自由工廠
——羅·羅公司的研發(fā)創(chuàng)新基石

曾海霞，王巍巍

(中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，成都 610500)

1 引言

羅爾斯羅伊斯公司(簡稱羅·羅公司)是世界三大航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司之一，能在眾多企業(yè)中立于不敗之地，主要是因?yàn)槠鋼碛袕?qiáng)大的創(chuàng)新研發(fā)能力。該公司一直致力于技術(shù)和產(chǎn)品的創(chuàng)新，并通過廣泛參與各項(xiàng)發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)研計(jì)劃，如革命性的時(shí)敏目標(biāo)遠(yuǎn)程打擊(RATTLRS)計(jì)劃、自適應(yīng)多用途發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)(AD?VENT)計(jì)劃、綜合高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)(IHPTET)計(jì)劃等，不斷注入創(chuàng)新理念，發(fā)展創(chuàng)新技術(shù)。羅·羅公司的創(chuàng)新研發(fā)能力主要來自于其創(chuàng)新研發(fā)中心——自由工廠(LibertyWorksTM，又稱自由工作團(tuán)隊(duì))，該工廠是羅·羅公司的一個(gè)主要?jiǎng)?chuàng)新研發(fā)團(tuán)隊(duì)，提出過很多創(chuàng)新理念，參與了許多新產(chǎn)品的研發(fā)和預(yù)研計(jì)劃。下文從建立背景、參與的研發(fā)項(xiàng)目和取得的創(chuàng)新成就等方面對自由工廠進(jìn)行探究與剖析。

2 自由工廠

具有敏捷、創(chuàng)新、快速響應(yīng)能力的自由工廠創(chuàng)建于2005年8月，是羅·羅公司旗下一個(gè)研發(fā)業(yè)績非常突出的子公司，正式名稱為羅爾斯羅伊斯北美技術(shù)公司。其與洛克希德馬丁公司的“臭鼬”工作組、波音公司的“幻影”工作組業(yè)務(wù)性質(zhì)有些相似。

2.1 成立背景

上世紀(jì)90年代，羅·羅公司為加強(qiáng)其在世界航空發(fā)動(dòng)機(jī)市場上的競爭力，開始了全球并購活動(dòng)。1993年羅·羅公司就試圖收購美國艾利遜發(fā)動(dòng)機(jī)公司，但直到1995年才得以收購成功[1-4]。這次收購不僅使羅·羅公司鞏固了其在世界航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的地位，也使其在北美市場上具有了更強(qiáng)的實(shí)力。為有效利用這一優(yōu)勢，羅·羅公司在美國成立了羅·羅北美公司[5]，將收購的美國艾利遜發(fā)動(dòng)機(jī)公司納入旗下，并建立了艾利遜先進(jìn)技術(shù)開發(fā)公司(AADC)來接手管理美國涉及尖端技術(shù)的機(jī)密項(xiàng)目。羅·羅北美公司組建后，為了更好地激發(fā)公司的創(chuàng)新潛力，孵化出更多的創(chuàng)新技術(shù)，決定在其成立的AADC基礎(chǔ)上創(chuàng)建自由工廠。圖1示出了自由工廠及其母公司羅·羅北美公司在羅·羅公司整個(gè)集團(tuán)組織架構(gòu)中的定位。

圖1 羅·羅公司組織架構(gòu)圖Fig.1 Organization structure of Rolls-Royce

自由工廠的建立，不但鞏固了羅·羅公司在美國航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的地位，而且使得羅·羅公司的產(chǎn)品譜系更加全面。因?yàn)樽杂晒S的前身AADC當(dāng)時(shí)正在生產(chǎn)的產(chǎn)品既有功率3 374 kW的AE2100渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)，也有推力2 890～4 000 daN的AE3007渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，還有功率4 520 kW的AE1107渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)[4]。此外，AADC還參與了一些先進(jìn)軍用燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的研究、驗(yàn)證和開發(fā)項(xiàng)目，使得羅·羅公司在美國的業(yè)務(wù)范圍更加廣泛。

2.2 發(fā)展歷程

自由工廠成立后，AADC的研發(fā)工作全部轉(zhuǎn)到自由工廠。在羅·羅公司創(chuàng)新理念的驅(qū)動(dòng)下，自由工廠把繼承過來的AADC原有項(xiàng)目進(jìn)一步深度開發(fā)。其中比較典型的是升力風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的研發(fā)，采用該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)已在F-35飛機(jī)上完成了短距起飛和垂直降落。

除此之外，自由工廠還把更多的精力放在新技術(shù)和新產(chǎn)品的創(chuàng)新研發(fā)上。2014年，自由工廠成功研發(fā)出YJ102R渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)性能突出，無需采用加力燃燒室就能實(shí)現(xiàn)馬赫數(shù)3.0以上的超聲速飛行，展示了自由工廠在高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)研制方面的創(chuàng)新能力。

鑒于自由工廠強(qiáng)大的創(chuàng)新潛力，羅·羅公司把高馬赫數(shù)推進(jìn)系統(tǒng)研發(fā)中心定在了自由工廠，研發(fā)重點(diǎn)放在馬赫數(shù)5.0以上的高超聲速飛行器用動(dòng)力裝置上，其中包括研發(fā)高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)。自由工廠擬從高速渦輪基入手，研發(fā)渦輪基組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)(TBCC)的低速段動(dòng)力。

3 主要成就

自由工廠借助羅·羅公司的寬廣資源，其研發(fā)創(chuàng)新范圍更加廣泛，在軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)創(chuàng)新技術(shù)研發(fā)上成績斐然。在過去十多年中，自由工廠為其參與的多項(xiàng)高性能軍用發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研發(fā)計(jì)劃提供了多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，體現(xiàn)了目前燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的最高水平。如為RATTLRS計(jì)劃提供的YJ102R高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上使用的Lamilloy技術(shù)，為ADVENT計(jì)劃提供的自適應(yīng)風(fēng)扇技術(shù)等。

3.1 Lamilloy技術(shù)[6]

Lamilloy技術(shù)是自由工廠開發(fā)的一種新型冷卻方案，其冷卻結(jié)構(gòu)見圖2。它是層板冷卻制造技術(shù)、精密鑄造技術(shù)和材料技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，具有強(qiáng)化對流、沖擊及氣膜冷卻的綜合效果，是自由工廠的標(biāo)志性技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)的研究始于20世紀(jì)60年代，在艾利遜公司時(shí)期就對Lamilloy的冷卻特性、設(shè)計(jì)和制造工藝以及使用壽命進(jìn)行了詳細(xì)的研究[7]。自由工廠成立后加強(qiáng)了該技術(shù)的工程應(yīng)用探索，并隨著不斷發(fā)展驗(yàn)證，Lamilloy技術(shù)不斷完善，冷卻效果也更加顯著，最終在YJ102R發(fā)動(dòng)機(jī)(圖3)上得到了成功應(yīng)用。

圖2 典型的Lamilloy冷卻結(jié)構(gòu)[8]Fig.2 Typical Lamilloy cooling structure

圖3 YJ102R發(fā)動(dòng)機(jī)Fig.3 YJ102R engine

YJ102R發(fā)動(dòng)機(jī)是自由工廠在美國海軍研究辦公室資助下，為臭鼬工廠提供的一種全新研制的高性能發(fā)動(dòng)機(jī)，它是RATTLRS計(jì)劃驗(yàn)證機(jī)的動(dòng)力裝置，其單位推力是J58發(fā)動(dòng)機(jī)的6倍。YJ102R發(fā)動(dòng)機(jī)的核心機(jī)非常先進(jìn)，熱力循環(huán)參數(shù)已達(dá)到很高水平，是目前單位推力非常高的發(fā)動(dòng)機(jī)之一。YJ102R發(fā)動(dòng)機(jī)之所以有如此高的推力，主要原因之一是其采用了Lamilloy多孔層狀合金，可以吹入來自壓氣機(jī)的高壓空氣，為燃燒室和渦輪部件提供蒸發(fā)式冷卻[9-12]。

3.2 自適應(yīng)風(fēng)扇技術(shù)

自適應(yīng)風(fēng)扇技術(shù)是自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，它是利用第三涵道來改變發(fā)動(dòng)機(jī)的涵道比。三涵道是除傳統(tǒng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的核心機(jī)涵道和低壓外涵道之外，在外圈增加的可開合的第二外涵(圖4)。低馬赫數(shù)時(shí)，第三涵道打開，增大發(fā)動(dòng)機(jī)的涵道比，并大幅度提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)效率。超聲速下需要更高的單位推力時(shí)，第三涵道的氣流將流過核心機(jī)，以提高排氣速度。在特殊需求狀態(tài)下，第三涵道的氣流可用于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻。

圖4 美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室展出的ADVENT三涵道設(shè)計(jì)Fig.4 Three-stream design in ADVENT program presented by AFRL

自適應(yīng)風(fēng)扇技術(shù)通過風(fēng)扇流量的變化來改變涵道比，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的可變循環(huán)特性，該項(xiàng)技術(shù)是ADVENT計(jì)劃研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。在獲得AD?VENT計(jì)劃合同后，自由工廠就著力進(jìn)行自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的初始設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)與分析、風(fēng)險(xiǎn)降低研究及關(guān)鍵部件試驗(yàn)，包括全環(huán)燃燒室試驗(yàn)、陶瓷基復(fù)合材料部件研究與試驗(yàn)等，并完成一臺(tái)核心機(jī)的試驗(yàn)驗(yàn)證[13]。由于其承擔(dān)的自適應(yīng)通用發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)驗(yàn)證機(jī)計(jì)劃工作達(dá)到了主要的里程碑要求，自由工廠再次被美國空軍選中進(jìn)行ADVENT計(jì)劃第二階段的研發(fā)工作。2010年底，自由工廠開始在美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室(AFRL)的風(fēng)扇試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行自適應(yīng)風(fēng)扇試驗(yàn)，到2012年6月結(jié)束時(shí)共完成250 h的風(fēng)扇工作性能試驗(yàn)和其他試驗(yàn)[14]。截止到2015年，自適應(yīng)風(fēng)扇技術(shù)的試驗(yàn)驗(yàn)證工作基本完成。

3.3 超高壓比技術(shù)

超高壓比技術(shù)源自高效嵌入式渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)(HEETE)計(jì)劃。該計(jì)劃是為滿足未來中/高空情報(bào)、監(jiān)視和偵察(ISR)平臺(tái)無人作戰(zhàn)飛機(jī)和運(yùn)輸機(jī)的超長耐久性和航程需求，開發(fā)和驗(yàn)證推力為8 900～15 575 daN的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。2007年，自由工廠從AFRL獲得HEETE計(jì)劃合同并進(jìn)行了相關(guān)研究，其關(guān)注重點(diǎn)是超高壓比壓氣機(jī)技術(shù)及其相關(guān)熱管理特性，目標(biāo)是使空軍無人機(jī)的航程延長30%或負(fù)載和燃油載荷增大50%，巡航時(shí)間延長90%；使海軍作戰(zhàn)無人機(jī)的航程和巡航時(shí)間分別延長1倍[15-16]。

為達(dá)到HEETE計(jì)劃中相對基準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率降低25%的目標(biāo)，自由工廠極大地提高了壓氣機(jī)的級壓比，至少比2000年技術(shù)水平發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)的提高了230%。2010年，超高壓比壓氣機(jī)完成第一階段的臺(tái)架試車；2013年，超高壓比壓氣機(jī)完成了試驗(yàn)驗(yàn)證，成功驗(yàn)證了超高壓比的性能和部件溫度的管理。圖5為HEETE計(jì)劃的壓氣機(jī)試驗(yàn)件。

圖5 自由工廠參與的HEETE壓氣機(jī)試驗(yàn)件Fig.5 HEETE compressor test rig which LibertyWorks was participated

提高壓比也就意味著增加溫度。據(jù)悉，與2009年技術(shù)水平的發(fā)動(dòng)機(jī)相比，HEETE計(jì)劃核心機(jī)所承受的溫度要高出163℃[15]。為此，自由工廠研發(fā)了一款對空氣進(jìn)行冷卻、結(jié)構(gòu)緊湊的輕質(zhì)量熱交換器，用以冷卻壓氣機(jī)葉片和葉盤。

4 經(jīng)驗(yàn)與啟示

自由工廠盡管只是羅·羅公司龐大組織架構(gòu)中很小的一個(gè)組織，但卻是羅·羅公司強(qiáng)大航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的重要神經(jīng)系統(tǒng)，參與了許多重要的航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)項(xiàng)目，使羅·羅公司在國際航空發(fā)動(dòng)機(jī)市場保持著強(qiáng)有力的競爭力，為羅·羅公司的發(fā)展做出了突出貢獻(xiàn)。

通過對自由工廠的剖析可以發(fā)現(xiàn)：一是自由工廠的組建進(jìn)一步完善了羅·羅公司的發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品譜系。除羅·羅公司原本就在大型航空發(fā)動(dòng)機(jī)方面具有的突出優(yōu)勢外，自由工廠組建后加強(qiáng)了其在渦軸、渦槳和中小型渦噴/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)方面的競爭力。二是自由工廠通過負(fù)責(zé)或參與羅·羅公司承擔(dān)的大部分軍用發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)研項(xiàng)目，且大多是先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)研或新技術(shù)驗(yàn)證項(xiàng)目，獲得了大量的新技術(shù)，積累了豐富的工程技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，已成為羅·羅公司發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)技術(shù)的重要試驗(yàn)和研發(fā)基地。三是羅·羅公司通過組織架構(gòu)整合與并購運(yùn)作，借助自由工廠成功打入美國航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)領(lǐng)域，深度介入美國開展的各種軍用發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)研項(xiàng)目，并與美國兩大航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司GE和普惠展開發(fā)動(dòng)機(jī)業(yè)務(wù)競爭或合作，融入到了區(qū)域行業(yè)領(lǐng)域。羅·羅公司通過自由工廠前身AADC在美國本土千絲萬縷的關(guān)系及自身的技術(shù)實(shí)力，成功地在美國空軍和海軍的研發(fā)計(jì)劃中分得一杯羹。目前，我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制在創(chuàng)新力不足、競爭力小、技術(shù)封鎖等問題上存在的問題，可參考和借鑒羅·羅公司組建自由工廠的成功經(jīng)驗(yàn)。