基于國外經(jīng)驗淺談航空發(fā)動機軍民一體化發(fā)展

中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院 王 鵬

一、引 言

近年來，國家出臺了一系列推動軍民協(xié)同發(fā)展落到實處的政策[1–3]，在這些政策指引下，航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)軍民需求對接的機會將越來越多，軍民一體化發(fā)展也將取得更為豐碩的成果。

從美國、俄羅斯和歐洲等國家和地區(qū)的航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷程來看，軍民一體化發(fā)展對航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)具有重要且持久的推動作用[4]。例如，美國能夠保持航空發(fā)動機技術(shù)領先地位，關鍵是能將有限資源打造為雙向互動的“經(jīng)濟競爭力”和“軍事戰(zhàn)斗力”；而俄羅斯早期軍民分割的管理體制，阻礙了其軍用技術(shù)向民用領域的轉(zhuǎn)移和溢出，從而導致需要高投入的航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)后繼無力。因此，堅持航空發(fā)動機軍民一體化發(fā)展不僅是響應黨和國家戰(zhàn)略號召的具體舉措，更是適應航空發(fā)動機行業(yè)自身發(fā)展和國家建設需求的現(xiàn)實選擇。

航空發(fā)動機技術(shù)復雜、投資巨大且研制周期漫長，整個航空發(fā)動機研發(fā)周期內(nèi)的每一個環(huán)節(jié)在軍民一體化發(fā)展方面都大有可為。目前，國內(nèi)所開展的航空發(fā)動機軍民一體化發(fā)展研究主要集中在政策導向、行業(yè)制度和企業(yè)決策等宏觀層面，較少提出具體可行的發(fā)展途徑或方向；即使是針對國外軍民一體化發(fā)展的研究，也經(jīng)常局限于國家戰(zhàn)略層次，極少涉及航空發(fā)動機的具體研發(fā)和維護流程。本文從航空發(fā)動機基礎研究、設計制造、試驗測試和維修保障等4 個方面著手，分析總結(jié)了國外航空發(fā)動機行業(yè)軍民一體化發(fā)展經(jīng)驗，在此基礎上提出了我國航空發(fā)動機軍民一體化發(fā)展的潛在途徑和有效措施。

二、航空發(fā)動機基礎研究軍民一體化

航空發(fā)動機研發(fā)是復雜的系統(tǒng)工程，具有技術(shù)難度大、周期長、耗資多、風險大等特點，需要集成從基礎研究、技術(shù)研究開發(fā)到產(chǎn)品研制全過程的系統(tǒng)研究成果，其中基礎研究是支撐航空發(fā)動機自主創(chuàng)新持續(xù)發(fā)展的源泉和基礎[5]?；A研究主要以學科為基礎，開展航空發(fā)動機相關學科的知識探索和規(guī)律研究，貫穿發(fā)動機的預研、研制、生產(chǎn)和使用等全過程。基礎研究不僅有助于提升對航空發(fā)動機的認知能力，更有助于推動航空發(fā)動機技術(shù)進步和創(chuàng)新能力的提升，最終促進航空發(fā)動機全產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。

與很多大型科技企業(yè)不同，英國羅爾斯·羅伊斯公司（以下簡稱“羅·羅公司”，世界著名航空發(fā)動機及燃氣輪機制造商之一）自身很少從事基礎理論研究工作，其主要依賴與世界頂級大學多年來建立的協(xié)同創(chuàng)新體系——大學技術(shù)中心（UTC）網(wǎng)絡，將大學作為技術(shù)創(chuàng)新發(fā)源地。根據(jù)技術(shù)成熟度理論，羅·羅公司對其研發(fā)活動進行了科學劃分，其中低技術(shù)成熟度研究，尤其是成熟度在1～4 級的基礎研究工作主要協(xié)同大學開展。自1990 年在牛津大學建立第一個UTC 開始，近30 年來，羅·羅公司在全球陸續(xù)建立了由30 余所UTC 組成的研究網(wǎng)絡[6]，如圖1 所示。這種協(xié)同創(chuàng)新體系對雙方都是十分有益的，一方面，通過UTC，羅·羅公司能夠與全球頂尖大學開展深層次合作，分攤技術(shù)開發(fā)費用，同時自身可以專注于解決工程問題；另一方面，大學則能夠通過羅·羅公司的數(shù)據(jù)庫，直面工業(yè)界技術(shù)挑戰(zhàn)，也能利用公司提供的資金及合作吸引人才。

美國聯(lián)合技術(shù)公司（UTC 公司）下屬的普惠公司也是世界一流的航空發(fā)動機公司。UTC 公司于1929 年成立了聯(lián)合技術(shù)研究中心（UTRC），與著名研發(fā)機構(gòu)緊密合作，在航空、能源、環(huán)境等眾多領域開展前沿性應用研究，為旗下各業(yè)務部門提供遠景技術(shù)支持，致力于流程創(chuàng)新和產(chǎn)品創(chuàng)新，其在全球市場的競爭力日益增強。

由此可見，對于航空發(fā)動機這樣一個投資巨大且競爭激烈的行業(yè)，借助于社會上基礎研究體系的力量來開展航空發(fā)動機基礎研究是國際慣例，像羅·羅公司與普惠公司都采用了開放式創(chuàng)新的策略，針對基礎研究大力開展產(chǎn)、學、研協(xié)同，同時借助外力緊跟技術(shù)發(fā)展趨勢，牢牢將產(chǎn)品開發(fā)的主動權(quán)及前沿研究的發(fā)展方向把握在自己手中。

圖1 羅·羅公司大學技術(shù)中心（UTC）分布圖

當前，我國航空發(fā)動機前沿和基礎技術(shù)研究存在技術(shù)儲備匱乏、研究內(nèi)容分散、研究成果轉(zhuǎn)化不暢等問題，且容易出現(xiàn)相互重疊或空白區(qū)域，即一些研究課題在不同管理領域重復研究，而與此同時，一些重要的技術(shù)需求卻一直得不到項目支持[7]。此外，航空發(fā)動機行業(yè)高水平人才短缺，研究人員數(shù)量少且分散，未能形成合力開展技術(shù)攻關。為此，可以參考羅·羅公司和普惠公司的發(fā)展經(jīng)驗，以軍民一體化發(fā)展為契機，創(chuàng)新基礎研究體系管理運行模式，集合軍民優(yōu)勢，為航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)發(fā)展奠定堅實的技術(shù)基礎。具體可以采取以下措施：

（1）聯(lián)合研究機構(gòu)、大學和企業(yè)，建立聯(lián)合技術(shù)中心，構(gòu)建協(xié)同創(chuàng)新模式。

（2）結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，打造協(xié)同創(chuàng)新網(wǎng)絡平臺，實現(xiàn)技術(shù)需求同步、研究成果轉(zhuǎn)化及知識管理等功能。

（3）建立全行業(yè)人才管理系統(tǒng)，便于根據(jù)研究課題和項目，組建最優(yōu)攻關團隊，打破體制和單位界限；另外，就人才培養(yǎng)而言，可采取多元化培養(yǎng)模式，科研院所、高校和企業(yè)之間可開展人才培養(yǎng)合作計劃，著力培養(yǎng)既有扎實理論基礎又有豐富實踐經(jīng)驗的高水平人才。

三、航空發(fā)動機設計制造軍民一體化

為開展連續(xù)性的航空發(fā)動機核心機設計、研發(fā)、評估，以及相關零件研究，美國國防部提出了先進渦輪發(fā)動機燃氣發(fā)生器（ATEGG）計劃。美國通用電氣公司（以下簡稱“GE 公司”，世界著名航空發(fā)動機及燃氣輪機制造商之一）、普惠公司和艾里遜發(fā)動機公司（著名航空發(fā)動機制造商，現(xiàn)已被羅·羅公司收購）等都積極參與了該項計劃。在ATEGG 計劃的支持和引領下，各企業(yè)不斷驗證發(fā)展了一系列不同流量的核心機方案。盡管ATEGG 計劃的主要目的是為軍用飛機發(fā)動機提供技術(shù)支持，但在此計劃下所驗證發(fā)展的技術(shù)也被用于商用發(fā)動機，以及小型燃氣輪機發(fā)電機組、艦船發(fā)動機和輔助動力裝置等。ATEGG 計劃的開展為美國軍用三代機、四代機，以及民用發(fā)動機、燃氣輪機等的發(fā)展奠定了雄厚的技術(shù)基礎，例如，GE 公司在前三代核心機的基礎上成功地研制出了F101、F110、F404、TF39、CF6 和CFM56 等一系列軍民用航空發(fā)動機，在促進國防力量增長的同時，為國民經(jīng)濟的增長作出了巨大貢獻。

這種研發(fā)策略被稱作系列核心機發(fā)展和核心機系列派生發(fā)展的航空發(fā)動機發(fā)展思路，其為美國保持航空發(fā)動機技術(shù)領先地位作出了重要貢獻；英國羅·羅公司也從一開始就堅持軍民用產(chǎn)品同步研發(fā)、技術(shù)共享，在軍民用航空發(fā)動機及燃氣輪機市場上獲得了巨大優(yōu)勢。軍民用航空發(fā)動機及燃氣輪機在工作原理、設計流程和加工工藝方面相通甚至相同，這就賦予了航空發(fā)動機產(chǎn)品極強的軍民兩用屬性，也是航空發(fā)動機軍民一體化發(fā)展的根本所在。我國在航空發(fā)動機研發(fā)過程中，也應堅持系列核心機發(fā)展和核心機系列派生發(fā)展的發(fā)展思路，并爭取在此基礎上實現(xiàn)軍民協(xié)同深度發(fā)展。

目前，我國航空發(fā)動機設計與制造主要集中在中國航空發(fā)動機集團有限公司旗下的研究所和工廠，民營企業(yè)主要作為協(xié)作配套單位。近年來，隨著國家對軍民協(xié)同深度發(fā)展的推動，已有越來越多的民企進入航空發(fā)動機研發(fā)領域。但考慮到航空發(fā)動機的研制周期，目前各民營企業(yè)的主要做法為：一是通過直接引進國外已有的成熟發(fā)動機型號或者在引進型號的基礎上進行型號改進改型；二是與國外企業(yè)共同研發(fā)相關型號產(chǎn)品；三是成立航空發(fā)動機技術(shù)研究中心，加大在航空發(fā)動機基礎技術(shù)和型號產(chǎn)品方面的研發(fā)投入。總的來看，我國在航空發(fā)動機設計與制造方面依然是軍民各自為政，仍未實現(xiàn)真正意義上的深層次協(xié)同。為改變這一現(xiàn)狀，具體可以從以下兩方面入手：

（1）在設計方面。隨著民用航空的飛速發(fā)展，許多民用航空發(fā)動機上的成熟技術(shù)也會反哺軍用航空發(fā)動機，如果選擇現(xiàn)有合適的發(fā)動機，不僅技術(shù)風險低，而且研發(fā)成本也可大幅降低。例如，美國空軍“全球鷹”無人機所用的AE3007 發(fā)動機最初用于支線客機和公務機，而針對中短程客機及公務機而開發(fā)的CFM56-7b發(fā)動機被選為波音737 預警和控制飛機及美國海軍C-40 運輸機的動力裝置。此外，先進的建模仿真技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等民用領域的先進技術(shù)也將為航空發(fā)動機設計流程帶來改革性創(chuàng)新。

（2）在制造領域。長期以來，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，許多民用領域的制造技術(shù)突飛猛進，許多精細化的加工工藝比較成熟，具備制造高精尖科技產(chǎn)品的能力。例如，增材制造技術(shù)可以快速而精密地制造出任意復雜形狀的零件，使航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)設計人員擺脫以往結(jié)構(gòu)設計的某些束縛；數(shù)字孿生技術(shù)在設計階段可以通過建模仿真等手段分析產(chǎn)品的可制造性，以及完成產(chǎn)品設計的優(yōu)化，在制造階段可以構(gòu)建虛擬生產(chǎn)線，縮短產(chǎn)品導入時間，降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品交付速度。因此，航空發(fā)動機的制造環(huán)節(jié)也可以借鑒或吸納民營企業(yè)參與。

與此同時，長期從事航空發(fā)動機制造的企業(yè)，由于一直從事高科技產(chǎn)品的制造，在創(chuàng)新技術(shù)領域具有較好的優(yōu)勢，可以較早地引入更加先進的制造理念并加以實施，同樣也可以將這些優(yōu)勢引入民用企業(yè)，帶動民用企業(yè)采用更為先進的制造技術(shù)。在制造領域，軍民技術(shù)可以雙向流動，相互借鑒。

四、航空發(fā)動機試驗測試軍民一體化

（一）試驗設備管理

試驗測試是航空發(fā)動機研制過程中的重要一環(huán)。其中，試驗設備建設屬于重大項目，不僅技術(shù)復雜，而且經(jīng)費需求較高。美國具有世界領先的航空發(fā)動機試驗能力，包括地面試驗系統(tǒng)（如風洞和推進系統(tǒng)試驗設備）和飛行試驗能力（如飛行器和支持性基礎設施），如圖2 所示。絕大多數(shù)設備的所有權(quán)屬于聯(lián)邦政府，管理權(quán)歸于美國國家航空航天局（NASA）和國防部。2005 年，為了有效管理試驗資源，保持競爭力，NASA 制定了航空試驗計劃（ATP），補充設備需求空白，移除重復多余設備，并要求所有設備運行部門聯(lián)合起來，除了滿足NASA 的需求外，還要保障整個美國航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)所需的完整試驗能力。

圖2 NASA航空試驗計劃部分試驗設備分布圖

目前，我國航空發(fā)動機試驗設備基本都屬國有資產(chǎn)，且主要用于軍用領域，如何有效利用這些試驗設備促進民用發(fā)動機的研發(fā)工作，需要有關部門精心規(guī)劃和設計。參考美國在試驗設備管理方面的經(jīng)驗，我國也應對全國范圍內(nèi)的試驗設備進行統(tǒng)一規(guī)劃和管理，將這些設備向民用領域開放?？山柚髷?shù)據(jù)分析技術(shù)，合理推進設備設施建設，并高效安排試驗計劃。

（二）促進軍民兩用測試技術(shù)發(fā)展

航空發(fā)動機工作環(huán)境惡劣，在航空發(fā)動機上開展測試工作十分具有挑戰(zhàn)性，因此，需要開發(fā)并吸收許多先進測試技術(shù)。在常規(guī)測試技術(shù)之外，我國還發(fā)展了大量針對特殊工作環(huán)境的特種測試技術(shù)，如晶體測溫技術(shù)和紅外測溫技術(shù)等。隨著國內(nèi)民用市場的繁榮發(fā)展，這些先進的測試技術(shù)可以加速向民用領域轉(zhuǎn)化，例如，用于汽車發(fā)動機、燃氣輪機等產(chǎn)業(yè)；另外，隨著科技日新月異，民用市場也涌現(xiàn)出一批先進的測試技術(shù)，如一些非接觸式測量技術(shù)，通過引入這些先進的民用技術(shù)，也必將給發(fā)動機測試工作帶來巨大便利。我們應充分發(fā)揮測試技術(shù)軍民兩用的特質(zhì)，在加速轉(zhuǎn)化和引進的同時，可聯(lián)合民營企業(yè)、高校、研究機構(gòu)等共同研發(fā)新型測試技術(shù)。

（三）推進數(shù)值仿真技術(shù)發(fā)展應用

數(shù)值仿真是利用虛擬模型替代真實世界的物理模型對象，在計算機中對真實世界進行模擬(即虛擬實驗)，從而以較低的成本和較短的時間，獲得對真實世界更為完整和全面的理解[8]。數(shù)值仿真技術(shù)在航空發(fā)動機領域正在發(fā)揮著越來越大的作用，世界各航空發(fā)達國家都相繼制定并實施了各種計劃，如美國的推進系統(tǒng)數(shù)值仿真（NPSS）計劃，俄羅斯的航空發(fā)動機計算機試驗技術(shù)（CT3）計劃等。數(shù)值仿真技術(shù)是一種軍民兩用技術(shù)，可以極大地降低航空發(fā)動機研制成本、試驗風險和試驗周期，具有重要的技術(shù)和經(jīng)濟意義。我國也應聯(lián)合軍民領域研究力量，制定相應的推進計劃，加速推進數(shù)值仿真技術(shù)的發(fā)展及應用。

五、航空發(fā)動機維修保障軍民一體化

航空發(fā)動機的維修保障，是軍民一體化大有可為的重點領域。這是因為航空發(fā)動機服役后的維修保障，軍民用戶基本遵循的是一樣的方式方法及要求，即其軍民屬性并不突出，因此，最易實現(xiàn)軍民一體化。

（一）維修基地通用化

軍民用航空發(fā)動機雖然技術(shù)要求略有差別，但維修保障要求基本相同。因此，目前的民用維修基地也可完成軍用發(fā)動機的維修保障任務。特別是隨著我國國防航空力量的增強，實戰(zhàn)訓練科目與飛行時間增多，發(fā)動機維護或大修數(shù)量呈上升之勢，目前的軍用維修保障團隊難以保證維護的及時性。開放部分軍用發(fā)動機維修保障市場，不僅可以保障軍用發(fā)動機維護任務，還可促進國民經(jīng)濟繁榮發(fā)展。民用維修基地半軍事化應用，也可在戰(zhàn)時給空軍提供更多的戰(zhàn)術(shù)支持和技術(shù)保障。此外，軍民維修基地還可聯(lián)合培養(yǎng)人才，在軍事訓練低頻期，將軍方維護人才送往民用基地進行技能提升訓練；而在高頻期，則可借調(diào)民用基地人力保障軍事需求。我國可建立國家層面的軍民一體化的航空發(fā)動機維修保障管理體系，協(xié)調(diào)全國軍民維修保障需求。

（二）維修保障數(shù)字化

為匹配航空發(fā)動機數(shù)字化發(fā)展趨勢，需要開展維修保障的數(shù)字化建設。美國在數(shù)字化維修方面處于領先地位，發(fā)展了虛擬維修、故障預測與狀態(tài)管理（PHM）等先進技術(shù)，并采用了交互式電子技術(shù)手冊（IETM）、便攜式維修輔助裝置（PMA）和遠程維修系統(tǒng)等措施，大大減輕了維修負擔，降低了使用和保障費用，提高了保障效能。目前，我國的數(shù)字化維修保障仍處于起步階段，發(fā)展應用尚主要集中在民用領域，如中國南方航空集團有限公司的飛機遠程診斷實時跟蹤系統(tǒng)等[9]。因此，我國應集中民用和軍用力量，聯(lián)合開展航空發(fā)動機維修保障數(shù)字化研究。

（三）軍民通用外場數(shù)據(jù)庫

外場使用數(shù)據(jù)是航空發(fā)動機研制最寶貴的財富之一，能夠為總結(jié)研制經(jīng)驗、提高設計水平提供有力支持。英國的羅·羅公司、美國的GE 公司和波音公司等知名公司均建有自己的大數(shù)據(jù)中心，通過收集海量的發(fā)動機使用數(shù)據(jù)，為航空發(fā)動機在線健康管理系統(tǒng)的建立和維修保障體系的完善提供數(shù)據(jù)支持。我國目前尚無統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，應從最基礎的標準規(guī)范入手，逐步建立軍民兩用外場數(shù)據(jù)庫，著力實現(xiàn)發(fā)動機數(shù)據(jù)實時傳輸，最終實現(xiàn)航空發(fā)動機在線監(jiān)控。

六、結(jié)束語

航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)是國防工業(yè)和國民經(jīng)濟的重要組成部分，堅持軍民協(xié)同發(fā)展是中國航空發(fā)動機集團有限公司成立的使命之一，探索航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)軍民協(xié)同發(fā)展具有重要的意義。

本文通過對國外航空發(fā)動機軍民一體化發(fā)展經(jīng)驗進行研究及分析，針對我國航空發(fā)動機軍民一體化發(fā)展，提出以下思路或建議：

（1）基礎研究方面。聯(lián)合技術(shù)研究中心將是有機結(jié)合軍民基礎科研力量，集中攻關航空發(fā)動機基礎科學難題，提高行業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)化效率的最佳實踐途徑。

（2）設計制造方面。首先，堅持系列核心機發(fā)展和核心機系列派生發(fā)展的研發(fā)道路是從根本上實現(xiàn)航空發(fā)動機軍民一體化發(fā)展的有效途徑；其次，還應當以更開放的姿態(tài)吸收先進民用技術(shù)，同時積極促進軍用技術(shù)轉(zhuǎn)化，在“小核心、大協(xié)作”的原則下開展合理的加工制造分包活動，在提升民營資本活力的同時，激發(fā)國有企事業(yè)單位的創(chuàng)造力。

（3）試驗測試方面。首先，要實現(xiàn)全國試驗設備的統(tǒng)一規(guī)劃和統(tǒng)一管理，并向民用領域開放使用；其次，要促進軍民兩用測試技術(shù)發(fā)展；最后，要加速數(shù)值仿真技術(shù)的研究與應用拓展。

（4）維修保障方面。基于航空發(fā)動機服役后維修保障軍民區(qū)別不大的實際，提出維修基地通用化建議；此外，建議將民用領域應用的數(shù)字化維修保障技術(shù)加速引入軍用領域，同時逐步建立軍民通用外場數(shù)據(jù)庫。

當前正值國家“兩機”重大專項實施期間，這是發(fā)展航空發(fā)動機軍民兩用技術(shù)非常好的時機[10]。從基礎研究、設計制造、試驗測試到維修保障，航空發(fā)動機研發(fā)和使用的每個環(huán)節(jié)都可在戰(zhàn)略驅(qū)動下發(fā)生創(chuàng)新改變。國家戰(zhàn)略的支持，先進的計算機技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)等民用技術(shù)的蓬勃發(fā)展，以及軍民領域人、財、物的聯(lián)合，都將不斷推動航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)升級和技術(shù)進步，從而對國家安全保障及國民經(jīng)濟建設貢獻更大的力量。