫助勞澤團隊開發的技術實現潛在的商業化。

學生們還組建了兩個美國國家科學基金會（National Science Foundation）的 I-Corps 團隊。他們將參加一個項目，讓學生體驗將一個想法轉化為實際并探索其商業潛力的過程。

學生們將與潛在客戶和行業利益相關者交談，努力確定客戶需要解決的任何問題。

勞澤說：“其中一個團隊的目標是開發我們所說的微型渦輪噴氣發動機。他們提議將這個想法付諸實踐，并開始探索其商業潛力。”

將設計噴氣發動機作為頂點項目

目前機械與航空航天工程專業學生的一個頂點項目是參與航空推進與推廣計劃，這是一個由美國空軍研究實驗室贊助的年度大學生競賽，大四學生在競賽中設計和修改燃氣渦輪發動機。

未來的一個目標是讓勞澤指導的大四學生能夠將設計噴氣發動機作為他們的頂點項目。

實現這一目標的部分條件是讓更多的學生參與渦輪研究。當他們第一次接觸發動機研究時，并不期望他們成為專家，但他們可以獲得寶貴的經驗，并在繼續學習機械與航空航天工程專業的過程中不斷積累。

勞澤說：“我現在需要開始培養人才梯隊，從大一學生開始，讓大一學生接觸到這些內容。他們會接觸到正在從事這項研究的大四學生。當他們成為大二和大三學生時，他們會獲得更多這方面的經驗，并變得更加熟練。”

設計渦輪噴氣發動機的關鍵要素是設施資源和必要的設備，如金屬 3D 打印機和高速動平衡機，每年為這些設備提供資金將是一個挑戰。學生們能夠開發相關技術也至關重要。

勞澤表示，事情正開始逐步推進，這為工程、建筑與技術學院的推進研究開創了一個新的時代。

“我最終的夢想是，我們在這方面做得非常出色，將其變成一個每年都進行的本科生頂點設計項目。我們可以對本科大四學生說，‘我希望你們設計一個渦輪發動機，也許是一個能產生一定推力的渦輪噴氣發動機。’”

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