鯤鵬之心

火心

近年來，我國航空工業(yè)捷報頻傳，國產(chǎn)大飛機(jī)Y-20、C919已浮出水面，只待最后的破殼成蝶。然而，讓我們感到尷尬的是這兩型大飛機(jī)的“心臟”卻分別采用俄制D-30KU/KP發(fā)動機(jī)和CFMI公司研制的LEAP-X發(fā)動機(jī)。我國這兩只“大鵬”若想與國際同類產(chǎn)品一較高低，一顆健康且國產(chǎn)的“龍心”才是我國大飛機(jī)計劃的關(guān)鍵節(jié)點。

從上世紀(jì)80年代至今，美國的CFM56系列發(fā)動機(jī)憑借優(yōu)異的性能成為各國大飛機(jī)的“夢中情人”，也是我國航發(fā)工業(yè)在很長時間內(nèi)的追趕目標(biāo)。但事實上我國只能選定俄羅斯的D-30KP-2發(fā)動機(jī)作為起步目標(biāo)，PS-90A-76為過渡目標(biāo)，并立足自我的“太行”衍生大渦扇作為我國的航發(fā)的長期目標(biāo)。

作為蘇俄代表性大飛機(jī)伊爾-76運(yùn)輸機(jī)的動力系統(tǒng)，D-30KP系列在蘇俄大渦扇領(lǐng)域有著很重要的地位，它也是我國空軍大型飛機(jī)的“心臟”，且我國也進(jìn)行了仿制，命名為WS-18。

Y-20選用了D-30KP系列發(fā)動機(jī)作動力，說明我國國產(chǎn)大渦扇仍未達(dá)到可用地步。若WS-18能國產(chǎn)化，就不用在動力系統(tǒng)方面看俄羅斯的臉色。WS-18在我國的主要應(yīng)用領(lǐng)域是我國的H-6的換發(fā)以及伊爾-76的延壽換發(fā)。但未來量產(chǎn)的運(yùn)-20必須是“龍心”，而不是帶有俄羅斯色彩的WS-18。WS-18雖不能成為未來大運(yùn)的“心臟”，但在“龍心”未成熟之前，臨時應(yīng)急一下還是可以的。

作為D-30KP系列的后續(xù)型號，中等推力量級的PS-90A發(fā)動機(jī)配裝在伊爾-96、圖-204等大中型客機(jī)上，可以繼續(xù)鞏固俄在大渦扇領(lǐng)域的地位。但因蘇聯(lián)解體，PS-90S發(fā)動機(jī)陷入了困境。

俄羅斯政府還是認(rèn)識到PS-90A對本國航空工業(yè)的重要性，仍堅持該型號的改進(jìn)升級工作。PS-90A發(fā)動機(jī)的整體水平達(dá)到了俄羅斯航發(fā)工業(yè)的最高水平，但因與西方同類產(chǎn)品依然存在著不小的差距，因此除了俄羅斯的航空市場，民用版PS-90A基本沒有國外訂單。不過，其軍用版PS-90A-76發(fā)動機(jī)因用戶的特殊性卻有另一番火紅的現(xiàn)象。

作為伊爾-76運(yùn)輸機(jī)的換發(fā)動力系統(tǒng)，俄羅斯對PS-90A-76發(fā)動機(jī)呵護(hù)有加，并在新世紀(jì)后取得了巨大成功。正是由于PS-90A-76的成熟，伊留申聯(lián)合體正式開發(fā)基于伊爾-76系列的深度改良型大運(yùn)——伊爾-476。它被稱為第四代伊爾-76（前三代依次為基本型、伊爾-76MD/TD、伊爾-76MF）。

一、中國大鵬的夢想之心——CFM56系列發(fā)動機(jī)

在大渦扇領(lǐng)域，無論從哪里角度論述，都不得不提到一位重量級選手——美國的CFM56系列發(fā)動機(jī)。CFM56系列發(fā)動機(jī)自誕生之日起，至今都無人能撼動其確立的長達(dá)數(shù)十年的霸主地位。

CFM56系列是在GE公司的F101核心機(jī)的基礎(chǔ)上，為適應(yīng)20世紀(jì)80年代后國際軍民用大飛機(jī)市場的需求而研制的100KN級高涵道比渦扇發(fā)動機(jī)。從它的的第一個型號CFM56-2于1979年11月取得適航證后，到現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展了CFM56-2、CFM56-3C、CFM56-5A、CFM56-5B、CFM56-5C、CFM56-7等6個系列，共28個型號，其推力范圍覆蓋了71—151KN，已經(jīng)成為全球22個型號飛機(jī)的動力系統(tǒng)。

到目前為止，使用中各型CFM56系列發(fā)動機(jī)達(dá)到20000多臺，發(fā)動機(jī)累計工作時間超過了3億飛行小時。使用中的由CFM56系列發(fā)動機(jī)作為主動力的飛機(jī)超過6000架，目前我國使用的幾型CFM56發(fā)動機(jī)共約有1000臺。

二、我的中國心——國產(chǎn)“太行”衍生大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)

將我國大飛機(jī)的工業(yè)命脈交他國掌握是不可能的。我國外購他國的大渦扇只是權(quán)宜之計，具有“中國心”才是我國大飛機(jī)工業(yè)的終極追求。

我國高層在屢次撞墻后才真正認(rèn)識到航發(fā)之于一國的重要性，從上世紀(jì)80年代開始從國家戰(zhàn)略層面科學(xué)而周密地制定了我國未來航空工業(yè)的發(fā)展計劃。其中更將航發(fā)工業(yè)列為重中之重，新世紀(jì)后終結(jié)碩果。其中仿效歐美的核心機(jī)計劃則是最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。近幾年來，幾代航空人力圖改變航發(fā)工業(yè)困局的努力終現(xiàn)曙光。該計劃覆蓋了我國目前以及可預(yù)見的未來航發(fā)工業(yè)全領(lǐng)域的所有動力型號，它為我國未來諸多航發(fā)型號系列化發(fā)展提供一臺合適的核心機(jī)，尤以 “太行”核心機(jī)最具代表性。我國的大渦扇也因此受益。

基于我國目前整體國力的大幅度上升及借鑒國外航發(fā)工業(yè)的相關(guān)技術(shù)，我國大渦扇事業(yè)是以1990年以后的技術(shù)水平為起點（代表產(chǎn)品有CFM56-5系列，GE90、GEnx、遄達(dá)800系列等）。同時，軍用大渦扇在研發(fā)之時也兼顧民用大飛機(jī)的動力系統(tǒng)，做到兩者兼顧，互通有無，縮短戰(zhàn)線，集中力量，重點突破。

“十五”期間，我國效仿西方航發(fā)強(qiáng)國，正式啟動了我國航發(fā)核心機(jī)計劃——航空推進(jìn)技術(shù)驗證計劃（APTD），開啟了我國航發(fā)工業(yè)的新篇章。有些企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)的科研人員針對伊爾-76換發(fā)技改的未來需要，以已成熟的“太行”發(fā)動機(jī)的核心機(jī)為基礎(chǔ)開展了“大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)設(shè)計計劃驗證”和“多級低壓渦輪設(shè)計技術(shù)驗證”等相關(guān)課題的研究，進(jìn)行了涵道比為3和5—6的兩種發(fā)動機(jī)的總體方案與低壓部件設(shè)計，并成功構(gòu)建超大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)的試驗平臺（驗證性試車），取得了顯著的成績。

通過上述的課題研究，我們可以發(fā)現(xiàn)，涵道比為3的發(fā)動機(jī)主要是定位于伊爾-76的換發(fā)技改方案。該方案基本保持與D-30KP-2發(fā)動機(jī)的外形不變，發(fā)動機(jī)吊艙也基本保持不變。該方案較D-30KP-2性能有著一定的提升，且我國完全掌握核心知識產(chǎn)權(quán)，不會在關(guān)鍵技術(shù)方面受制于人。同時，由于核心機(jī)定位相差30年，起飛耗油率減少了約10%，巡航耗油率降低了5%。該方案基于我國大量服役的H-6轟炸機(jī)及未來戰(zhàn)略轟炸機(jī)的動力考量，用它的先進(jìn)技術(shù)對D-30KP-2的中國版WS-18進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)也是可以的。若該方案真能成功，那么我國目前大量以D-30KP-2為動力的飛機(jī)則完全用得上自己的“心臟”，不用再看俄羅斯的臉色了。endprint

涵道比為5—6的項目則是完全遵循國際上大渦扇的發(fā)展潮流設(shè)計的。根據(jù)“太行”總設(shè)計師張恩和介紹，該項目的追趕對象為國際上大名鼎鼎的CFM56-5系列發(fā)動機(jī)。沈陽動力所按照核心機(jī)計劃為基礎(chǔ)，以派生衍生為設(shè)計方法，進(jìn)行該項目的總體性能設(shè)計。在成熟的核心機(jī)的基礎(chǔ)上，重新設(shè)計了低壓部件、風(fēng)扇、增壓級、低壓渦輪和內(nèi)外涵、尾噴管并進(jìn)行了地面臺架性能和部件匹配性試驗試車，完成了全轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)動機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，匹配性良好。進(jìn)口直徑擴(kuò)展到1.7米左右，海平面空氣流量大于380Kg/s，起飛推力定位在12000kgf的級別，涵道比>5，巡航耗油率約為0.6Kg/（Kgf·h），比D-30KP-2大約降低15%，起飛耗油率約降低30%。

2007年我國正式啟動大飛機(jī)計劃，隨即大運(yùn)配套動力也被列入專項重點工程，加快了大渦扇的研制步伐。2009年9月28日，型號總承（生產(chǎn)）任務(wù)落戶西安航空發(fā)動機(jī)公司。根據(jù)大飛機(jī)的規(guī)劃，我國將分別研制軍用大飛機(jī)和民用大飛機(jī)。配套動力系統(tǒng)雖有軍民用之分，不過軍民用發(fā)動機(jī)之間的通用性較高，兩者之間的差距不是太大。上海世博會上，我國展出了商發(fā)模型（SF-A）。根據(jù)推測，SF-A的真實身份應(yīng)是大運(yùn)飛機(jī)/驗證機(jī)的全尺寸金屬樣機(jī)。隨后，SF-A的首臺原型機(jī)也成功進(jìn)行了地面試車。根據(jù)公開資料可知，SF-A的軍用型號為WS-20。根據(jù)國際上大渦扇的發(fā)展歷程可推測，WS-20已經(jīng)解決了最難的核心機(jī)的問題，進(jìn)入細(xì)節(jié)完善階段。若進(jìn)展順利，估計再有2—3年，WS-20就可以進(jìn)入試飛階段，這點正好切合我國大運(yùn)設(shè)計定型的時間節(jié)點。

三、我的未來不是夢——展望未來大渦扇

基于“太行”核心機(jī)衍生發(fā)展而來的大渦扇的推力范圍是在10000—15000kgf，完全符合當(dāng)前我國在役大飛機(jī)及運(yùn)-20的動力需求。不過考慮到目前運(yùn)-20只是我國解決大飛機(jī)的有無問題，并不是我國對大飛機(jī)的終極追求。可以預(yù)見，隨著我國綜合國力的大幅提升，我國在運(yùn)-20定型之時，甚至尚未成熟之前，定會對未來大飛機(jī)進(jìn)行前期預(yù)研，估計未來大飛機(jī)的技術(shù)指標(biāo)定位在起飛總重200噸以上，甚至可能接近C-17。當(dāng)然，對運(yùn)-20改型也將拉開序幕。由此可見，對發(fā)動機(jī)的推力增長提出了更高的要求。為了縮短新型號的研制周期，降低技術(shù)風(fēng)險，我國設(shè)計師會采用核心機(jī)派生發(fā)展方法，以“太行”核心機(jī)為基礎(chǔ)，采用核心機(jī)比例縮放，加減級數(shù)，來擴(kuò)大核心流量變化范圍，使得系列化發(fā)動機(jī)的推力范圍更加廣泛。這也是國際上航發(fā)工業(yè)強(qiáng)國發(fā)展發(fā)動機(jī)的成功經(jīng)驗。

綜上所述，我國的大渦扇事業(yè)隨著大飛機(jī)計劃的啟動也進(jìn)入了快車道發(fā)展階段。WS-18的仿制則為我國目前的伊爾-76提供了充實的動力儲備，同時也為H-6轟炸機(jī)的換發(fā)提供了最為理想的選擇目標(biāo)。基本定型的WS-20雖然沒能趕上運(yùn)-20的首飛，但為未來“純血統(tǒng)”的優(yōu)化開出了最有效的“藥方”，也為運(yùn)-20的升級版留下了令人想象的空間。而不時傳出好消息的在研高推比核心機(jī)則為我國大飛機(jī)屹立世界強(qiáng)手之林奠定了最堅實的基礎(chǔ)。

資料補(bǔ)充

中國民用大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)CJ1000A發(fā)動機(jī)

作為本世紀(jì)的國家重點工程，我國先后啟動了運(yùn)-20大型運(yùn)輸機(jī)和C919干線客機(jī)研制。2012年底，運(yùn)-20終現(xiàn)江湖，讓我國對大飛機(jī)夢想多年的夙愿終于實現(xiàn)。C919雖未問世，但其模型已經(jīng)在國內(nèi)各種展會上頻頻亮相，其風(fēng)頭一點也不比運(yùn)-20差。和運(yùn)-20一樣，C919能否成功如商飛公司所說的那樣按照2016年的節(jié)點完成研制交付，其重點和運(yùn)-20一樣，仍主要取決于大飛機(jī)的發(fā)動機(jī)的研制進(jìn)度。和運(yùn)-20的動力系統(tǒng)采用國外引進(jìn)和立足自主兩條腿走路一樣，C919的動力系統(tǒng)也是如此，分別為引進(jìn)由CFM公司研制的LEAP-X發(fā)動機(jī)和國產(chǎn)CJ1000A發(fā)動機(jī)。這兩款發(fā)動機(jī)都曾在珠海航展上以全尺寸模型形態(tài)亮相。

LEAP-X發(fā)動機(jī)是一款已經(jīng)基本完成研發(fā)的優(yōu)秀大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)。CFM出品的CFM56系列發(fā)動機(jī)幾十年來橫掃全世界。LEAP-X雖仍在孕育，但憑借其“師兄”打下的名頭，雖未正式“出師”，便以先進(jìn)技術(shù)確立自己的“江湖地位”。

2009年12月21日，中法兩國正式簽訂兩國合作文件，決定在中國合作建立一條LEAP-X發(fā)動機(jī)的生產(chǎn)線，并確定該發(fā)動機(jī)也是C919選用的唯一國外啟動動力裝置。

國外引進(jìn)的替代品身手不凡，而國產(chǎn)型號也是身懷絕技。作為C919最重要的配套設(shè)備，大涵道渦扇發(fā)動機(jī)的研制在大飛機(jī)立項之前就已經(jīng)進(jìn)行了深入而詳細(xì)的研究。隨著大飛機(jī)項目的啟動，配套動力CJ1000A隨之正式立項，研制進(jìn)入了快車道。

和國產(chǎn)軍用大渦扇一樣，CJ1000A也是采用國產(chǎn)WS-10“太行”渦扇發(fā)動機(jī)的核心機(jī)。 “太行”在設(shè)計之初大量借鑒CFM56的設(shè)計思想。因此，“太行”核心機(jī)的起點是相當(dāng)高的，采取了寬弦、復(fù)合彎掠葉片和數(shù)字式發(fā)動機(jī)控制技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，因此整體性能較好。具備高效、低油耗、維護(hù)性好等特點。不過，我國有關(guān)部門考慮到我國在相關(guān)領(lǐng)域存在著技術(shù)差距，有關(guān)部門選擇了德國的MTU作為合作伙伴，共同研發(fā)CJ1000A發(fā)動機(jī)。雖然，CJ1000A是由中德兩國傾力打造，但是我國經(jīng)過多次的深刻教訓(xùn)，雖然采取合作方式，不過我國仍堅持采用“太行”核心機(jī)為CJ1000A的核心機(jī)，只是在某些附件方面依仗德國人。這也就從根本上掌握著CJ1000A的研制主動權(quán)。

從珠海航展上公開的模型看，CJ1000A采用了類似LEAP-X的寬弦彎掠式風(fēng)扇葉片技術(shù)、風(fēng)扇葉片總數(shù)為19片。雖然其核心機(jī)仍為“太行”核心機(jī)，不過其涵道比卻顯著增大，約為9左右。這也是目前大飛機(jī)普遍采用的設(shè)計，因此其進(jìn)氣量和推力應(yīng)該優(yōu)于WS-20發(fā)動機(jī)。這也為以后WS-20的改進(jìn)改型提供了堅實的技術(shù)儲備。目前，CJ1000A正在進(jìn)行緊鑼密鼓的研制，有望在2020年左右完成全部研制工作，并配裝在C919飛機(jī)上?！鰁ndprint