國之重器 航空發動機加速發展

文/ 弓升（中國航發沈陽發動機研究所）

中國航發的新型電動機新產品

航空發動機是一種高度復雜、精密的機械，對世界政治、軍事和經濟大國具有非同一般的戰略意義，其技術發展依賴于長期的投入與技術積累。以歐美為代表的西方航空發達國家在全球航空發動機產業中始終處于領先地位和主導優勢，隨著航空發動機技術呈現日益加速發展的趨勢，如何加快航空發動機發展成為我國面臨的關鍵問題。

規劃引領，科學布局

在當前我國經濟和科技取得矚目成績的同時，加快航空發動機發展就需要始終沿著正確發展方向，明確未來發展策略和重點，建立以需求為牽引，具有自主創新、科學發展和兼具靈活的中國特色發動機發展模式。這就需要花大力氣深入研究未來發動機在不同應用領域現實以及潛在的需求，制定一個全面、科學、系統的中長期發展規劃，合理安排產品研發，布局未來先進技術，并且完善制度以保障規劃的落地執行。

良好的規劃是國外航空發動機發展屢獲成功的一個重要原因。

航空發動機是一種高度復雜、精密的機械

GE航空集團在充分考慮其發動機產品相對于競爭對手的技術優勢如推力范圍、燃油效率、使用壽命、可靠性和維護成本之后，制定了目標明確的發動機發展規劃和發展策略。寬體客機動力領域依靠GE9X穩固市場；通過與斯奈克瑪成立的CFM公司繼續推出LEAP系列發動機，牢牢占據窄體客機；通過Passport發動機替代CF34，占據公務機及支線客機市場；通過與本田合作發展HF120、HF118發動機向小型公務機市場延伸。

普惠公司在V2500逐步退出窄體客機的市場之前，清晰認識到自身的目標和定位，堅持數十年持續投資齒輪傳動渦扇發動機，才有了目前的PW1000G齒輪傳動系列的市場成功；并且以此為基礎發展了PW800發動機，替補在70kN推力級別空白，具備130kN以下推力級全系列產品能力，并逐步向更大推力級延伸，進而爭奪PW4000發動機留下的市場。

羅羅公司則是一邊發展珍珠系列發動機保證BR700系列市場份額，一邊不斷推動UtralFan的開發，在穩固寬體客機市場同時，向下進入窄體客機市場。

上世紀30年代，尼奧姆-羅納公司K系列航空發動機

堅持預研，夯實技術儲備

預先研究是保持技術引領的關鍵。國外航空發動機技術發展，離不開大量的基礎研究和應用研究。基礎研究在對先進航空發動機的新概念、新理論、新技術和新結構探索的同時，通過對設計、材料、工藝、冶金的基礎原理深入研究，以其形成的方法、模型、標準、工具、數據庫，不斷支撐航空發動機自主研發。

應用研究則更接近于工程使用條件，通過部件、系統以及核心機、整機等不同層級的驗證，不斷提升技術成熟度，將經過驗證的技術逐步應用于發動機，為發動機研制及其系列化發展提供技術支持。提前開展基礎技術和應用技術預先研究，對航空發動機這一研制難度大、研制周期長的航空產品來說至關重要，是推動航空發動機快速發展的必要條件。

預先研究對經費投入需求大，并且需要持續投入。據統計，美國政府每年在航空發動機研發領域投入的經費就達30億美元左右，這還不包括型號采辦和改進改型所產生的費用。

美、英、法等國家一直按照“預研先行”的思想，通過國家長期、穩定的大力支持和投入，實施了多項與具體型號或產品完全脫鉤的中長期研究計劃，如IHPTET、VAATE、ACME、AMET等。這些計劃一方面為發動機產品研制提供了充足的技術儲備，降低了工程研制的風險，縮短了研制周期；另一方面通過大量先進技術布局，引領技術發展方向，也為未來更先進產品的發展提供支撐。

GE除了利用國家研究計劃資金開展預先研究外，每年還將收入的10%～15%用于先進技術的研發。隨著公司的不斷發展，研發資金的投入也在逐年增長。羅羅公司每年研發領域總投入超過9億英鎊，其中航空業務占其75%。

預先研究是保持技術引領的關鍵

重視研發體系建設

產品研發體系是航空發動機發展的基礎，也是縮短發動機研制周期，降低研制成本和研制風險的有力保證。這個體系主要包含三個方面的內容。

一是科學規范的流程。流程是業務活動的具體步驟、組織團隊、角色及職責、質量管控等內容；是實際業務過程中成功經驗的總結，并且承載了內外部各類規范及標準要求，可以視為成功可復制的載體。

20世紀80代，GE就開始使用結構化的發動機產品研發流程，即新產品引入（NPI）流程。該流程綜合考慮了人、財、物及其相互關系和產品的全壽命周期，涵蓋新產品引入所需的所有活動，包括開發產品的團隊構架、成員職責、需求論證、供應商管理、產品研發、適航認證、客戶支持等；并且將研發活動有邏輯地分解成10個階段的工作，在每個階段均定義了相應的交付物和檢查清單，并安排了相應的評審，對評審的形式、內容、檢查清單、風險分析及規避計劃等都給出了詳細的定義和標準模板。

中國航展上的渦軸發動機

二是方法、工具和數據庫。方法、工具和數據庫是通過大量的基礎研究、應用研究和工程實踐總結形成的，是支撐規劃、技術開發、產品開發以及維護保障等各階段業務活動開展的根本。在數字化技術發展迅速的今天，數據成為最為寶貴的生產力。這些經過驗證和校核的數學模型，以及技術、管理領域的數據，是支撐“數字孿生”發動機的核心。

三是數字化系統。數字化系統主要作用是保證流程高效執行，以及產品研發體系與技術研究、產品研發活動各流程之間的系統銜接，支撐設計、制造、試驗等不同領域之間的高效協同。

據了解，羅羅設計系統能夠將設計標準、規范和程序分類，系統管理，如聯合設計標準（與我國的航標或國軍標有些相似，是相對通用的標準）、聯合工程標準（內容更廣泛，除了設計外，還包括加工方法、過程甚至檢驗要求等）、聯合定義通報（主要對設計過程進行定義、規定和解釋，包括各種格式圖表的使用說明、圖紙幅面格式介紹、創建實體的具體規定、技術報告編寫要求等關于標準化方面的相關要求）、設計規則和幫助（按專業分類，描述一般的設計規則，包含了不少經驗數據，比如不同材料的結構件安裝邊距等）、合理過程規范（關于加工工藝及材料方面的規范）、具體型號應執行的設計標準規范，等等。

設計者可以通過設計系統方便地查找所需要的設計規范、準則、標準，并且通過產品研發，不斷總結、充實和完善相關技術標準和規范，延續發展。當然這僅是數字化系統的“冰山一角”。完整的數字化系統可以實現研發活動全面管理，并且對每一研發環節給出具體的指導和規范，精準推送歷史經驗和相關數據，支撐設計者快速設計與決策；同時能夠高效地開展專業間的協調開發、信息共享及數據管理。

國外航空發動機技術發展，離不開大量的基礎研究和應用研究

科技創新，低成本快速發展

國外先進航空發動機制造商在追求技術領先的同時，積極探索并不斷推動航空發動機與物聯網、云計算、大數據、人工智能、數字孿生、虛擬仿真以及智能制造等先進科技的融合，依托當今前沿科技推動航空發動機快速發展，進而保持其產品和技術引領發展。

當今迅猛發展的數字化技術無疑成為加速航空發動機產品快速研發的關鍵手段。通過近30年的發展，先進航空發動機制造企業的數字化建設已經覆蓋了需求論證、設計研制、生產制造、維修保障各個環節。

通過建立貫穿航空發動機全生命周期的三維數字化模型，形成覆蓋氣動、結構、機械、電子、熱推進、控制等多專業聯合仿真分析能力，結合集成產品與工藝數字化開發流程，能夠實現對復雜系統的準確表達、一致理解和數字化的驗證與確認，在研制早期就識別設計缺陷，大幅減少物理試制和試驗的同時，確保設計一次生成且正確無誤，能夠顯著縮短研制周期、降低研發成本。基于多物理量的復雜工藝建模仿真能力和生產數據的實時分析預測能力，建立全面數字化的生產流程和網絡生產系統基礎條件，構建生產線的數字孿生模型，將物聯網、云計算、大數據等新一代信息技術應用到制造現場，能夠實現制造活動基于模型、數據驅動的優化、運行和控制，大幅提升質量和管理效益。

例如，GE不斷向基于模型的數字化企業持續邁進，業務模式的變化包括建立知識驅動的產品研發模式，推廣基于模型定義（MBD）技術的應用，建立可配置的數字樣機等，并專門開發了數字孿生工業云平臺Predix。

普惠針對GTF研發了eFAST系統，是集數字采集儲存和傳輸為一體的新技術的融合。飛機每一次降落都會自動向維護中心傳輸關于發動機健康狀況和趨勢發展的實時數據，維護中心根據這些數據可以及時掌握發動機的最新動態。特別是當發動機的健康趨勢達到某些轉變的臨界點時，可以提前采取相應的預防措施，達到減少維護成本的目的。

與此同時，國外各大航空發動機制造商也紛紛利用增材制造等新技術推進低成本、快速制造，加速發動機發展。GE已突破噴油嘴、低壓渦輪葉片、傳感器外殼和PMC風扇轉子葉片鈦合金包邊的增材制造技術。但GE并不滿足于現狀，計劃將更多的零部件通過增材制造技術生產出來。

2016年，GE將增材制造技術在其最先進的渦輪螺槳發動機上實現大幅應用。通過增材制造技術，將傳統工藝所需的855個零部件減少了12個。該發動機的總壓比達到16:1，油耗比現在同類競爭型號低20%，發動機翻修周期延長30%，研發周期和成本大幅縮減。

重視研發體系建設

GE從上個世紀就開始使用結構化的研發流程

開放合作，聚合優勢

一般而言，在所有試驗設備與設施齊全、相關關鍵技術已經完全掌握，并具備相應的設計、研制、試驗、生產能力的條件下，研制一款新的發動機產品，成本一般需要15億～30億美元。如果能夠與技術優勢互補的合作伙伴進行聯合研發，不僅可以分攤技術和投資風險，也有利于聯合開拓國際市場。

產品研發體系是航空發動機發展的基礎

以羅羅為例，至少從2004年開始，在產品研發過程中就只生產其最終產品所有零部件中附加值最高的30%，將余下的70%轉包出去，從而在風險可控的前提下，盡可能地降低發動機全部零件的制造與采購成本。羅羅認為，具有競爭力的核心零部件必須自行生產；非核心零部件如果有足夠的競爭力也會自行生產；競爭性不強的核心零部件生產必須受控，即在合作伙伴企業或合資企業中進行生產；不是核心零部件，競爭性又不高的零部件則完全可以進行外部采購。遄達XWB發動機包括18000多個核心零件，生產分別來自羅羅的16個工廠、12個風險共擔合作伙伴和88個外部供應商。羅羅利用12家股東的力量，形成優勢團隊，其中ITP、川崎重工和三菱重工3家更是風險共擔的合作伙伴。

在技術研究過程中，羅羅通過與各種大學、科研院所建立合作關系，針對不同合作伙伴的特點，采取不同的合作模式，以達到最佳的合作效果，為航空發動機的快速發展充分汲取科學界的“營養”。這些合作模式不僅使公司獲益匪淺，而且極大地孤立了市場上的競爭對手。正是得益于與這些合作伙伴在諸多項目中建立起來的長期友好的合作關系，羅羅在全球發動機市場獲得了驚人的成功。并且依托于大學和企業界的協同創新，羅羅開創了大學技術中心（UTC）和先進制造研究中心（AxRC）等網絡體系產學研合作模式。

在遄達XWB-97發動機研制過程中，至少有12家大學技術中心和先進制造聯合體開展了相關的技術開發工作。不僅如此，在研發制造過程中各方通過人員交流、借調等方式加強聯系，大學的研究團隊也會參與到公司的培訓和人才培養過程中，形成了一種多贏的格局。此外，在與全球頂尖學術團隊開展持續、深層次合作的同時，企業也可以通過大學分攤技術開發的間接費用，更有利于專注解決工程問題。