俄羅斯PD-14發(fā)動機(jī)項目特點(diǎn)分析

鐘 滔

(中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，成都 601500)

1 引言

近年來，在我國大力發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的C919飛機(jī)的同時，俄羅斯自主研發(fā)的MS-21飛機(jī)也呼之欲出。兩型飛機(jī)皆為中短程民用干線飛機(jī)，其中C919 飛機(jī)選裝美法合資企業(yè)CFM 國際公司研發(fā)的LEAP-1C發(fā)動機(jī)，MS-21飛機(jī)選裝俄羅斯國內(nèi)航空企業(yè)自主研發(fā)的PD-14發(fā)動機(jī)。

PD-14 發(fā)動機(jī)在技術(shù)參數(shù)和性能上與LEAP-1C發(fā)動機(jī)旗鼓相當(dāng)，在設(shè)計理念、結(jié)構(gòu)方案、制造工藝、材料應(yīng)用上體現(xiàn)了俄羅斯現(xiàn)階段在相關(guān)領(lǐng)域的先進(jìn)水平。首先，PD-14 發(fā)動機(jī)是蘇聯(lián)解體后俄羅斯按照先進(jìn)適航標(biāo)準(zhǔn)自主研發(fā)的首款民用渦扇發(fā)動機(jī)；其次，相比于俄羅斯目前唯一的國產(chǎn)第4代大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)PS-90A(實(shí)際為20 世紀(jì)80年代末蘇聯(lián)時期的產(chǎn)品)，PD-14發(fā)動機(jī)的技術(shù)指標(biāo)更高(涵道比高1倍，渦輪前燃?xì)鉁囟雀?00K)，是真正意義上的第5代民用渦扇發(fā)動機(jī)。

目前，俄羅斯在民用飛機(jī)、發(fā)動機(jī)自主研發(fā)道路上已實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)勢復(fù)興，而我國雖然在民用飛機(jī)自主研發(fā)上崛起，但依然未能擺脫歐美發(fā)動機(jī)制約。為此，針對俄羅斯最新自主研發(fā)的PD-14發(fā)動機(jī)，圍繞其研制背景和需求、設(shè)計理念和進(jìn)展、研發(fā)管理和前景進(jìn)行分析，對我國航空發(fā)動機(jī)自主研發(fā)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(zhǔn)了《2002～2010 年及2015 年前俄羅斯民用航空技術(shù)裝備發(fā)展聯(lián)邦專項規(guī)劃》(以下簡稱聯(lián)邦專項規(guī)劃)。聯(lián)邦專項規(guī)劃包含兩個階段任務(wù)：第一階段主要是技術(shù)開發(fā)，為后續(xù)產(chǎn)品開發(fā)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(jī)、中短程干線飛機(jī)和遠(yuǎn)程干線飛機(jī)等新一代俄羅斯國產(chǎn)民用飛機(jī)的研制。其中，新型中短程干線飛機(jī)正是號稱俄羅斯21 世紀(jì)干線飛機(jī)的MS-21。同時，聯(lián)邦專項規(guī)劃還確定了相應(yīng)動力裝置的研制任務(wù)，新型中短程干線飛機(jī)動力裝置的研制時間為2003～2012年，設(shè)計單位通過競標(biāo)形式確定，財政投入135 億盧布(聯(lián)邦預(yù)算60 億盧布，政府預(yù)算外資金75億盧布)[1-2]。

2003年，俄羅斯中短程干線飛機(jī)用先進(jìn)渦扇發(fā)動機(jī)項目開始公開競標(biāo)。最終角逐在兩個發(fā)動機(jī)方案之間展開：一個是俄羅斯彼爾姆航空發(fā)動機(jī)公司研制的代號PS-12 的發(fā)動機(jī)；另一個是由烏克蘭馬達(dá)·西奇發(fā)動機(jī)廠和扎波羅熱·前進(jìn)機(jī)械制造設(shè)計局根據(jù)D-436T3 發(fā)動機(jī)改進(jìn)、計劃由俄烏企業(yè)聯(lián)合制造的AI-436T12發(fā)動機(jī)。

PS-12發(fā)動機(jī)方案的最大優(yōu)勢在于采用全新的核心機(jī)，基于該核心機(jī)可發(fā)展推力78.4～196.0 kN的航空發(fā)動機(jī)系列產(chǎn)品，以及相應(yīng)的工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)和發(fā)電設(shè)備。AI-436T12 發(fā)動機(jī)方案采用現(xiàn)成的D-436T3 發(fā)動機(jī)改進(jìn)核心機(jī)，其突出優(yōu)勢是研制周期短，一旦競標(biāo)成功，一年內(nèi)即可制造完成。最終，PS-12發(fā)動機(jī)以更優(yōu)異的性能以及通用核心機(jī)的巨大衍生潛力在競標(biāo)中獲勝。

與此同時，MS-21飛機(jī)方案幾經(jīng)修改，客容量從最初的140 座調(diào)整到基準(zhǔn)改進(jìn)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(fā)動機(jī)預(yù)設(shè)的117.6 kN 相應(yīng)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(chǎn)品

PD-14 發(fā)動機(jī)項目是基于明確的市場需求、國家需求和企業(yè)需求應(yīng)運(yùn)而生的。就市場而言，PD-14 發(fā)動機(jī)的目標(biāo)是滿足俄羅斯國內(nèi)客容量130～180座中短程民用干線飛機(jī)的動力需求，并與國外同級產(chǎn)品競爭，最終打入國際市場。就國家而言，PD-14 發(fā)動機(jī)的研制能有效刺激俄羅斯工業(yè)和科技發(fā)展，促進(jìn)國家經(jīng)濟(jì)；同時還能在短時間內(nèi)縮小俄羅斯在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)制造領(lǐng)域與歐美先進(jìn)國家的技術(shù)差距，提升國力水平。就企業(yè)而言，俄羅斯對標(biāo)世界主要航空發(fā)動機(jī)企業(yè)對國內(nèi)航空工業(yè)進(jìn)行了改革重組，成立了聯(lián)合航空發(fā)動機(jī)制造集團(tuán)(UEC)；也形成了以俄羅斯技術(shù)國家公司(ROSTEX)為首，統(tǒng)一管理覆蓋俄羅斯主要航空設(shè)計生產(chǎn)能力的五大集團(tuán)——俄羅斯飛機(jī)制造集團(tuán)(UAC)、俄羅斯直升機(jī)公司(RV)、聯(lián)合發(fā)動機(jī)制造集團(tuán)、無線電電子技術(shù)集團(tuán)(KRET)和技術(shù)發(fā)展集團(tuán)(TD)的新發(fā)展格局。在此背景下，PD-14 發(fā)動機(jī)不僅是聯(lián)合航空發(fā)動機(jī)制造集團(tuán)發(fā)展過程中的代表作，也成為檢驗俄羅斯航空工業(yè)改革成效的重要項目之一。

2.2.2 市場導(dǎo)向設(shè)計

PD-14 發(fā)動機(jī)的裝機(jī)對象MS-21 飛機(jī)，是俄羅斯近年來為奪取國內(nèi)外航空市場發(fā)展的重要項目，其競爭機(jī)型主要是空客A320 系列和波音B737 系列。在飛機(jī)研制過程中，MS-21 飛機(jī)方案為適應(yīng)市場需求進(jìn)行了多次調(diào)整，PD-14 發(fā)動機(jī)方案為保證飛發(fā)匹配也進(jìn)行了多次改進(jìn)，如增加低壓壓氣機(jī)增壓級數(shù)量、修改風(fēng)扇直徑等。

2.2.3 儲備奠定基礎(chǔ)

無論是在資金、還是在科研技術(shù)上，充足的投入和儲備為PD-14 發(fā)動機(jī)的順利研制奠定了基礎(chǔ)。首先，聯(lián)邦專項規(guī)劃明確了俄羅斯政府對科技儲備建設(shè)給予政策和經(jīng)濟(jì)支持；其次，俄羅斯航空發(fā)動機(jī)設(shè)計局早在PS-90A 發(fā)動機(jī)首飛前就啟動了下一代航空發(fā)動機(jī)的專項研究。例如，俄羅斯航空發(fā)動機(jī)設(shè)計局聯(lián)合俄羅斯中央航空發(fā)動機(jī)研究院(CIAM)，對下一代發(fā)動機(jī)零部件及其附件方案開展了預(yù)先研究：針對高壓壓氣機(jī)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(jié)構(gòu)的多模塊供油系統(tǒng)研究；開展了單級高壓差渦輪試驗等[5]。

3 設(shè)計理念和研制管理

3.1 設(shè)計理念

PD-14 發(fā)動機(jī)的設(shè)計理念主要有兩點(diǎn)：一是采用通用核心機(jī)設(shè)計；二是大量引進(jìn)新技術(shù)、新材料和新工藝。

首先，PD-14 發(fā)動機(jī)的商業(yè)設(shè)計理念是在高效的通用核心機(jī)基礎(chǔ)上研制完整的發(fā)動機(jī)系列產(chǎn)品，因此PD-14發(fā)動機(jī)不僅是一型5代大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)，還是系列發(fā)動機(jī)的基準(zhǔn)型，見表1。并且通過后續(xù)核心機(jī)推力提高計劃，還將研制推力更大的系列產(chǎn)品，滿足俄羅斯民用飛機(jī)市場的主要動力需求。此外，在PD-14 發(fā)動機(jī)核心機(jī)基礎(chǔ)上，還能發(fā)展功率8～16 MW 的燃?xì)鉁u輪電站和燃?xì)廨斔脱b置，滿足俄羅斯工業(yè)領(lǐng)域燃?xì)鈩恿υO(shè)備的需求。

表1 俄羅斯PD-14系列發(fā)動機(jī)主要參數(shù)Table 1 Parameters of PD-14 engine family

其次，為提高發(fā)動機(jī)性能和運(yùn)行可靠性，降低研制成本，PD-14發(fā)動機(jī)在設(shè)計時采用了大量新技術(shù)、新材料和新工藝。據(jù)統(tǒng)計，針對PD-14 發(fā)動機(jī)共研發(fā)了16種關(guān)鍵技術(shù)和20余種新材料。同時，PD-14發(fā)動機(jī)采用了單元體結(jié)構(gòu)，總計14 個單元體中有7個單元體可在發(fā)動機(jī)在翼條件下更換。與國際上現(xiàn)有的類似發(fā)動機(jī)相比，PD-14 發(fā)動機(jī)的運(yùn)行費(fèi)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(tuán)隊

PD-14發(fā)動機(jī)由俄羅斯聯(lián)合航空發(fā)動機(jī)制造集團(tuán)與俄羅斯數(shù)十家發(fā)動機(jī)研制公司和機(jī)構(gòu)合作研制，如圖1所示，并按三個層級開展工作：

圖1 PD-14發(fā)動機(jī)研制企業(yè)分工Fig.1 Work division of PD-14 research enterprises

(1) 第一層級為設(shè)計和制造牽頭單位，分別由集團(tuán)下屬彼爾姆航空發(fā)動機(jī)公司和彼爾姆發(fā)動機(jī)制造廠負(fù)責(zé)。

(2) 第二層級為研制協(xié)作單位，包括集團(tuán)旗下土星科研生產(chǎn)聯(lián)合體股份公司、烏法發(fā)動機(jī)制造生產(chǎn)聯(lián)合企業(yè)、禮炮燃?xì)鉁u輪科研生產(chǎn)制造中心、馬達(dá)科研生產(chǎn)公司等單位，以及俄羅斯中央航空發(fā)動機(jī)研究院、茹科夫斯基中央航空流體動力學(xué)院、全俄航空材料科技研究院及其他十余家科研機(jī)構(gòu)和組織，分別負(fù)責(zé)PD-14發(fā)動機(jī)項目零部件、附件、系統(tǒng)、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(yīng)商。PD-14發(fā)動機(jī)的大部分配件選用了PS-90A2 發(fā)動機(jī)項目認(rèn)證和使用過的供應(yīng)商。

3.2.2 研制特點(diǎn)

在PD-14 發(fā)動機(jī)項目之前，俄羅斯發(fā)動機(jī)的研制一般由多家設(shè)計單位和一家批生產(chǎn)廠負(fù)責(zé)，各設(shè)計單位就負(fù)責(zé)部分向同一家批生產(chǎn)廠下達(dá)生產(chǎn)任務(wù)。為最大化地節(jié)約時間與成本，提高生產(chǎn)效率，PD-14 發(fā)動機(jī)項目對此進(jìn)行了優(yōu)化：項目由聯(lián)合航空發(fā)動機(jī)制造集團(tuán)旗下多家設(shè)計單位和多家批生產(chǎn)廠參與，設(shè)計和制造的協(xié)作嵌入到產(chǎn)品的各個階段。

PD-14發(fā)動機(jī)項目的另一個特點(diǎn)是首次按照指令規(guī)定的生產(chǎn)成本(生產(chǎn)材料用量和勞動量)來設(shè)計發(fā)動機(jī)，即逆向解決成本控制問題：發(fā)動機(jī)設(shè)計單位確定發(fā)動機(jī)的市場價格，再按照市場價格倒推到單個零部件的生產(chǎn)成本，然后將發(fā)動機(jī)材料用量和價格的極限指標(biāo)作為指令下達(dá)到各參研單位，各參研單位在此基礎(chǔ)上制定出保證規(guī)定指標(biāo)的方案。

PD-14 發(fā)動機(jī)還配套有專門的規(guī)章文件，包含發(fā)動機(jī)制造和維修成本評估、項目IT 支持要求、發(fā)動機(jī)市場綜合推廣計劃及發(fā)動機(jī)售后服務(wù)系統(tǒng)發(fā)展計劃等。

4 項目進(jìn)展和發(fā)展前景

4.1 項目進(jìn)展

在通用核心機(jī)和創(chuàng)新發(fā)展等設(shè)計理念的指導(dǎo)下，同時依托俄羅斯航空工業(yè)改革后資源整合管理的優(yōu)勢，PD-14 發(fā)動機(jī)項目進(jìn)展迅速：2008 年項目正式啟動；2012年4月開始裝配驗證發(fā)動機(jī)；2012年6 月進(jìn)行首臺驗證發(fā)動機(jī)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(rèn)證試驗并取得型號證書；2019年4月首批兩臺發(fā)動機(jī)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(jī)成功完成首飛；2021 年2 月獲得批產(chǎn)許可；2021 年10 月完成俄航空發(fā)動機(jī)制造史上的首次核心機(jī)火山灰試驗。

4.2 發(fā)展前景

PD-14 發(fā)動機(jī)自立項以來，無論是在財政、資源，還是政策、技術(shù)方面都得到了俄羅斯政府以及俄羅斯整個航空工業(yè)的大力投入。隨著項目的不斷推進(jìn)，PD-14發(fā)動機(jī)的發(fā)展前景也備受關(guān)注。

一方面，依靠技術(shù)先進(jìn)性，PD-14發(fā)動機(jī)向世界證明了俄羅斯航空工業(yè)大國的實(shí)力，也將為俄羅斯航空發(fā)動機(jī)開辟更廣闊的國際市場。目前，俄羅斯聯(lián)合航空發(fā)動機(jī)公司已計劃在2024 年將PD-14 發(fā)動機(jī)的年產(chǎn)量提升到50臺，以匹配MS-21飛機(jī)的動力需求。另一方面，依靠技術(shù)獨(dú)立性，PD-14發(fā)動機(jī)將成為歐美制裁下俄羅斯航空工業(yè)進(jìn)口替代計劃的重要支撐[10]。如基于PD-14發(fā)動機(jī)，發(fā)展PD-12V發(fā)動機(jī)以替代烏克蘭D-136發(fā)動機(jī)。

當(dāng)然，世界局勢風(fēng)云變化，2014 年烏克蘭危機(jī)后歐美對俄的輪番制裁給俄羅斯航空工業(yè)帶來了諸多影響，PD-14 發(fā)動機(jī)的未來發(fā)展道路必定充滿挑戰(zhàn)。

5 結(jié)束語

縱觀俄羅斯PD-14發(fā)動機(jī)的發(fā)展歷程，從2008年的正式立項到2021 年的批產(chǎn)取證，十余年間，俄羅斯實(shí)現(xiàn)了大涵道比民用渦扇發(fā)動機(jī)的自主研發(fā)。探其原因，離不開俄羅斯航空工業(yè)深厚的技術(shù)底蘊(yùn)、政府政策的大力支持和行業(yè)資源的優(yōu)勢整合。同時，PD-14發(fā)動機(jī)的發(fā)展歷程也證明，只有堅定不移地走自主研發(fā)道路，把握技術(shù)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。