俄羅斯PD-14發動機項目特點分析

鐘 滔

(中國航發四川燃氣渦輪研究院，成都 601500)

1 引言

近年來，在我國大力發展具有自主知識產權的C919飛機的同時，俄羅斯自主研發的MS-21飛機也呼之欲出。兩型飛機皆為中短程民用干線飛機，其中C919 飛機選裝美法合資企業CFM 國際公司研發的LEAP-1C發動機，MS-21飛機選裝俄羅斯國內航空企業自主研發的PD-14發動機。

PD-14 發動機在技術參數和性能上與LEAP-1C發動機旗鼓相當，在設計理念、結構方案、制造工藝、材料應用上體現了俄羅斯現階段在相關領域的先進水平。首先，PD-14 發動機是蘇聯解體后俄羅斯按照先進適航標準自主研發的首款民用渦扇發動機；其次，相比于俄羅斯目前唯一的國產第4代大涵道比渦扇發動機PS-90A(實際為20 世紀80年代末蘇聯時期的產品)，PD-14發動機的技術指標更高(涵道比高1倍，渦輪前燃氣溫度高100K)，是真正意義上的第5代民用渦扇發動機。

目前，俄羅斯在民用飛機、發動機自主研發道路上已實現了強勢復興，而我國雖然在民用飛機自主研發上崛起，但依然未能擺脫歐美發動機制約。為此，針對俄羅斯最新自主研發的PD-14發動機，圍繞其研制背景和需求、設計理念和進展、研發管理和前景進行分析，對我國航空發動機自主研發道路探索具有一定的參考意義。

2 研制背景和需求分析

2.1 研制背景

2001年年底，俄羅斯政府通過第728號決議，批準了《2002～2010 年及2015 年前俄羅斯民用航空技術裝備發展聯邦專項規劃》(以下簡稱聯邦專項規劃)。聯邦專項規劃包含兩個階段任務：第一階段主要是技術開發，為后續產品開發提供必要的科技儲備；第二階段則要基于第一階段的科技儲備，開展新型支線飛機、中短程干線飛機和遠程干線飛機等新一代俄羅斯國產民用飛機的研制。其中，新型中短程干線飛機正是號稱俄羅斯21 世紀干線飛機的MS-21。同時，聯邦專項規劃還確定了相應動力裝置的研制任務，新型中短程干線飛機動力裝置的研制時間為2003～2012年，設計單位通過競標形式確定，財政投入135 億盧布(聯邦預算60 億盧布，政府預算外資金75億盧布)[1-2]。

2003年，俄羅斯中短程干線飛機用先進渦扇發動機項目開始公開競標。最終角逐在兩個發動機方案之間展開：一個是俄羅斯彼爾姆航空發動機公司研制的代號PS-12 的發動機；另一個是由烏克蘭馬達·西奇發動機廠和扎波羅熱·前進機械制造設計局根據D-436T3 發動機改進、計劃由俄烏企業聯合制造的AI-436T12發動機。

PS-12發動機方案的最大優勢在于采用全新的核心機，基于該核心機可發展推力78.4～196.0 kN的航空發動機系列產品，以及相應的工業燃氣輪機和發電設備。AI-436T12 發動機方案采用現成的D-436T3 發動機改進核心機，其突出優勢是研制周期短，一旦競標成功，一年內即可制造完成。最終，PS-12發動機以更優異的性能以及通用核心機的巨大衍生潛力在競標中獲勝。

與此同時，MS-21飛機方案幾經修改，客容量從最初的140 座調整到基準改進型MS-21-200 的150座，再到加長型MS-21-300 的180 座。動力需求從原來PS-12 發動機預設的117.6 kN 相應提高到137.2 kN，動力裝置也最終命名為PD-14[3-4]。

2.2 需求分析

2.2.1 需求牽引產品

PD-14 發動機項目是基于明確的市場需求、國家需求和企業需求應運而生的。就市場而言，PD-14 發動機的目標是滿足俄羅斯國內客容量130～180座中短程民用干線飛機的動力需求，并與國外同級產品競爭，最終打入國際市場。就國家而言，PD-14 發動機的研制能有效刺激俄羅斯工業和科技發展，促進國家經濟；同時還能在短時間內縮小俄羅斯在燃氣渦輪發動機制造領域與歐美先進國家的技術差距，提升國力水平。就企業而言，俄羅斯對標世界主要航空發動機企業對國內航空工業進行了改革重組，成立了聯合航空發動機制造集團(UEC)；也形成了以俄羅斯技術國家公司(ROSTEX)為首，統一管理覆蓋俄羅斯主要航空設計生產能力的五大集團——俄羅斯飛機制造集團(UAC)、俄羅斯直升機公司(RV)、聯合發動機制造集團、無線電電子技術集團(KRET)和技術發展集團(TD)的新發展格局。在此背景下，PD-14 發動機不僅是聯合航空發動機制造集團發展過程中的代表作，也成為檢驗俄羅斯航空工業改革成效的重要項目之一。

2.2.2 市場導向設計

PD-14 發動機的裝機對象MS-21 飛機，是俄羅斯近年來為奪取國內外航空市場發展的重要項目，其競爭機型主要是空客A320 系列和波音B737 系列。在飛機研制過程中，MS-21 飛機方案為適應市場需求進行了多次調整，PD-14 發動機方案為保證飛發匹配也進行了多次改進，如增加低壓壓氣機增壓級數量、修改風扇直徑等。

2.2.3 儲備奠定基礎

無論是在資金、還是在科研技術上，充足的投入和儲備為PD-14 發動機的順利研制奠定了基礎。首先，聯邦專項規劃明確了俄羅斯政府對科技儲備建設給予政策和經濟支持；其次，俄羅斯航空發動機設計局早在PS-90A 發動機首飛前就啟動了下一代航空發動機的專項研究。例如，俄羅斯航空發動機設計局聯合俄羅斯中央航空發動機研究院(CIAM)，對下一代發動機零部件及其附件方案開展了預先研究：針對高壓壓氣機研制了高壓級K-6V、K-7、K-11、D-66M2、C179-1、D-70A1，并完成了臺架試驗；針對燃燒室開展了噴嘴雙排分布、帶雙層冷卻結構的多模塊供油系統研究；開展了單級高壓差渦輪試驗等[5]。

3 設計理念和研制管理

3.1 設計理念

PD-14 發動機的設計理念主要有兩點：一是采用通用核心機設計；二是大量引進新技術、新材料和新工藝。

首先，PD-14 發動機的商業設計理念是在高效的通用核心機基礎上研制完整的發動機系列產品，因此PD-14發動機不僅是一型5代大涵道比渦扇發動機，還是系列發動機的基準型，見表1。并且通過后續核心機推力提高計劃，還將研制推力更大的系列產品，滿足俄羅斯民用飛機市場的主要動力需求。此外，在PD-14 發動機核心機基礎上，還能發展功率8～16 MW 的燃氣渦輪電站和燃氣輸送裝置，滿足俄羅斯工業領域燃氣動力設備的需求。

表1 俄羅斯PD-14系列發動機主要參數Table 1 Parameters of PD-14 engine family

其次，為提高發動機性能和運行可靠性，降低研制成本，PD-14發動機在設計時采用了大量新技術、新材料和新工藝。據統計，針對PD-14 發動機共研發了16種關鍵技術和20余種新材料。同時，PD-14發動機采用了單元體結構，總計14 個單元體中有7個單元體可在發動機在翼條件下更換。與國際上現有的類似發動機相比，PD-14 發動機的運行費用低14%～17%，生命周期成本低15%～20%[6-9]。

3.2 研制管理

3.2.1 研制團隊

PD-14發動機由俄羅斯聯合航空發動機制造集團與俄羅斯數十家發動機研制公司和機構合作研制，如圖1所示，并按三個層級開展工作：

圖1 PD-14發動機研制企業分工Fig.1 Work division of PD-14 research enterprises

(1) 第一層級為設計和制造牽頭單位，分別由集團下屬彼爾姆航空發動機公司和彼爾姆發動機制造廠負責。

(2) 第二層級為研制協作單位，包括集團旗下土星科研生產聯合體股份公司、烏法發動機制造生產聯合企業、禮炮燃氣渦輪科研生產制造中心、馬達科研生產公司等單位，以及俄羅斯中央航空發動機研究院、茹科夫斯基中央航空流體動力學院、全俄航空材料科技研究院及其他十余家科研機構和組織，分別負責PD-14發動機項目零部件、附件、系統、材料的研制。

(3) 第三層級為配套單位，包含傳感器、附件、插頭、軸承、電子元件等的供應商。PD-14發動機的大部分配件選用了PS-90A2 發動機項目認證和使用過的供應商。

3.2.2 研制特點

在PD-14 發動機項目之前，俄羅斯發動機的研制一般由多家設計單位和一家批生產廠負責，各設計單位就負責部分向同一家批生產廠下達生產任務。為最大化地節約時間與成本，提高生產效率，PD-14 發動機項目對此進行了優化：項目由聯合航空發動機制造集團旗下多家設計單位和多家批生產廠參與，設計和制造的協作嵌入到產品的各個階段。

PD-14發動機項目的另一個特點是首次按照指令規定的生產成本(生產材料用量和勞動量)來設計發動機，即逆向解決成本控制問題：發動機設計單位確定發動機的市場價格，再按照市場價格倒推到單個零部件的生產成本，然后將發動機材料用量和價格的極限指標作為指令下達到各參研單位，各參研單位在此基礎上制定出保證規定指標的方案。

PD-14 發動機還配套有專門的規章文件，包含發動機制造和維修成本評估、項目IT 支持要求、發動機市場綜合推廣計劃及發動機售后服務系統發展計劃等。

4 項目進展和發展前景

4.1 項目進展

在通用核心機和創新發展等設計理念的指導下，同時依托俄羅斯航空工業改革后資源整合管理的優勢，PD-14 發動機項目進展迅速：2008 年項目正式啟動；2012年4月開始裝配驗證發動機；2012年6 月進行首臺驗證發動機首次地面臺起動試驗；2015年在伊爾-76LL飛行試驗平臺上完成首次飛行試驗；2018 年通過認證試驗并取得型號證書；2019年4月首批兩臺發動機交付給俄羅斯伊爾庫特航空制造公司；2020年12月配裝MS-21飛機成功完成首飛；2021 年2 月獲得批產許可；2021 年10 月完成俄航空發動機制造史上的首次核心機火山灰試驗。

4.2 發展前景

PD-14 發動機自立項以來，無論是在財政、資源，還是政策、技術方面都得到了俄羅斯政府以及俄羅斯整個航空工業的大力投入。隨著項目的不斷推進，PD-14發動機的發展前景也備受關注。

一方面，依靠技術先進性，PD-14發動機向世界證明了俄羅斯航空工業大國的實力，也將為俄羅斯航空發動機開辟更廣闊的國際市場。目前，俄羅斯聯合航空發動機公司已計劃在2024 年將PD-14 發動機的年產量提升到50臺，以匹配MS-21飛機的動力需求。另一方面，依靠技術獨立性，PD-14發動機將成為歐美制裁下俄羅斯航空工業進口替代計劃的重要支撐[10]。如基于PD-14發動機，發展PD-12V發動機以替代烏克蘭D-136發動機。

當然，世界局勢風云變化，2014 年烏克蘭危機后歐美對俄的輪番制裁給俄羅斯航空工業帶來了諸多影響，PD-14 發動機的未來發展道路必定充滿挑戰。

5 結束語

縱觀俄羅斯PD-14發動機的發展歷程，從2008年的正式立項到2021 年的批產取證，十余年間，俄羅斯實現了大涵道比民用渦扇發動機的自主研發。探其原因，離不開俄羅斯航空工業深厚的技術底蘊、政府政策的大力支持和行業資源的優勢整合。同時，PD-14發動機的發展歷程也證明，只有堅定不移地走自主研發道路，把握技術核心，才能有效抵制外部制裁和打壓，在世界競爭中處于不敗之地。