为期10年的清洁天空2（ Clean Sky 2 ）计划已于2024年全面结束，该计划通过系统性布局推进绿色航空技术研发，相关技术可应用于低排放先进民用飞机，支撑欧洲航空业达成2050年前完全实现碳中和的目标。

清洁天空2计划是欧盟第八期框架计划“地平线2020”的一部分，由欧盟委员会与欧洲航空业联合发起，截至计划启动时是欧洲航空领域有史以来实施过的规模最大的预研计划。计划中开发的先进航空技术包括全新飞机结构设计、高气动效率机翼、高效轻质发动机、智能系统、飞机全生命周期可持续管理等，将相关技术的成熟度（TRL）从3级左右提升至5～6级，未来可应用于大型客机、支线客机、小型飞机和直升机等多种机型。

清洁天空2计划总体情况

清洁天空2计划于2014年启动，于2024年结束，总投入约40亿欧元（其中，欧盟资助17.5亿欧元），设置了550多个项目。清洁天空2计划取得的成果主要体现在：经集成演示验证CO₂、NO_x排放及噪声影响可降低20%～30%（基准为2014年投入使用的最先进民用飞机），取得授权专利581项。

清洁天空2计划的结构由4个不同的领域组成：一是3个创新的飞机演示验证平台（IADP），包括大型客机、支线飞机和高速旋翼机，开展飞机整机级演示验证；二是3个综合技术验证平台（ITD），着眼于机身、发动机和机载系统，开展系统级验证；三是2个横向活动（环保设计、小型航空运输），整合不同IADP和ITD的成果，用于特定应用；四是技术评估（TE），评估IADP和ITD中开发的技术对环境和社会的影响。2024年11月，清洁天空2计划发布的最终技术评估报告显示，其研发的技术在任务、机场、机队3个层面均大幅降低了CO₂、NO_x排放及噪声影响，如表1所示。

表1   欧盟评估的清洁天空2计划取得的减排效果

清洁天空2计划的参与单位接近1000家，30个国家的5000多名全职科学家与工程师共同参与完成，覆盖了整个欧洲航空业，包括大型企业（超过302家）、中小企业（超过337家）、大学（超过151家）和研究中心（超过112家），通过加强欧洲航空业的合作以开发绿色航空技术，提升欧洲航空产业竞争力和供应链韧性。

发动机ITD子领域的主要成果

发动机ITD子领域的工作由罗罗公司、赛峰集团、MTU公司和Avio Aero公司（GE航空航天公司子公司）主导，ITP Aero公司、吉凯恩（GKN）公司、空客公司、MT螺旋桨公司等企业和法国航空航天研究院（ONERA）、荷兰航空航天中心（NLR）、德国航空航天中心（DLR）等科研机构参与，全面研发了用于干线窄体/宽体客机的先进涡扇发动机技术及用于支线/通用航空的先进涡桨发动机技术，部分技术已应用于2025年获得认证的先进发动机产品中。此外，大型客机IADP子领域还开展了飞发集成工作，与发动机ITD子领域一起，相关工作欧盟资助的总经费达3.3亿欧元。

超高涵道比大型涡扇发动机

超高涵道比（VHBR）大型涡扇发动机验证机工作包由罗罗公司主导，申请的欧盟资金为6400万欧元，研究周期为2014年10月—2024年4月，旨在为大型发动机设计、开发、演示和测试VHBR涡扇发动机技术，适用于远程宽体飞机，并支持技术扩展应用于多个市场领域（包括远程、中短程的窄体和宽体干线客机），将TRL从3级提升至5级，主要成就为2023年7月完成首次发动机地面测试。

罗罗公司的Advance3核心机技术验证机（Advance核心机）得到了验证，并为VHBR验证机的核心机提供了燃气发生器，验证的先进技术内容主要为：用于高功率VHBR发动机的集成低压系统；低速风扇系统，其叶片针对低压比工况优化，并在带有可变面积导向叶片的短舱中运行以确保可操作性控制；在低转速风扇提供的低压比进气条件下，压气机向燃烧室输送高总压比的压缩空气；控制系统将核心机控制与短舱上的可变面积导向叶片几何控制集成，以优化发动机整机循环。清洁天空2计划支持了罗罗公司首台份Advance3技术验证机的制造（英国航空航天技术研究院、英国创新署也提供了资金支持），该验证机于2017年6月完成装配，由新研的Advance核心机、遄达XWB-84发动机的机匣和风扇系统、遄达1000发动机的低压涡轮组成。Advance核心机包括新研高压和中压压气机、贫油燃烧室、带有陶瓷基复合材料（CMC）封严段和先进冷却涡轮叶片。该核心机在载荷分配上做了较大调整：10级高压压气机由2级高压涡轮驱动以承担更大的工作载荷，单级中压涡轮驱动4级中压压气机，中压涡轮载荷较低以使发动机可以更经济的方式得到所需增压比。罗罗公司在Advance核心机奠定的技术基础上开发了“超扇”（UltraFan）发动机验证机，主要是大幅改进了中压涡轮设计，去掉低压涡轮，增加齿轮传动系统驱动风扇。在清洁天空2计划的支持下，VHBR涡扇发动机工作包开展了如下工作：材料测试和表征、先进计算建模、系统和子系统所需典型试验器的开发，以及全尺寸多发动机开发项目的地面测试；设计和开发新型先进机匣结构架构及压气机和涡轮机匣的制造方法，为UltraFan发动机开发项目制造相应硬件并交付；设计、开发和制造中压涡轮硬件，并为UltraFan发动机开发相应的模块装配工具和方法。

项目取得的主要成果体现在：验证了CO₂排放可降低12%、NOx 排放可降低40%；支撑了UltraFan发动机技术验证机组件的开发与测试，罗罗公司于2023年实现了UltraFan发动机技术验证机的全功率试车，采用了100%可持续航空燃料（SAF）；严格测试验证了关键组件的设计和集成，包括中压涡轮、中压压气机机匣和风扇系统；中压压气机机匣设计采用分段制造和先进焊接技术，提高了引气系统效率和发动机整机性能；针对低压比优化的低速风扇系统，无需可变面积导向叶片，并集成了与发动机循环优化的控制系统。未来的预期收益包括：相比第一代遄达发动机，燃油效率提高25%，NO_x 减少40%，噪声降低35%，颗粒物排放显著减少，与飞机集成后，这些收益将进一步提升。

高效中程涡扇发动机

高效中程涡扇发动机验证机工作包由赛峰飞机发动机公司主导，申请的欧盟资金为9600万欧元，研究周期为2014年10月— 2024年3月，旨在为中短程民用飞机开发具备超高推进效率（UHPE）的全尺寸发动机地面验证机，针对新型发动机架构（有涵道或无涵道），利用现有的发动机核心机来验证发动机整机架构与低压模块集成，将TRL从2级提升至4级，主要成就为2023年4月实现开式转子架构的初步设计评审（PDR）。

赛峰飞机发动机公司主导集成推进系统验证机的设计、开发和地面测试，以使新型发动机架构所需的低压模块、系统以及短舱技术组件成熟。对涵道齿轮传动发动机和无涵道齿轮传动发动机两种主要的发动机架构进行研究评估，开展组件级功能分析、模块测试活动和维修性研究，以及发动机架构研究和发动机集成研究，支撑最终用于地面测试的架构选择。全尺寸集成推进系统（IPS）验证机基于现有的或适应性改进的核心机集成新型低压模块和短舱部件，提高低压模块（风扇叶片和风扇系统、增压级、传动装置、齿轮箱和低压涡轮）专用技术的成熟度水平，以降低全尺寸发动机地面测试前的发动机架构风险。

项目取得主要成果体现在：验证了CO₂排放可降低9%、NO_x 排放可降低20%；通过评估对比选择出开式转子发动机架构用于未来的地面验证机；压气机中介机匣达到TRL5，齿轮箱技术达到TRL4，高转速的低压涡轮达到TRL4，涡轮后承力框架达到TRL5，低压涡轮在气动性能方面达到TRL4，低噪声短舱进气口达到TRL4。这些技术通过进一步的整合与开发，未来有望应用在中短程客机中。

短程涡桨发动机

短程涡桨发动机验证机工作包由赛峰直升机发动机公司主导，申请的欧盟资金为2200万欧元，研究周期为2016年1月— 2022年12月，旨在设计、开发和地面测试一种新型涡桨发动机技术验证机，适用于公务航空及短程支线飞机市场，将TRL从3级提升至5级，主要成就为分别于2019年、2021年、2023年完成了3次发动机地面测试。

赛峰直升机发动机公司主导该涡桨发动机技术验证机的设计、开发和地面测试，全集成推进系统基于现役的先进涡轴发动机阿蒂丹（Ardiden）3的核心机改型：集成了新研的齿轮箱、进气道、螺旋桨控制系统和螺旋桨；开发和测试了新型燃气涡轮发动机组件以提高性能，如新型压气机、低烟排放和具备再点火能力的喷油嘴，以及混合轴承；基于在螺旋桨和附件齿轮箱（PAGB）中集成电动发电机进行地面演示验证，探索并联混合电推进系统带来的发动机可操作性改进，并演示了地面全电推进运行（用于绿色滑行）。该涡桨发动机验证机旨在满足单发中型和双发中型飞机市场，其中发动机热功率范围为735～1470kW，新研部件的大修间隔时间达到5000h。

工作取得主要成果体现在：验证了发动机燃油消耗可降低18%、CO₂排放可降低18%、NO_x 排放可降低52%；赛峰集团的Tech TP混合电推进涡桨发动机技术验证机在2023年1月完成的测试中，达到了TRL5，该测试包含了微混模块的集成与验证，探索了混合电推进技术的潜力；动力和附件齿轮箱技术达到TRL4，核心机技术以及发动机和螺旋桨控制系统达到TRL5，螺旋桨、进气道和短舱组件达到TRL6；开发的更静音的七叶螺旋桨将有助于减少机场区域的噪声污染，解决环境和运营问题。在应用方面，七叶螺旋桨已用于皮拉图斯PC-12飞机，Tech TP技术验证机验证的技术有望用于2030年投入使用的通用航空飞行器。

下一代小型涡桨发动机

下一代小型涡桨发动机工作包由Avio Aero公司主导，申请的欧盟资金为1105万欧元，研究周期为2014年1月— 2022年12月，旨在为小型航空运输（SAT）市场（最多19座的客机）开发下一代高效长寿命小型涡桨发动机的先进技术，将TRL从3级提升至5级，主要成就为TRL目标达成并支持了GE航空航天公司于2021年开展的地面/飞行测试活动。

Avio Aero公司主导为SAT市场开发新发动机架构的设计工具和制造技术，以及开发、制造和测试新型改进发动机部件，包括新型燃烧室、改进螺旋桨和先进压气机，目标是与2014年基准发动机相比，所提出的技术可将燃油效率提升15%、总运营成本降低10%、噪声降低10dB，提升欧洲航空业在小型涡桨发动机市场（目前该市场由普惠加拿大公司主导）的竞争力，同时对混合电推进应用开展初步分析并研究该创新架构的优缺点。工作包含3个技术循环：前2个循环涉及名为MAESTRO的新型小型涡桨发动机研究；第三个循环涉及MAESTRO发动机的混合电推进应用研究（eMAESTRO），探索由MAESTRO发动机支持的混合电推进系统配置的能力和潜在性能优势，并确定其为推进系统带来的额外潜力。

工作取得的主要成果体现在：验证了CO₂排放可降低18%、NO_x 排放可降低24%；燃烧室通过全增材制造回流燃烧室设计与制造达到TRL5，该设计借助数字工具优化；螺旋桨模块通过新设计达到TRL4，在提升燃油效率的同时，显著降低了座舱和地面噪声，同时开发了混合电推进飞机螺旋桨的概念设计，支持未来可持续航空发展；压气机模块达到TRL5，开发并验证了先进轴流-离心式组合压缩机，提升了可操作性和性能；减速齿轮箱开发了关键技术和工艺，实现质量减轻和成本降低，进一步提升了效率；开展了混合电推进架构研究，为未来通过混合电推进系统减少CO₂排放奠定基础。所开发的技术已应用于“催化剂”（Catalyst）发动机（2025年2月获得美国联邦航空局认证，将配装比奇迪纳利单发涡桨飞机和欧洲军用中空长航时无人机Eurodrone），未来可应用于19座以下涡桨通勤飞机及其他细分市场。

先进齿轮传动涡扇发动机

先进齿轮传动涡扇发动机工作包由MTU公司主导，申请的欧盟资金为4427万欧元，研究周期为2014年8月— 2024年3月，旨在为齿轮传动涡扇（GTF）发动机开发先进低压涡轮和高压压气机技术，将TRL从3级提升至5级，主要成就为低压涡轮和高压压气机地面演示验证分别于2023年10月和2024年4月完成。

在普惠公司的PW1000G发动机（已投入使用的GTF发动机）研发中，MTU公司作为合作伙伴承担了15%的份额，主要负责设计并制造前4级高压压气机和高转速的低压涡轮。在清洁天空2计划支持的先进齿轮传动涡扇发动机工作包中，MTU公司选择了MTR390涡轴发动机作为热端部件技术开发平台，开发空气动力学、材料与结构等方面的关键技术，并优化热端部件的新设计特性（如可变流量特性）；MTU公司建造了一个压缩系统试验器，用于测试压气机技术（尤其是与低压、高压和静部件结构相互作用相关的技术），在部件试验器和发动机整机中验证技术并致力于改善热力循环和效率。

工作取得主要成果体现在：验证了CO₂排放可降低5%；空气动力效率显著提升，直接改善发动机整机性能和燃油经济性；最小化二次流损失（尤其是冷却和密封空气），提升发动机效率；开发并应用轻质耐高温材料，实现质量显著减轻，并通过先进制造技术进一步优化生产高效轻质结构；构建了压缩系统的多学科优化工具，促进各发动机部件更好集成匹配。该项工作的核心贡献在于改善了燃油经济性，降低了CO₂、NO_x 排放和噪声，所开发技术高度适用于下一代GTF发动机（尤其是130座级飞机），并可扩展至更广泛的GTF发动机。开发的多项特定技术可立即应用，包括改善发动机性能和耐用性的先进刷式密封、用于轻质复杂部件的增材制造技术、减轻发动机质量的轻质涡轮排气机匣（TEC），以及可提升发动机整机性能的压缩系统空气动力学优化。

几点分析与思考

一是从战略决策机制来看，欧盟航空领域的顶层决策由欧洲航空研究与创新咨询委员会（ACARE）承担。该委员会负责论证、制定、协调和实施欧洲民用航空的战略方向，成员来自欧盟委员会、航空工业界、大学及科研机构以及相关行业（航空公司、机场等），各利益相关方的深度参与可深入评估航空预研计划的目标、投入、进度和风险，为欧盟顶层战略在航空领域的落地实施成功奠定了基本条件。

二是从技术创新机制来看，清洁天空2计划中除欧盟提供的拨款外，企业需提供不少于拨款的配套资金（个别高风险项目除外），在企业的主导下，中小企业、高校、科研机构等参与方始终以解决问题为核心开展创新工作，相应项目如果失败，将导致企业资金和竞争优势的损失，这一机制充分发挥了企业作为创新主体的作用，有效地突破科研创新成果的“死亡之谷”问题，加速最新成果对创新下游的渗透和引领。同时，清洁天空2计划采用技术成熟度工具来评估各项目的技术创新成果，使得技术风险和决策管理更为科学有效。

三是从技术研发来看，欧盟从1984年以来，连续实施9期框架计划来推动欧盟的科研与创新，从FP2起就始终将航空航天领域作为战略领域进行规划和投入，具有体系布局、综合性强、探索性强、技术难度大、成果通用性强等特点，长期稳定的投入保障了先进航空技术的持续研发创新，尤其是对于航空发动机而言，欧盟框架计划集中优势研制力量、有组织地、有针对性地开展研究，能够在气动热力学、结构强度、燃烧、传热、冷却、新材料、新工艺和控制技术等方面不断取得新成就，有效突破发动机技术难点，从而使发动机性能获得持续性提升。

四是从技术研发与产品研发的关系来看，发动机的研制周期远远长于其配装的飞机，美国审计署的一份调查报告显示，复杂产品研制出现“涨经费、拖进度、降指标”问题的原因主要在于使用了过多的不成熟的新技术，通过预研计划提前充分开展先进动力技术的分级试验验证工作，促进技术成熟和风险降低，以在工程研制阶段引入足够成熟的先进技术，保障先进发动机产品高效率、高质量、低成本研发，研制进度与飞机实现匹配，有利于在技术研发时实现科研成功、在产品研发时实现商业成功。

五是从产业角度来看，清洁天空2计划充分吸纳了欧盟各国航空产业上下游的利益相关方，包括大型航空工业企业、中小企业、高校和专业科研机构等，有效培育了研发创新和先进制造力量，支撑航空产业每年为欧盟经济贡献1万亿欧元的国内生产总值（GDP），份额达到4.4%，成为欧盟的重要支柱产业，有力提升了欧盟航空产业的国际竞争力和话语权。

结束语

清洁天空2计划已于2024年正式结束，其后续计划清洁航空（欧盟第九期框架计划“欧洲地平线”的一部分）也于2022年正式启动实施，部分清洁天空2计划研发的技术将在清洁航空计划中得到进一步发展和成熟，从两者设置的航空动力项目对比来看，清洁天空2计划主要是通过提升热效率和推进效率来降低排放，清洁航空计划则显著增强了电、氢等低排放的新能源动力的投资力度，同时也更加注重数字化转型工作，反映出欧洲更为迫切的航空业绿色转型需求。

（韩玉琪，中国航空发动机研究院，高级工程师，主要从事航空发动机科技情报与战略论证研究）