國之重器 航空發(fā)動(dòng)機(jī)加速發(fā)展

文/ 弓升（中國航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所）

中國航發(fā)的新型電動(dòng)機(jī)新產(chǎn)品

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是一種高度復(fù)雜、精密的機(jī)械，對世界政治、軍事和經(jīng)濟(jì)大國具有非同一般的戰(zhàn)略意義，其技術(shù)發(fā)展依賴于長期的投入與技術(shù)積累。以歐美為代表的西方航空發(fā)達(dá)國家在全球航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)中始終處于領(lǐng)先地位和主導(dǎo)優(yōu)勢，隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)呈現(xiàn)日益加速發(fā)展的趨勢，如何加快航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展成為我國面臨的關(guān)鍵問題。

規(guī)劃引領(lǐng)，科學(xué)布局

在當(dāng)前我國經(jīng)濟(jì)和科技取得矚目成績的同時(shí)，加快航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展就需要始終沿著正確發(fā)展方向，明確未來發(fā)展策略和重點(diǎn)，建立以需求為牽引，具有自主創(chuàng)新、科學(xué)發(fā)展和兼具靈活的中國特色發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展模式。這就需要花大力氣深入研究未來發(fā)動(dòng)機(jī)在不同應(yīng)用領(lǐng)域現(xiàn)實(shí)以及潛在的需求，制定一個(gè)全面、科學(xué)、系統(tǒng)的中長期發(fā)展規(guī)劃，合理安排產(chǎn)品研發(fā)，布局未來先進(jìn)技術(shù)，并且完善制度以保障規(guī)劃的落地執(zhí)行。

良好的規(guī)劃是國外航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展屢獲成功的一個(gè)重要原因。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是一種高度復(fù)雜、精密的機(jī)械

GE航空集團(tuán)在充分考慮其發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品相對于競爭對手的技術(shù)優(yōu)勢如推力范圍、燃油效率、使用壽命、可靠性和維護(hù)成本之后，制定了目標(biāo)明確的發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展規(guī)劃和發(fā)展策略。寬體客機(jī)動(dòng)力領(lǐng)域依靠GE9X穩(wěn)固市場；通過與斯奈克瑪成立的CFM公司繼續(xù)推出LEAP系列發(fā)動(dòng)機(jī)，牢牢占據(jù)窄體客機(jī)；通過Passport發(fā)動(dòng)機(jī)替代CF34，占據(jù)公務(wù)機(jī)及支線客機(jī)市場；通過與本田合作發(fā)展HF120、HF118發(fā)動(dòng)機(jī)向小型公務(wù)機(jī)市場延伸。

普惠公司在V2500逐步退出窄體客機(jī)的市場之前，清晰認(rèn)識(shí)到自身的目標(biāo)和定位，堅(jiān)持?jǐn)?shù)十年持續(xù)投資齒輪傳動(dòng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，才有了目前的PW1000G齒輪傳動(dòng)系列的市場成功；并且以此為基礎(chǔ)發(fā)展了PW800發(fā)動(dòng)機(jī)，替補(bǔ)在70kN推力級別空白，具備130kN以下推力級全系列產(chǎn)品能力，并逐步向更大推力級延伸，進(jìn)而爭奪PW4000發(fā)動(dòng)機(jī)留下的市場。

羅羅公司則是一邊發(fā)展珍珠系列發(fā)動(dòng)機(jī)保證BR700系列市場份額，一邊不斷推動(dòng)UtralFan的開發(fā)，在穩(wěn)固寬體客機(jī)市場同時(shí)，向下進(jìn)入窄體客機(jī)市場。

上世紀(jì)30年代，尼奧姆-羅納公司K系列航空發(fā)動(dòng)機(jī)

堅(jiān)持預(yù)研，夯實(shí)技術(shù)儲(chǔ)備

預(yù)先研究是保持技術(shù)引領(lǐng)的關(guān)鍵。國外航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展，離不開大量的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究?；A(chǔ)研究在對先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的新概念、新理論、新技術(shù)和新結(jié)構(gòu)探索的同時(shí)，通過對設(shè)計(jì)、材料、工藝、冶金的基礎(chǔ)原理深入研究，以其形成的方法、模型、標(biāo)準(zhǔn)、工具、數(shù)據(jù)庫，不斷支撐航空發(fā)動(dòng)機(jī)自主研發(fā)。

應(yīng)用研究則更接近于工程使用條件，通過部件、系統(tǒng)以及核心機(jī)、整機(jī)等不同層級的驗(yàn)證，不斷提升技術(shù)成熟度，將經(jīng)過驗(yàn)證的技術(shù)逐步應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)，為發(fā)動(dòng)機(jī)研制及其系列化發(fā)展提供技術(shù)支持。提前開展基礎(chǔ)技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)預(yù)先研究，對航空發(fā)動(dòng)機(jī)這一研制難度大、研制周期長的航空產(chǎn)品來說至關(guān)重要，是推動(dòng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)快速發(fā)展的必要條件。

預(yù)先研究對經(jīng)費(fèi)投入需求大，并且需要持續(xù)投入。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國政府每年在航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)領(lǐng)域投入的經(jīng)費(fèi)就達(dá)30億美元左右，這還不包括型號(hào)采辦和改進(jìn)改型所產(chǎn)生的費(fèi)用。

美、英、法等國家一直按照“預(yù)研先行”的思想，通過國家長期、穩(wěn)定的大力支持和投入，實(shí)施了多項(xiàng)與具體型號(hào)或產(chǎn)品完全脫鉤的中長期研究計(jì)劃，如IHPTET、VAATE、ACME、AMET等。這些計(jì)劃一方面為發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品研制提供了充足的技術(shù)儲(chǔ)備，降低了工程研制的風(fēng)險(xiǎn)，縮短了研制周期；另一方面通過大量先進(jìn)技術(shù)布局，引領(lǐng)技術(shù)發(fā)展方向，也為未來更先進(jìn)產(chǎn)品的發(fā)展提供支撐。

GE除了利用國家研究計(jì)劃資金開展預(yù)先研究外，每年還將收入的10%～15%用于先進(jìn)技術(shù)的研發(fā)。隨著公司的不斷發(fā)展，研發(fā)資金的投入也在逐年增長。羅羅公司每年研發(fā)領(lǐng)域總投入超過9億英鎊，其中航空業(yè)務(wù)占其75%。

預(yù)先研究是保持技術(shù)引領(lǐng)的關(guān)鍵

重視研發(fā)體系建設(shè)

產(chǎn)品研發(fā)體系是航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的基礎(chǔ)，也是縮短發(fā)動(dòng)機(jī)研制周期，降低研制成本和研制風(fēng)險(xiǎn)的有力保證。這個(gè)體系主要包含三個(gè)方面的內(nèi)容。

一是科學(xué)規(guī)范的流程。流程是業(yè)務(wù)活動(dòng)的具體步驟、組織團(tuán)隊(duì)、角色及職責(zé)、質(zhì)量管控等內(nèi)容；是實(shí)際業(yè)務(wù)過程中成功經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，并且承載了內(nèi)外部各類規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)要求，可以視為成功可復(fù)制的載體。

20世紀(jì)80代，GE就開始使用結(jié)構(gòu)化的發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品研發(fā)流程，即新產(chǎn)品引入（NPI）流程。該流程綜合考慮了人、財(cái)、物及其相互關(guān)系和產(chǎn)品的全壽命周期，涵蓋新產(chǎn)品引入所需的所有活動(dòng)，包括開發(fā)產(chǎn)品的團(tuán)隊(duì)構(gòu)架、成員職責(zé)、需求論證、供應(yīng)商管理、產(chǎn)品研發(fā)、適航認(rèn)證、客戶支持等；并且將研發(fā)活動(dòng)有邏輯地分解成10個(gè)階段的工作，在每個(gè)階段均定義了相應(yīng)的交付物和檢查清單，并安排了相應(yīng)的評審，對評審的形式、內(nèi)容、檢查清單、風(fēng)險(xiǎn)分析及規(guī)避計(jì)劃等都給出了詳細(xì)的定義和標(biāo)準(zhǔn)模板。

中國航展上的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)

二是方法、工具和數(shù)據(jù)庫。方法、工具和數(shù)據(jù)庫是通過大量的基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究和工程實(shí)踐總結(jié)形成的，是支撐規(guī)劃、技術(shù)開發(fā)、產(chǎn)品開發(fā)以及維護(hù)保障等各階段業(yè)務(wù)活動(dòng)開展的根本。在數(shù)字化技術(shù)發(fā)展迅速的今天，數(shù)據(jù)成為最為寶貴的生產(chǎn)力。這些經(jīng)過驗(yàn)證和校核的數(shù)學(xué)模型，以及技術(shù)、管理領(lǐng)域的數(shù)據(jù)，是支撐“數(shù)字孿生”發(fā)動(dòng)機(jī)的核心。

三是數(shù)字化系統(tǒng)。數(shù)字化系統(tǒng)主要作用是保證流程高效執(zhí)行，以及產(chǎn)品研發(fā)體系與技術(shù)研究、產(chǎn)品研發(fā)活動(dòng)各流程之間的系統(tǒng)銜接，支撐設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)等不同領(lǐng)域之間的高效協(xié)同。

據(jù)了解，羅羅設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和程序分類，系統(tǒng)管理，如聯(lián)合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（與我國的航標(biāo)或國軍標(biāo)有些相似，是相對通用的標(biāo)準(zhǔn)）、聯(lián)合工程標(biāo)準(zhǔn)（內(nèi)容更廣泛，除了設(shè)計(jì)外，還包括加工方法、過程甚至檢驗(yàn)要求等）、聯(lián)合定義通報(bào)（主要對設(shè)計(jì)過程進(jìn)行定義、規(guī)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(chuàng)建實(shí)體的具體規(guī)定、技術(shù)報(bào)告編寫要求等關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)化方面的相關(guān)要求）、設(shè)計(jì)規(guī)則和幫助（按專業(yè)分類，描述一般的設(shè)計(jì)規(guī)則，包含了不少經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，比如不同材料的結(jié)構(gòu)件安裝邊距等）、合理過程規(guī)范（關(guān)于加工工藝及材料方面的規(guī)范）、具體型號(hào)應(yīng)執(zhí)行的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，等等。

設(shè)計(jì)者可以通過設(shè)計(jì)系統(tǒng)方便地查找所需要的設(shè)計(jì)規(guī)范、準(zhǔn)則、標(biāo)準(zhǔn)，并且通過產(chǎn)品研發(fā)，不斷總結(jié)、充實(shí)和完善相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，延續(xù)發(fā)展。當(dāng)然這僅是數(shù)字化系統(tǒng)的“冰山一角”。完整的數(shù)字化系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)研發(fā)活動(dòng)全面管理，并且對每一研發(fā)環(huán)節(jié)給出具體的指導(dǎo)和規(guī)范，精準(zhǔn)推送歷史經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)數(shù)據(jù)，支撐設(shè)計(jì)者快速設(shè)計(jì)與決策；同時(shí)能夠高效地開展專業(yè)間的協(xié)調(diào)開發(fā)、信息共享及數(shù)據(jù)管理。

國外航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展，離不開大量的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究

科技創(chuàng)新，低成本快速發(fā)展

國外先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造商在追求技術(shù)領(lǐng)先的同時(shí)，積極探索并不斷推動(dòng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)與物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、數(shù)字孿生、虛擬仿真以及智能制造等先進(jìn)科技的融合，依托當(dāng)今前沿科技推動(dòng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)快速發(fā)展，進(jìn)而保持其產(chǎn)品和技術(shù)引領(lǐng)發(fā)展。

當(dāng)今迅猛發(fā)展的數(shù)字化技術(shù)無疑成為加速航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品快速研發(fā)的關(guān)鍵手段。通過近30年的發(fā)展，先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)的數(shù)字化建設(shè)已經(jīng)覆蓋了需求論證、設(shè)計(jì)研制、生產(chǎn)制造、維修保障各個(gè)環(huán)節(jié)。

通過建立貫穿航空發(fā)動(dòng)機(jī)全生命周期的三維數(shù)字化模型，形成覆蓋氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、機(jī)械、電子、熱推進(jìn)、控制等多專業(yè)聯(lián)合仿真分析能力，結(jié)合集成產(chǎn)品與工藝數(shù)字化開發(fā)流程，能夠?qū)崿F(xiàn)對復(fù)雜系統(tǒng)的準(zhǔn)確表達(dá)、一致理解和數(shù)字化的驗(yàn)證與確認(rèn)，在研制早期就識(shí)別設(shè)計(jì)缺陷，大幅減少物理試制和試驗(yàn)的同時(shí)，確保設(shè)計(jì)一次生成且正確無誤，能夠顯著縮短研制周期、降低研發(fā)成本?；诙辔锢砹康膹?fù)雜工藝建模仿真能力和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析預(yù)測能力，建立全面數(shù)字化的生產(chǎn)流程和網(wǎng)絡(luò)生產(chǎn)系統(tǒng)基礎(chǔ)條件，構(gòu)建生產(chǎn)線的數(shù)字孿生模型，將物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)應(yīng)用到制造現(xiàn)場，能夠?qū)崿F(xiàn)制造活動(dòng)基于模型、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)化、運(yùn)行和控制，大幅提升質(zhì)量和管理效益。

例如，GE不斷向基于模型的數(shù)字化企業(yè)持續(xù)邁進(jìn)，業(yè)務(wù)模式的變化包括建立知識(shí)驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品研發(fā)模式，推廣基于模型定義（MBD）技術(shù)的應(yīng)用，建立可配置的數(shù)字樣機(jī)等，并專門開發(fā)了數(shù)字孿生工業(yè)云平臺(tái)Predix。

普惠針對GTF研發(fā)了eFAST系統(tǒng)，是集數(shù)字采集儲(chǔ)存和傳輸為一體的新技術(shù)的融合。飛機(jī)每一次降落都會(huì)自動(dòng)向維護(hù)中心傳輸關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)健康狀況和趨勢發(fā)展的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，維護(hù)中心根據(jù)這些數(shù)據(jù)可以及時(shí)掌握發(fā)動(dòng)機(jī)的最新動(dòng)態(tài)。特別是當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的健康趨勢達(dá)到某些轉(zhuǎn)變的臨界點(diǎn)時(shí)，可以提前采取相應(yīng)的預(yù)防措施，達(dá)到減少維護(hù)成本的目的。

與此同時(shí)，國外各大航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造商也紛紛利用增材制造等新技術(shù)推進(jìn)低成本、快速制造，加速發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展。GE已突破噴油嘴、低壓渦輪葉片、傳感器外殼和PMC風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片鈦合金包邊的增材制造技術(shù)。但GE并不滿足于現(xiàn)狀，計(jì)劃將更多的零部件通過增材制造技術(shù)生產(chǎn)出來。

2016年，GE將增材制造技術(shù)在其最先進(jìn)的渦輪螺槳發(fā)動(dòng)機(jī)上實(shí)現(xiàn)大幅應(yīng)用。通過增材制造技術(shù)，將傳統(tǒng)工藝所需的855個(gè)零部件減少了12個(gè)。該發(fā)動(dòng)機(jī)的總壓比達(dá)到16:1，油耗比現(xiàn)在同類競爭型號(hào)低20%，發(fā)動(dòng)機(jī)翻修周期延長30%，研發(fā)周期和成本大幅縮減。

重視研發(fā)體系建設(shè)

GE從上個(gè)世紀(jì)就開始使用結(jié)構(gòu)化的研發(fā)流程

開放合作，聚合優(yōu)勢

一般而言，在所有試驗(yàn)設(shè)備與設(shè)施齊全、相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)完全掌握，并具備相應(yīng)的設(shè)計(jì)、研制、試驗(yàn)、生產(chǎn)能力的條件下，研制一款新的發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品，成本一般需要15億～30億美元。如果能夠與技術(shù)優(yōu)勢互補(bǔ)的合作伙伴進(jìn)行聯(lián)合研發(fā)，不僅可以分?jǐn)偧夹g(shù)和投資風(fēng)險(xiǎn)，也有利于聯(lián)合開拓國際市場。

產(chǎn)品研發(fā)體系是航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的基礎(chǔ)

以羅羅為例，至少從2004年開始，在產(chǎn)品研發(fā)過程中就只生產(chǎn)其最終產(chǎn)品所有零部件中附加值最高的30%，將余下的70%轉(zhuǎn)包出去，從而在風(fēng)險(xiǎn)可控的前提下，盡可能地降低發(fā)動(dòng)機(jī)全部零件的制造與采購成本。羅羅認(rèn)為，具有競爭力的核心零部件必須自行生產(chǎn)；非核心零部件如果有足夠的競爭力也會(huì)自行生產(chǎn)；競爭性不強(qiáng)的核心零部件生產(chǎn)必須受控，即在合作伙伴企業(yè)或合資企業(yè)中進(jìn)行生產(chǎn)；不是核心零部件，競爭性又不高的零部件則完全可以進(jìn)行外部采購。遄達(dá)XWB發(fā)動(dòng)機(jī)包括18000多個(gè)核心零件，生產(chǎn)分別來自羅羅的16個(gè)工廠、12個(gè)風(fēng)險(xiǎn)共擔(dān)合作伙伴和88個(gè)外部供應(yīng)商。羅羅利用12家股東的力量，形成優(yōu)勢團(tuán)隊(duì)，其中ITP、川崎重工和三菱重工3家更是風(fēng)險(xiǎn)共擔(dān)的合作伙伴。

在技術(shù)研究過程中，羅羅通過與各種大學(xué)、科研院所建立合作關(guān)系，針對不同合作伙伴的特點(diǎn)，采取不同的合作模式，以達(dá)到最佳的合作效果，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的快速發(fā)展充分汲取科學(xué)界的“營養(yǎng)”。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(xiàng)目中建立起來的長期友好的合作關(guān)系，羅羅在全球發(fā)動(dòng)機(jī)市場獲得了驚人的成功。并且依托于大學(xué)和企業(yè)界的協(xié)同創(chuàng)新，羅羅開創(chuàng)了大學(xué)技術(shù)中心（UTC）和先進(jìn)制造研究中心（AxRC）等網(wǎng)絡(luò)體系產(chǎn)學(xué)研合作模式。

在遄達(dá)XWB-97發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中，至少有12家大學(xué)技術(shù)中心和先進(jìn)制造聯(lián)合體開展了相關(guān)的技術(shù)開發(fā)工作。不僅如此，在研發(fā)制造過程中各方通過人員交流、借調(diào)等方式加強(qiáng)聯(lián)系，大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)也會(huì)參與到公司的培訓(xùn)和人才培養(yǎng)過程中，形成了一種多贏的格局。此外，在與全球頂尖學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)開展持續(xù)、深層次合作的同時(shí)，企業(yè)也可以通過大學(xué)分?jǐn)偧夹g(shù)開發(fā)的間接費(fèi)用，更有利于專注解決工程問題。