中小型民用航空發(fā)動機自主研發(fā)路徑探討

■ 寧勇 鄒靖華/ 中國航發(fā)南方

通用航空市場的蓬勃發(fā)展拉動了對中小型民用航空發(fā)動機的需求。長期以來，我國的中小型民用航空發(fā)動機市場幾乎全被國外發(fā)動機制造商所壟斷，產(chǎn)業(yè)發(fā)展也相對滯后，主要體現(xiàn)在民用產(chǎn)品型號少、功率覆蓋范圍窄、價格偏高、可靠性不足等方面。發(fā)展我國的中小型民用航空發(fā)動機，走出一條自主研發(fā)的道路，實現(xiàn)軍民融合式發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)，是我國航空發(fā)動機事業(yè)發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。

中小型民用航空發(fā)動機的特點

中小型航空發(fā)動機一般指5000kW級以下渦軸/渦槳、活塞發(fā)動機及50kN級以下渦扇、渦噴發(fā)動機。與軍用航空發(fā)動機主要以突出作戰(zhàn)性能、滿足戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)為設(shè)計出發(fā)點不同，中小型民用航空發(fā)動機須根據(jù)飛機制造廠商或航空公司的要求進行總體設(shè)計，由民航的專門機構(gòu)進行適航管理，在滿足用戶使用要求的基礎(chǔ)上，更加注重安全性和經(jīng)濟性。因此，中小型民用航空發(fā)動機具有以下特點。

可靠性高、維修性強和壽命長

中小型民用航空發(fā)動機由于其用途廣泛和服役時間長的特點，對可靠性、維修性以及壽命有著十分嚴(yán)格的要求。在中小型民用航空發(fā)動機使用前需要適航管理部門頒發(fā)適航證，取證期間將對發(fā)動機的可靠性、壽命等進行非常嚴(yán)格的考核。

低耗油率、低噪聲、低污染物排放

中小型民用航空發(fā)動機在設(shè)計及制造過程中對發(fā)動機的耗油率、噪聲、污染物排放有著十分嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，伴隨技術(shù)的進步和環(huán)境保護的需求，這些標(biāo)準(zhǔn)也在不斷提高。

市場競爭激烈、風(fēng)險大

中小型民用航空發(fā)動機的技術(shù)、資金和產(chǎn)業(yè)門檻都較高，目前能引領(lǐng)技術(shù)和商業(yè)優(yōu)勢的只有西方國家的幾家公司，這些公司在中小型民用航空發(fā)動機市場的份額占90%以上。這些行業(yè)巨頭依靠規(guī)?；l(fā)展、技術(shù)創(chuàng)新和管理創(chuàng)新，呈現(xiàn)強者更強的趨勢。新進入者面臨較高的行業(yè)壁壘和障礙，需要投入的資金巨大，如果不能獲得市場份額，將面臨極大的經(jīng)營和投資風(fēng)險。

中小型民用航空發(fā)動機的發(fā)展現(xiàn)狀

通航產(chǎn)業(yè)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)形成了龐大的市場規(guī)模，通航機群主要分布在美國、加拿大、歐洲等發(fā)達國家和地區(qū)。在這樣的需求牽引下，世界中小型民用航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展非常迅速，發(fā)動機制造商均投入了大量的資源以確保其技術(shù)的領(lǐng)先和市場份額的鞏固與擴張。目前，在中小型民用航空發(fā)動機市場領(lǐng)域，競爭非常激烈，基本形成了幾家企業(yè)壟斷的態(tài)勢。中小型民用航空發(fā)動機的主要生產(chǎn)商及產(chǎn)品如表1所示。

中小型民用航空發(fā)動機經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)有了成熟的技術(shù)體系和豐富的產(chǎn)品體系，發(fā)展的路徑主要有自主研制、改進改型和衍生發(fā)展。其中，法國賽峰直升機發(fā)動機公司先后自主研制了阿赫尤（Arrius）系列、阿赫耶（Arriel）系列、TM333系列、阿蒂丹（Ardiden）系列和馬基拉（Makila）系列發(fā)動機，功率覆蓋范圍為350～1600kW，實現(xiàn)了產(chǎn)品的譜系化發(fā)展；普惠加拿大公司的PW100系列發(fā)動機，是在PW100發(fā)動機的基礎(chǔ)上，進行了結(jié)構(gòu)改進和功率改進，形成了PW115、PW120、PW127、PW150等發(fā)動機，極大地滿足了多款運輸機和公務(wù)機的動力需求，同時，普惠加拿大公司在PT6B型渦軸發(fā)動機的基礎(chǔ)上成功研制出PT6A型系列渦槳發(fā)動機；霍尼韋爾公司則在T53發(fā)動機核心機的基礎(chǔ)上，成功衍生出T55、LTS101型系列發(fā)動機，并取得了巨大的市場成功。

表1 中小型民用航空發(fā)動機主要生產(chǎn)商及產(chǎn)品

我國引進和自行設(shè)計研制了活塞、渦軸、渦槳等多種型號的中小型民用航空發(fā)動機。其中，中國航發(fā)南方的渦槳6（WJ6）發(fā)動機是我國唯一同時取得了民航型號合格證（1994年）和生產(chǎn)許可證（1996年）的渦槳發(fā)動機，曾有28臺在中國郵政航空公司使用。裝配4臺WJ6發(fā)動機的大型水陸兩棲飛機——“鯤龍”AG600于2017年12月陸上首飛成功，2018年10月水上首飛成功。WZ8A/D發(fā)動機則是我國目前唯一同時取得民航型號合格證和生產(chǎn)許可證的渦軸發(fā)動機，另外HS6K活塞發(fā)動機也取得了民航適航證(TC證)，WJ9取得了生產(chǎn)許可證(PC證)。

自主研發(fā)的難點

研發(fā)體系

我國在引進的基礎(chǔ)上研發(fā)了活塞、渦軸、渦槳等相關(guān)型號的民用航空發(fā)動機，但沒有一型發(fā)動機完成了部件研究—核心機研制—驗證機研制—型號研制—使用發(fā)展的全過程，自主研制還處于起步階段，尚未建立起完整的民機研制和生產(chǎn)體系。在設(shè)計能力、人才隊伍、產(chǎn)業(yè)鏈配套沒有跟上的情況下，研發(fā)體系的建立難度大。

適航取證

目前我國的適航研究未能貫穿民用航空發(fā)動機的設(shè)計、制造、試驗、使用、維修等各個環(huán)節(jié)，導(dǎo)致前期研發(fā)的民用航空發(fā)動機無法全面滿足現(xiàn)行適航法規(guī)的要求，同時也難以為以后的民用航空發(fā)動機研發(fā)提供必要的指導(dǎo)。一直以來，國內(nèi)的適航標(biāo)準(zhǔn)都是參照國外的適航法規(guī)制定，沒有形成符合國內(nèi)工業(yè)實際水平的適航標(biāo)準(zhǔn)，部分現(xiàn)有規(guī)章要求高于實際工業(yè)水平，型號的研制水平滯后于新適航法規(guī)的要求，難以通過適航認證。

高可靠性、低成本設(shè)計制造技術(shù)

中小型民用航空發(fā)動機在結(jié)構(gòu)上普遍采用單元體設(shè)計，在減少零部件數(shù)量和減輕質(zhì)量的同時，延長了部件的壽命，從而提高了發(fā)動機的可靠性和維修性，降低了全生命周期費用。目前，我國中小型民用航空發(fā)動機總體設(shè)計能力比較薄弱，制造技術(shù)難以滿足高可靠性的要求。

中小型民用航空發(fā)動機的低成本模式是在通用航空市場賴以生存的手段之一，這對航空發(fā)動機的選材、設(shè)計和制造提出了新的要求。目前，我國民用航空發(fā)動機研制在低成本制造技術(shù)方面的研究意識不強，基礎(chǔ)薄弱，無論是在材料和成形工藝的選擇，還是在結(jié)構(gòu)件的設(shè)計，結(jié)構(gòu)連接形式的選取方面，抑或是在輔助軟件的應(yīng)用和制造模具的選擇等方面，研究重視程度不夠，知識積累偏弱，導(dǎo)致研制的民用航空發(fā)動機價格難以滿足客戶預(yù)期要求。

自主研發(fā)的路徑

通過分析中小型民用航空發(fā)動機的特點、發(fā)展的現(xiàn)狀以及自主研發(fā)的難點，筆者認為，可考慮以下路徑實現(xiàn)中小型民用航空發(fā)動機的自主研發(fā)。

構(gòu)建研發(fā)體系

加強預(yù)先研究，將市場需求牽引與技術(shù)推動有機結(jié)合，建立完整的研發(fā)管理制度，形成先進的民用航空發(fā)動機研發(fā)文化，創(chuàng)造有效的技術(shù)創(chuàng)新機制，建立完備的“探索一代、預(yù)研一代、研制一代、生產(chǎn)一代和保障一代”的型號格局，最終建成完整的民用航空發(fā)動機研發(fā)體系。對于企業(yè)而言，可通過構(gòu)建研發(fā)體系標(biāo)準(zhǔn)框架來逐步實現(xiàn)自主研發(fā)體系的建立。

研發(fā)體系企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系框架

提升可靠性設(shè)計與制造水平

以問題為導(dǎo)向，針對部分技術(shù)成熟度低、選材難、仿真協(xié)同平臺不完善、試驗條件欠缺和制造能力水平不高等制約民用航空發(fā)動機研制能力的突出方面，開展專項技術(shù)提升工作，提升技術(shù)成熟度，系統(tǒng)解決技術(shù)短板；結(jié)合專項基礎(chǔ)研究，開展材料工程化應(yīng)用研究；加強仿真計算分析軟件自主研發(fā)、商用軟件二次開發(fā)以及設(shè)計制造協(xié)同平臺的建設(shè)；充分利用國內(nèi)外資源，利用國家共享科研試驗平臺，為型號研制、預(yù)先研究和基礎(chǔ)研究提供條件保障；聯(lián)合產(chǎn)業(yè)鏈上游供應(yīng)商和同行共同開展制造技術(shù)攻關(guān)，引入國內(nèi)外先進標(biāo)準(zhǔn)，完善相關(guān)檢測、試驗與驗證手段，提高零部件制造符合性，提升產(chǎn)品可靠性。

大力打造低成本設(shè)計制造理念

中小型民用航空發(fā)動機要得到市場的認可，首先要面對的就是國外同類產(chǎn)品的價格競爭，研發(fā)有市場價格競爭力的產(chǎn)品也是實現(xiàn)中小型民用航空發(fā)動機研制成功的關(guān)鍵。因此，在研發(fā)制造的各個環(huán)節(jié)，都需要引入低成本的理念，在滿足性能要求的前提下，盡可能地降低產(chǎn)品的成本。例如，綜合考慮質(zhì)量、性能等因素，基于適應(yīng)材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造技術(shù)，合理確定研發(fā)制造的材料體系，逐步建立低成本材料選取數(shù)據(jù)庫；建立工藝研究中心和試制中心，不斷開展低成本工藝研究，有效降低產(chǎn)品的最終成本；加強仿真技術(shù)研究，不斷開展結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計，提升整體化設(shè)計能力，減少零件、緊固件和模具的數(shù)量；提升數(shù)字化設(shè)計制造能力，為產(chǎn)品低成本設(shè)計制造流程提供支撐及依據(jù)；加強對制造模具選型的研究。

建立適航取證的分析及驗證手段

基于適航條款要求，以航空發(fā)動機取證為目標(biāo)，深入開展符合性設(shè)計與驗證研究；依托預(yù)研和產(chǎn)品型號平臺，積極開展適航驗證技術(shù)研究，探索虛擬仿真驗證，形成取證所需的驗證能力，提高適航符合性技術(shù)成熟度。

加強與國家適航管理部門的溝通，推動適合國內(nèi)適航法規(guī)的制定和修訂；緊密聯(lián)合國內(nèi)科研院所，開展適航驗證條例研究，突破國外企業(yè)、機構(gòu)對關(guān)鍵適航試驗驗證技術(shù)的壟斷，從制造層面著實提升民用航空產(chǎn)品適航驗證能力，加大民用航空發(fā)動機在制造過程的適航符合性，加快民用航空發(fā)動機適航取證進度，降低取證難度和成本。

結(jié)束語

我國中小型民用航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)發(fā)展當(dāng)前尚處于起步階段，考慮我國今后對中小型民用航空發(fā)動機市場需求及技術(shù)進步的現(xiàn)實，進行自主研發(fā)是必由之路。重視基礎(chǔ)體系建設(shè)、建立自主研發(fā)體系、提升可靠性設(shè)計與制造水平、大力發(fā)展低成本設(shè)計制造理念以及建立適航取證的分析及驗證手段是現(xiàn)實自主研發(fā)的可行路徑。