国之重器,航空发动机加速发展

文/ 弓升（中国航发沈阳发动机研究所）

中国航发的新型电动机新产品

航空发动机是一种高度复杂、精密的机械，对世界政治、军事和经济大国具有非同一般的战略意义，其技术发展依赖于长期的投入与技术积累。以欧美为代表的西方航空发达国家在全球航空发动机产业中始终处于领先地位和主导优势，随着航空发动机技术呈现日益加速发展的趋势，如何加快航空发动机发展成为我国面临的关键问题。

在当前我国经济和科技取得瞩目成绩的同时，加快航空发动机发展就需要始终沿着正确发展方向，明确未来发展策略和重点，建立以需求为牵引，具有自主创新、科学发展和兼具灵活的中国特色发动机发展模式。这就需要花大力气深入研究未来发动机在不同应用领域现实以及潜在的需求，制定一个全面、科学、系统的中长期发展规划，合理安排产品研发，布局未来先进技术，并且完善制度以保障规划的落地执行。

良好的规划是国外航空发动机发展屡获成功的一个重要原因。

航空发动机是一种高度复杂、精密的机械

GE航空集团在充分考虑其发动机产品相对于竞争对手的技术优势如推力范围、燃油效率、使用寿命、可靠性和维护成本之后，制定了目标明确的发动机发展规划和发展策略。宽体客机动力领域依靠GE9X稳固市场；
通过与斯奈克玛成立的CFM公司继续推出LEAP系列发动机，牢牢占据窄体客机；
通过Passport发动机替代CF34，占据公务机及支线客机市场；
通过与本田合作发展HF120、HF118发动机向小型公务机市场延伸。

普惠公司在V2500逐步退出窄体客机的市场之前，清晰认识到自身的目标和定位，坚持数十年持续投资齿轮传动涡扇发动机，才有了目前的PW1000G齿轮传动系列的市场成功；
并且以此为基础发展了PW800发动机，替补在70kN推力级别空白，具备130kN以下推力级全系列产品能力，并逐步向更大推力级延伸，进而争夺PW4000发动机留下的市场。

罗罗公司则是一边发展珍珠系列发动机保证BR700系列市场份额，一边不断推动UtralFan的开发，在稳固宽体客机市场同时，向下进入窄体客机市场。

上世纪30年代，尼奥姆-罗纳公司K系列航空发动机

预先研究是保持技术引领的关键。国外航空发动机技术发展，离不开大量的基础研究和应用研究。基础研究在对先进航空发动机的新概念、新理论、新技术和新结构探索的同时，通过对设计、材料、工艺、冶金的基础原理深入研究，以其形成的方法、模型、标准、工具、数据库，不断支撑航空发动机自主研发。

应用研究则更接近于工程使用条件，通过部件、系统以及核心机、整机等不同层级的验证，不断提升技术成熟度，将经过验证的技术逐步应用于发动机，为发动机研制及其系列化发展提供技术支持。提前开展基础技术和应用技术预先研究，对航空发动机这一研制难度大、研制周期长的航空产品来说至关重要，是推动航空发动机快速发展的必要条件。

预先研究对经费投入需求大，并且需要持续投入。据统计，美国政府每年在航空发动机研发领域投入的经费就达30亿美元左右，这还不包括型号采办和改进改型所产生的费用。

美、英、法等国家一直按照“预研先行”的思想，通过国家长期、稳定的大力支持和投入，实施了多项与具体型号或产品完全脱钩的中长期研究计划，如IHPTET、VAATE、ACME、AMET等。这些计划一方面为发动机产品研制提供了充足的技术储备，降低了工程研制的风险，缩短了研制周期；
另一方面通过大量先进技术布局，引领技术发展方向，也为未来更先进产品的发展提供支撑。

GE除了利用国家研究计划资金开展预先研究外，每年还将收入的10%～15%用于先进技术的研发。随着公司的不断发展，研发资金的投入也在逐年增长。罗罗公司每年研发领域总投入超过9亿英镑，其中航空业务占其75%。

预先研究是保持技术引领的关键

产品研发体系是航空发动机发展的基础，也是缩短发动机研制周期，降低研制成本和研制风险的有力保证。这个体系主要包含三个方面的内容。

一是科学规范的流程。流程是业务活动的具体步骤、组织团队、角色及职责、质量管控等内容；
是实际业务过程中成功经验的总结，并且承载了内外部各类规范及标准要求，可以视为成功可复制的载体。

20世纪80代，GE就开始使用结构化的发动机产品研发流程，即新产品引入（NPI）流程。该流程综合考虑了人、财、物及其相互关系和产品的全寿命周期，涵盖新产品引入所需的所有活动，包括开发产品的团队构架、成员职责、需求论证、供应商管理、产品研发、适航认证、客户支持等；
并且将研发活动有逻辑地分解成10个阶段的工作，在每个阶段均定义了相应的交付物和检查清单，并安排了相应的评审，对评审的形式、内容、检查清单、风险分析及规避计划等都给出了详细的定义和标准模板。

中国航展上的涡轴发动机

二是方法、工具和数据库。方法、工具和数据库是通过大量的基础研究、应用研究和工程实践总结形成的，是支撑规划、技术开发、产品开发以及维护保障等各阶段业务活动开展的根本。在数字化技术发展迅速的今天，数据成为最为宝贵的生产力。这些经过验证和校核的数学模型，以及技术、管理领域的数据，是支撑“数字孪生”发动机的核心。

三是数字化系统。数字化系统主要作用是保证流程高效执行，以及产品研发体系与技术研究、产品研发活动各流程之间的系统衔接，支撑设计、制造、试验等不同领域之间的高效协同。

据了解，罗罗设计系统能够将设计标准、规范和程序分类，系统管理，如联合设计标准（与我国的航标或国军标有些相似，是相对通用的标准）、联合工程标准（内容更广泛，除了设计外，还包括加工方法、过程甚至检验要求等）、联合定义通报（主要对设计过程进行定义、规定和解释，包括各种格式图表的使用说明、图纸幅面格式介绍、创建实体的具体规定、技术报告编写要求等关于标准化方面的相关要求）、设计规则和帮助（按专业分类，描述一般的设计规则，包含了不少经验数据，比如不同材料的结构件安装边距等）、合理过程规范（关于加工工艺及材料方面的规范）、具体型号应执行的设计标准规范，等等。

设计者可以通过设计系统方便地查找所需要的设计规范、准则、标准，并且通过产品研发，不断总结、充实和完善相关技术标准和规范，延续发展。当然这仅是数字化系统的“冰山一角”。完整的数字化系统可以实现研发活动全面管理，并且对每一研发环节给出具体的指导和规范，精准推送历史经验和相关数据，支撑设计者快速设计与决策；
同时能够高效地开展专业间的协调开发、信息共享及数据管理。

国外航空发动机技术发展，离不开大量的基础研究和应用研究

国外先进航空发动机制造商在追求技术领先的同时，积极探索并不断推动航空发动机与物联网、云计算、大数据、人工智能、数字孪生、虚拟仿真以及智能制造等先进科技的融合，依托当今前沿科技推动航空发动机快速发展，进而保持其产品和技术引领发展。

当今迅猛发展的数字化技术无疑成为加速航空发动机产品快速研发的关键手段。通过近30年的发展，先进航空发动机制造企业的数字化建设已经覆盖了需求论证、设计研制、生产制造、维修保障各个环节。

通过建立贯穿航空发动机全生命周期的三维数字化模型，形成覆盖气动、结构、机械、电子、热推进、控制等多专业联合仿真分析能力，结合集成产品与工艺数字化开发流程，能够实现对复杂系统的准确表达、一致理解和数字化的验证与确认，在研制早期就识别设计缺陷，大幅减少物理试制和试验的同时，确保设计一次生成且正确无误，能够显著缩短研制周期、降低研发成本。基于多物理量的复杂工艺建模仿真能力和生产数据的实时分析预测能力，建立全面数字化的生产流程和网络生产系统基础条件，构建生产线的数字孪生模型，将物联网、云计算、大数据等新一代信息技术应用到制造现场，能够实现制造活动基于模型、数据驱动的优化、运行和控制，大幅提升质量和管理效益。

例如，GE不断向基于模型的数字化企业持续迈进，业务模式的变化包括建立知识驱动的产品研发模式，推广基于模型定义（MBD）技术的应用，建立可配置的数字样机等，并专门开发了数字孪生工业云平台Predix。

普惠针对GTF研发了eFAST系统，是集数字采集储存和传输为一体的新技术的融合。飞机每一次降落都会自动向维护中心传输关于发动机健康状况和趋势发展的实时数据，维护中心根据这些数据可以及时掌握发动机的最新动态。特别是当发动机的健康趋势达到某些转变的临界点时，可以提前采取相应的预防措施，达到减少维护成本的目的。

与此同时，国外各大航空发动机制造商也纷纷利用增材制造等新技术推进低成本、快速制造，加速发动机发展。GE已突破喷油嘴、低压涡轮叶片、传感器外壳和PMC风扇转子叶片钛合金包边的增材制造技术。但GE并不满足于现状，计划将更多的零部件通过增材制造技术生产出来。

2016年，GE将增材制造技术在其最先进的涡轮螺桨发动机上实现大幅应用。通过增材制造技术，将传统工艺所需的855个零部件减少了12个。该发动机的总压比达到16:1，油耗比现在同类竞争型号低20%，发动机翻修周期延长30%，研发周期和成本大幅缩减。

重视研发体系建设

GE从上个世纪就开始使用结构化的研发流程

一般而言，在所有试验设备与设施齐全、相关关键技术已经完全掌握，并具备相应的设计、研制、试验、生产能力的条件下，研制一款新的发动机产品，成本一般需要15亿～30亿美元。如果能够与技术优势互补的合作伙伴进行联合研发，不仅可以分摊技术和投资风险，也有利于联合开拓国际市场。

产品研发体系是航空发动机发展的基础

以罗罗为例，至少从2004年开始，在产品研发过程中就只生产其最终产品所有零部件中附加值最高的30%，将余下的70%转包出去，从而在风险可控的前提下，尽可能地降低发动机全部零件的制造与采购成本。罗罗认为，具有竞争力的核心零部件必须自行生产；
非核心零部件如果有足够的竞争力也会自行生产；
竞争性不强的核心零部件生产必须受控，即在合作伙伴企业或合资企业中进行生产；
不是核心零部件，竞争性又不高的零部件则完全可以进行外部采购。遄达XWB发动机包括18000多个核心零件，生产分别来自罗罗的16个工厂、12个风险共担合作伙伴和88个外部供应商。罗罗利用12家股东的力量，形成优势团队，其中ITP、川崎重工和三菱重工3家更是风险共担的合作伙伴。

在技术研究过程中，罗罗通过与各种大学、科研院所建立合作关系，针对不同合作伙伴的特点，采取不同的合作模式，以达到最佳的合作效果，为航空发动机的快速发展充分汲取科学界的“营养”。这些合作模式不仅使公司获益匪浅，而且极大地孤立了市场上的竞争对手。正是得益于与这些合作伙伴在诸多项目中建立起来的长期友好的合作关系，罗罗在全球发动机市场获得了惊人的成功。并且依托于大学和企业界的协同创新，罗罗开创了大学技术中心（UTC）和先进制造研究中心（AxRC）等网络体系产学研合作模式。

在遄达XWB-97发动机研制过程中，至少有12家大学技术中心和先进制造联合体开展了相关的技术开发工作。不仅如此，在研发制造过程中各方通过人员交流、借调等方式加强联系，大学的研究团队也会参与到公司的培训和人才培养过程中，形成了一种多赢的格局。此外，在与全球顶尖学术团队开展持续、深层次合作的同时，企业也可以通过大学分摊技术开发的间接费用，更有利于专注解决工程问题。