未来我们需要怎样的航空发动机

Jan 26,2018

一一第二届商用航空发动机论坛侧记

文/魏冷

“革命声传画舫中，诞生共党庆工农。重来正值清明节，烟雨迷津访旧踪。” 1964年4月5日，中共一大代表董必武重返南湖后题诗抒怀。嘉兴南湖，一个已经被永载中国革命史册的名字。

2017年12月5日，第二届商用航空发动机论坛在南湖之畔举行。本届论坛由上海市航空学会主办，中国航发商用航空发动机有限责任公司协办，上海广尧商务咨询有限公司承办。在为期两天的会议中，来自国内外知名企业和研究机构的J80多位专家学者围绕航空发动机产业政策及发展趋势、新材料和新工艺、航空发动机健康监测技术及适航取证等问题进行了广泛而深入的探讨。

制造强国的重要标志

“十九大报告提出，要加快建设制造强国，加快发展先进制造业，推动互联网、大数据、人工智能和实体经济深度融合，促进我国产业迈向全球价值链中高端，培育若干世界级先进制造业集群。航空发动机产业的建设和发展，就是我们打造制造强国的重要一环。”论坛伊始，赛迪智库航空产业研究室副主任金伟首先就我国航空发动机产业的发展规划和政策方向进行了主旨发言。

航空发动机作为飞机的“心脏”，技术含量高，工艺难度大，被称为“现代工业皇冠上的明珠”。它直接影响飞机的性能，是一个国家科技、工业和国防实力的重要体现。从目前来看，世界上能够独立研制高性能航空发动机的只有美、英、法、俄等少数几个国家。

多年来，为了保持技术优势，欧美一些国家在发动机研发上投入了大量资金。根据金伟的统计，过去20年，美国、英国、法国的航空发动机产业研发经费占GDP的比例分别为0.05%、0.08%和0.06%。就企业而言，世界上主要航空发动机公司，如美国的GE、普惠和英国的罗罗，每年投入的研发经费占公司销售额的10%～15%。

近年来，我国航空发动机产业通过转包生产、合资合作等方式获得了较快发展，但与发达国家相比，还存在明显差距。金伟认为，制约我国航空发动机产业发展的主要因素包括:

竞争压力巨大一一竞争力能力较弱，国外将航空发动机作为尖端国防产品进行技术封锁，国际主要企业不断加强技术研发，扩大竞争优势。

技术基础薄弱——在共性基础技术、预先研究技术、工程化应用技术等方面仍需突破，尚未完全掌握民用发动机适航技术、高可靠性、长寿命设计技术和工艺。

研发模式待提升一一传统研发模式难以适应产业发展需要，航发集团成立还需磨合，体制变革效应短期难以充分显现。

配套能力不足一一关键零部件、高温材料、精密电子元器件等研制能力不足，影响整机质量和性能，市场开拓及产业化进程面临较大困难。

对于未来，金伟充满了信心一一“在国家政策的大力支持下，我们将按照‘核心机一验证机一原型机一批量生产一改进改型’的发展路径，建立和完善航空发动机自主发展工业体系，不断增强自主发展和创新能力，加快新型航空发动机研制，开展民用航空发动机适航验证技术研究。只要我们坚持正确的方向，我国发动机产业一定会有美好的前途。”

下一代发动机的特质

作为来自民机主制造商的代表，中国商飞上海飞机设计研究院动力燃油部副部长王鹏从客户的角度阐述了自己对下一代民用飞机发动机的理解。

众所周知，航空动力技术的突破引领了航空领域的重大变革，是飞机跨代提升的重要标志。与此同时，航空市场的需求和发展又促使航空发动机迈向更高的技术平台，飞机和发动机相互促进，推动航空技术不断向前发展。

从商用发动机的发展沿革来看，在宽体客机市场，早期主要是罗罗、GE和普惠等发动机制造商积极参与各个型号的商用飞机研制。近年来，波音78?选装了两型发动机，空客A350、A330neo和波音777×都选择了一型发动机作为动力装置，宽体客机发动机的市场架构呈现出比较明显的由多选向单选过渡的特征。在窄体单通道客机市场上，目前形成了LEAP和GTF两种发动机双雄鼎立的局面。总的来说，飞机制造商选择发动机的余地不是很大。

王鹏认为，对于民用飞机而言，发动机的可靠性始终是第二位的。发动机的可靠性不仅直接关系到飞机的安全性，也直接影响飞机的运营成本。此外，环保性也是飞机制造商选择发动机的二个重要指标。近年来，国际民航组织和各国航空管理局对飞机的排放、噪声等提出了比较严格的要求，尤其是抗氧化物排放标准逐年提高。

未来，民用航空发动机将沿着更高涵道比、更高压比、更低油耗、更环保的方向发展。随着新一代超音速巡航客机的发展，在翼身融合等新式飞机布局中，发动机的尺寸将变得更小，重量变得更轻，推力变得更强。在发动机技术不断发展更新的过程中，多发布局将成为新的可能。此外，与汽车的发展相类伙油电混合动力也是一个重要的发展趋势。

对于国产航空发动机，王鹏充满了期待。他认为，近年来我国加快航空发动机研制步伐，目前已从最初的仿制改型发展到可以独立设计制造航空发动扎航空发动机的研制和生产势必会成为引领中国制造2025最具前瞻性的产业之一。

中国商飞公司2008年成立以来，在9年时间里实现了三大步跨越ARj21-700飞机投入航线运营，C919大型客机实现首飞，CR929中俄远程宽体客机项目正式启动。根据中国商飞公司发布的市场预测报告，未来20年，全球民机市场需要4.3万架新飞机。中国现在已经是全球第二大飞机市场，未来20年需要8600架新飞机，价值1.2万亿美元。 随着经济的发展，中国有望超越美国成为世界上第一大航空市场。因此，中国航空发动机产业的发展前景十分美好。“希望C919国产大型客机能够早日用上国产发动机。”王鹏以美好的祝愿结束了自己的演讲。

前沿制造技术和工艺

航空发动机之难，不仅体现在研发设计上，也体现在制造技术和工艺上。美国GE公司全球研发中心制造技术执行总监魏斌以LEAP发动机为例，介绍了航空发动机领域的前沿制造技术和工艺。

在工业领域，制造手段多种多样，就航空发动机的制造而言，特种制造技术运用得十分普遍。在LEAP发动机制造过程中，特种制造占了整个航发零件的3o%左右、也是其中的关键，对经济效益和可靠性有巨大影响。一些关健零部件采用常规制造技术，不仅成本较高，产品性能也得不到保证。因此，先进的特种制造技术始终是发动机制造商重点关注的领域。

目前，GE主要关注的特种制造技术有两项，一是3D打印，二是特种电加工。它们在关键零部件的制造上起了决定性作用。GE在3D打印技术上投入了大量资金进行研发，目前已经比较成熟。在具体运用上，2012年GE开始用3D打印技术制造LEAP发动机的喷油嘴，然后是热交换器和更大的发动机系统。从我们的实践经验看，3D打印不仅能降低复杂零部件的制造难度，而且能缩短制造时间，降低制造成本。例如，LEAP发动机的一个部件原来由855个零件构成，制造和组装过程十分复杂，采用3D打印技术后，这个部件只有12个零件，制造和组装效率明显提高，产品质量也更加稳定。

另一个值得关注的是特种电加工技术。特种电加工技术在发动机复杂零件制孔中发挥着非常重要的作用，有30%的关键零件要靠这种技术制造。例如，用传统工艺制造发动机压气机的三维叶片不仅费时费力，废品率还比较高，而采用电加工技术，在几分钟时间内就可以把一个叶片制造出来，产品质量也有了明显提高。

来自西北工业大学的殷小玮教授则以目前航空制造领域最受关注的碳化硅陶瓷基复合材料为切入点，介绍了西工大近年来重点发展的几项关键技术。 

碳化硅陶瓷基复合材料简单来说就是用纤维提高碳化硅陶瓷的韧性，使它的韧性达到和金属相媲美的水平。碳化硅陶瓷基复合材料的使用温度范围很宽，可以从零下180度到接近3000度，因而在发动机制造中有很好的应用前景。目前，一些主要发动机制造商和研究机构都在进行碳化硅陶瓷基复合材料方面的研究。其中的关键技术包括：第一，强韧化技术。陶瓷基复合材料用纤维增韧以后，可以大大改善它的力学性能，这是确保它在航空发动机使用的关键。第二，自愈合技术。陶瓷基复合材料在使用过程中会发生纤维界面氧化失效的问题，材料内部的孔洞和裂纹会成为氧气扩散的通道，导致界面和纤维氧化。为此，我们进行了自愈合技术的研究，通过添加保护涂层，使基体中的裂纹会自动封填，阻止了氧气对纤维的损伤。这就像人的皮肤上有伤口以后，可以自愈合。

提及航空发动机，“智能制造”自然是避不开的话题，中航高科智能测控有限公司智能技术中心副主任张明华在演讲中介绍了智能机器人在航空制造业中的应用和发展趋势。 张明华认为，从全球范围看，机器人产业还存在着巨大的发展潜力。根据有关资料，目前全球制造业中工人和机器人的比例为10000：62，也就是说每10000名产业工人拥有的机器人数量是62台。我国的这一比例大约为10000：30，不到全球平均水平的一半，因此还有很大的发展空间。

从技术上看，未来机器人的发展主要集中在“智能化”这一点上，也就是要强化它的感知系统，提高视觉、力觉和其他方面的传感性能，增强灵活性和自主决策能力。制造业工人在工作的时候，80%的工作量是靠手完成的，这就给未来工业机器人的设计提供了一种思考，如何设计出轻巧灵敏的末端传感器以提升它的感知能力。此外，工业机器人目前还无法和人进行高效交流，无法接受人的直接命令，无法做到与人很好地配合。

美国IE协会给出的未来工业机器人的核心关键词是“传感器”与“智能适应能力”。因此，未来工业机器人的发展涉及五大关键技术领域在线测量和状态感知，面向工艺参数的智能决策和控制技术，面向不同应用的多功能末端执行器设计和制造技术，基于测量、加工、修正的一体化控制系统，总体设计及集成技术等。

全寿命周期管理

一款产品的好坏，客户最有发言权。对于发动机产品的最终用户航空公司来说，它们希望获得怎样的产品、蒙点、关注哪些性能指标，在实际使用中有哪些要求，这些都是制造商十分关心的问题。

在论坛上，中国国际航空股份有限公司教授级高级工程师林龙祥以“航空发动机全寿命周期管理”为题进行了主旨发言。在演讲中，林龙祥表示，航空公司注选择发动机时主要考虑两个方面一个是技术管理，另外一个是成本管理。

一般情况下，航空公司在引进发动机时首先考虑的是发动机的衍生性、传承性、先进性和风险性。以LEAP发动机为例，我们首先会考虑它到底是从哪个型号衍生来的，和上一代发动机相比，LEAP发动机使用了哪些新技术和新材料。像3D打印、整体叶盘制造技术和陶瓷基复合材料这些在LEAP发动机上使用的新技术和新材料，对发动机整体性能的提高有多大帮助，可能存在哪些风降，将来在运行过程当中可能出现哪些问题，我们在引进前就必须进行评估。而在真正进入选型阶段以后，我们会重点关注发动机采购的经济性，比如发动机的标价是多少、会给我们多少折扣、维修一次要花多少钱、制造商能够提供哪些担保等。

在运行准备阶段，我们要做手册资料管理、工装设备、人员培训、器材准备等工作。发动机投入运营后，我们还要实行在役管理，主要关注派遣率、取消延误率、定植安排、性能监控以及维修方式等。

归纳起来，航空公司对发动机的关注主要集中在以下几个方面：一是要确保飞机的适航性，也就是安全性，这是一票否决的，航空公司要运行，适航性和安全性没有保障，其他东西都无从谈起。二是要考虑发动机的可靠性。因为飞机要连续飞起来，连续地运行，航空公司才可以赚到钱。三是机队运行的经济性和维修的经济性。发动机不仅要有很好的燃油经济性，而且要便于维护和维修，并且维修成本要低。四是退出的经济性。发动机从航空公司退役后，还能卖一个比较好的价钱，也就是我们通常说的残值管理。因此，航空公司对发动机的管理涉及众多环节，关注的不是某个单项指标，而是其全生命周期的综合表现。