威廉姆斯公司小型航空發(fā)動機發(fā)展歷程

■ 廖忠權

威廉姆斯公司是當今世界領先的小型航空發(fā)動機制造商，主營業(yè)務是軍民用渦噴、渦扇發(fā)動機研發(fā)生產(chǎn)與銷售，其產(chǎn)品不但大量用在多種巡航導彈、無人機和靶機上，還大量用于超輕型和輕型公務機上。公司創(chuàng)建于1955年，創(chuàng)始人為薩姆·威廉姆斯，在相當長一段時間里，公司的生存發(fā)展都依靠其軍用小型渦噴/渦扇發(fā)動機產(chǎn)品。一直到20世紀90年代，威廉姆斯公司與羅羅公司合作，開發(fā)出FJ44系列民用渦扇發(fā)動機，在此基礎上又開發(fā)出了推力較小的FJ33系列渦扇發(fā)動機，憑借FJ33/FJ44系列，公司才最終在民用航空領域打開局面，并取得巨大成功，成為世界首屈一指的民用小型航空發(fā)動機制造商。下面主要講述公司的渦噴和渦扇發(fā)動機發(fā)展歷程。

一、渦噴發(fā)動機

威廉姆斯公司的渦噴發(fā)動機主要用于導彈、無人機和靶機。公司的第一臺發(fā)動機是自主研制的WR1回熱式自由渦輪發(fā)動機，功率為52kW。1957年，WR1被改為推力23.3daN的渦噴發(fā)動機，后來在美國海軍的資助下得以發(fā)展成熟。20世紀60年代初，公司在WR1的基礎上開發(fā)WR2，1962年開始首次運轉(zhuǎn)，隨之成為加拿大、英國和前聯(lián)邦德國合作研制的AN/USD-501靶機的動力裝置。20世紀中期，在美國海軍的資金支持下，公司對WR2進行了改進，研制出WR24，成為諾斯羅普·格魯門公司的靶機AQM/BQM-74的動力裝置。之后，隨著用途的不斷增多，WR2/WR24的推力不斷增大，如今最大推力已達到1.067kN（240lbf）。

二、渦扇發(fā)動機

在軍用渦噴發(fā)動機的基礎上，公司發(fā)展出軍用渦扇發(fā)動機，進而發(fā)展出民用渦扇發(fā)動機。在渦扇發(fā)動機領域，威廉姆斯公司成功地走出了一條軍民融合發(fā)展之路，以軍帶民，以民促軍，在技術和市場兩方面都取得成功。

在軍用航空方面，公司始終是美國最重要的導彈用渦扇發(fā)動機制造商。20世紀60年代中期，威廉姆斯公司在WR2渦噴發(fā)動機 （用于加拿大CL-89靶機、美國BQM/MQM-74靶機）核心機的基礎上，為亞音速武裝誘餌彈研制了WR19渦扇發(fā)動機。1974年，為滿足軍方研制戰(zhàn)略巡航導彈的需要，該公司在WR19基礎上發(fā)展了F107彈用渦扇發(fā)動機。1976年1月，F(xiàn)107完成飛行試驗，9月定型投產(chǎn)，隨后便發(fā)展成系列彈用渦扇發(fā)動機，如 F107-WR-100、F107-WR-400、F112-WR-100和F121-WR-100等，主要用于AGM-86、AGM-129等巡航導彈，也用于多種靶機。1999年，F(xiàn)107發(fā)動機在繼發(fā)展型F121/F122之后，進一步發(fā)展出縮比型發(fā)動機F415，用于雷神公司的“戰(zhàn)斧”巡航導彈。F107/F112/F415系列發(fā)動機的特點是重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、耗油率低和使用維護方便，飛行重量只有50千克左右，該系列應用范圍廣、使用成本低，是世界上用途最廣泛的彈用渦扇發(fā)動機之一。

在民用航空領域，公司已成為世界領先的小型渦扇發(fā)動機制造商。20世紀60年代末，公司在軍用小型航空發(fā)動機獲得大量訂貨的同時，積極籌劃進入民用航空市場。當時，國際市場研究表明存在小型有人飛機的市場需求，而公司的第一款渦扇發(fā)動機WR19（軍用）也已經(jīng)研制成功，公司于是準備在此基礎上開發(fā)一款民用渦扇發(fā)動機。雖然當時并沒有確定的飛機用戶，但公司出于對民用市場的良好預期仍然決定啟動民用小型渦扇發(fā)動機的研制。1971年，威廉姆斯公司開始在WR19的基礎上開始研制WR44。1973年，公司生產(chǎn)出第一臺WR44試驗發(fā)動機。1978年，F(xiàn)oxjet國際公司宣布開發(fā)ST-600公務機 （即后來的F-600），決定選用威廉姆斯公司的渦扇發(fā)動機，這使得公司的發(fā)動機第一次有可能用于噴氣公務機。Foxjet最初準備采用威廉姆斯公司的WR19-3（WR19的民用型），但ST-600在研制過程中不斷增重，WR19-3推力不夠，最后選擇了最大推力3.78kN（850lbf）的WR44發(fā)動機，但當時WR44又被美國軍方選為巡航導彈的動力，而美國政府不允許將其用于民用用途。ST-600飛機無發(fā)動機可用，項目停止了，威廉姆斯公司向民用航空的第一次進軍也隨之流產(chǎn)了。此后，經(jīng)過10多年的不斷嘗試，最終證明公司的渦扇發(fā)動機產(chǎn)品推力太小 （不到5kN），在噴氣公務機領域沒有市場；而要想在民用航空領域發(fā)展，公司必須提高其發(fā)動機推力，而且還需等待噴氣公務機領域新的市場需求的出現(xiàn)。

FJ44發(fā)動機

2001-2012年世界民用小型渦扇發(fā)動機市場結(jié)構(gòu) （數(shù)量）

1990年，威廉姆斯公司與羅羅公司合資組建了威廉斯-羅羅公司，合作將WR44升級為推力更大的FJ44發(fā)動機，F(xiàn)J44系列的第一款發(fā)動機是FJ44-1AP，推力為8kN。在FJ44發(fā)動機的研制中，羅羅公司負責高低壓渦輪的輪盤、轉(zhuǎn)子葉片和渦輪軸，羅羅公司將零部件賣給威廉姆斯公司；威廉姆斯公司負責發(fā)動機的總體設計、其余部件制造和總裝集成。適航取證中一部分試驗，如振動、鳥撞、耐久性和包容性試驗由廉斯國際公司完成；另一部分試驗，包括高度試驗、防冰和吞水試驗由羅羅公司在英國德比郡的試驗基地完成。研制完成后，F(xiàn)J44完全滿足FAA的適航要求，部分性能甚至超遠FAA的要求。1992年，F(xiàn)J44完成FAA適航認證，三個月后開始交付使用，被選為塞斯納公司JPATS的候選動力；同年FJ44獲得歐洲EASA的認證。20世紀90年代后，世界輕型和超輕型公務機市場發(fā)展加速，公司的FJ44發(fā)動機也不斷衍生發(fā)展，形成FJ44系列，應滿足不同飛機用戶的需求，F(xiàn)J44系列的推力區(qū)間為8.3-15.8kN；1998年，公司在FJ44的基礎上發(fā)展出推力略小的FJ33，F(xiàn)J33系列改型發(fā)動機的推力區(qū)間為4.4-8.3kN。如今，F(xiàn)J33/FJ44系列已經(jīng)被用于多種噴氣公務機，例如 “獎狀噴氣”、 “首相”I等；除了大量裝備噴氣公務機，還裝備了200架瑞典的SK60教練機。截至2012年，F(xiàn)J33/FJ44系列發(fā)動機已生產(chǎn)5000余臺，市場表現(xiàn)非常優(yōu)秀。伴隨FJ33/FJ44系列的成功，公司也已成為世界民用小型航空發(fā)動機兩巨頭之一——另一家是普惠加拿大公司 （見下圖）。

威廉姆斯公司的航空發(fā)動機產(chǎn)品發(fā)展路徑及格局

三、威廉姆斯公司的發(fā)展啟示

擁有核心技術，不斷繼承發(fā)展。威廉姆斯公司所有軍民用渦噴、渦扇發(fā)動機產(chǎn)品都源于其自主研制的第一款燃氣渦輪發(fā)動機WR1。在半個多世紀里，公司穩(wěn)扎穩(wěn)打，利用成熟的發(fā)動機平臺，既繼承已有的成熟技術，又不斷融入各個時期的先進技術，進而開發(fā)出一系列成功的小型航空發(fā)動機產(chǎn)品。

軍民融合，協(xié)同發(fā)展。從公司于1957年誕生，到真正在民用市場取得成功的FJ44發(fā)動機于1992年進入市場，在35年的時間里，公司始終是靠軍用航空發(fā)動機產(chǎn)品支撐，其產(chǎn)品發(fā)展也獲得美國軍方的大量資金支持。公司依靠其軍品型號任務發(fā)展民用航空技術和產(chǎn)品，民用發(fā)動機就是直接脫胎自軍用發(fā)動機，其軍用渦扇發(fā)動機系列F107/F122/F415和民用渦扇發(fā)動機系列FJ44/FJ33技術同源，都是其WR19軍用渦扇發(fā)動機的不同發(fā)展型。進入21世紀，針對軍方需要，公司更是直接把民用型FJ44降低推力發(fā)展出軍用型F129發(fā)動機，用于巡航導彈。

國際合作，助推民用航空。在合資公司威廉斯-羅羅公司中，威廉姆斯公司堅持 “以我為主，合作共贏”。負責FJ44發(fā)動機的總體設計、總裝集成和其他一些關鍵部件的研發(fā)制造，羅羅公司只是將研制生產(chǎn)的高低壓渦輪的輪盤、轉(zhuǎn)子葉片和渦輪軸賣給威廉斯國際公司。而在適航取證中，則是分工合作，優(yōu)勢互補，一部分由羅羅公司完成，一部分由威廉姆斯公司完成，既借助了羅羅公司豐富的適航取證經(jīng)驗，又保持了威廉姆斯公司的主體性。