我國的大飛機C919進行了第二次飛行測試，另一方面，為C919配套的國產(chǎn)民用大涵道比渦扇發(fā)動機CJ1000-A的研制也在穩(wěn)步推進，預計在今年完成首臺樣機的裝配。我國的民用大涵道比渦扇發(fā)動機的研發(fā)現(xiàn)狀和未來如何?
涵道比4以上的渦扇發(fā)動機耗油率低、噪聲小，并且可靠性高、使用壽命長，是目前全世界民用客機的主要動力引擎，同樣它也可以裝備在軍用的大型運輸機、空中加油機、空中預警機和其他大型軍用飛機上。
雖然我國在軍用航空發(fā)動機研制上頗有建樹，然而，在民用大涵道比發(fā)動機上卻剛剛起步，在我國180多個機場上起飛降落的2800多架民用客機中卻無一采用國產(chǎn)渦扇發(fā)動機，這些發(fā)動機全部來自美國通用電氣GE、美國普惠、英國羅羅、法國CFM(美國GE公司和法國賽峰合資公司)等國外企業(yè)，包括我國目前研制的C919大飛機采用的也是CFM公司的LEAP發(fā)動機。就連已經(jīng)列裝我國空軍的“運20”重型運輸機采用的也是進口的俄羅斯D-30KP2發(fā)動機。
不過，現(xiàn)在沒有并不代表將來不會有，我國已經(jīng)瞄準這個最具挑戰(zhàn)性的技術(shù)領域。據(jù)國內(nèi)《經(jīng)濟參考報》報道，我國今年已經(jīng)正式啟動的“兩機”專項已經(jīng)確立了詳細的工作重點，航空發(fā)動機專項將重點聚焦渦扇、渦噴發(fā)動機領域，同時兼顧有一定市場需求的渦軸、渦槳和活塞發(fā)動機領域，主要研發(fā)大涵道比大型渦扇發(fā)動機、中小型渦扇/渦噴射發(fā)動機、中大功率渦軸發(fā)動機等重點產(chǎn)品。
中國商用噴氣式發(fā)動機項目的現(xiàn)狀
我國目前唯一研制大涵道比渦扇發(fā)動機的企業(yè)為中國航發(fā)商用航空發(fā)動機有限責任公司(以下簡稱“中國航發(fā)商發(fā)”)，該公司成立于2009年1月18日，位于上海市閔行區(qū)蓮花南路3998號，主要從事商用飛機動力裝置及其相關(guān)產(chǎn)品的設計、研制、生產(chǎn)、總裝、試驗、銷售、維修、服務、技術(shù)開發(fā)和技術(shù)咨詢等業(yè)務。
據(jù)中國航發(fā)商發(fā)介紹，該公司是中國唯一的一家大涵道比渦扇商用航空發(fā)動機總設計師單位和總承制商單位，負責發(fā)展中國大涵道比商用飛機發(fā)動機，產(chǎn)品規(guī)劃涵蓋窄體客機發(fā)動機、寬體客機發(fā)動機和支線客機發(fā)動機三個產(chǎn)品系列，致力于在上海打造商用航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)基地。
國產(chǎn)CJ1000-A發(fā)動機總體結(jié)構(gòu)方案圖/圖 來源網(wǎng)絡
根據(jù)2014年《大飛機》雜志的描述，中國航發(fā)商發(fā)的研制路線圖為：正在研制的CJ-1000AX驗證機，計劃在2018年完成驗證機的研制和試車工作，并同步開展部件、系統(tǒng)、工藝、材料等技術(shù)的多輪持續(xù)改進，以確保發(fā)動機滿足C919的技術(shù)要求。如果進展順利，國產(chǎn)CJ1000-A將于2022年裝備C919大型客機，到2026年CJ1000-B將裝備C919延程客機。在系列化發(fā)展和適航取證方面，中國航發(fā)商發(fā)計劃用于窄體客機的CJ-1000系列于2018年實現(xiàn)驗證機達標，2022~2025年完成適航取證;用于寬體客機的CJ-2000系列計劃2020年完成技術(shù)預研，2022年完成試驗驗證機達標，2025~2030年完成適航取證。而針對小型支線客機的CJ-500系列，由于目前的市場需求量有限，因此短期內(nèi)不會啟動。
根據(jù)2017年8月份，中國航發(fā)商發(fā)總經(jīng)理馮錦璋的介紹，我國首臺民用大渦扇發(fā)動機將在今年完成裝配，即將進入高密度、高強度的各種試驗，于上述研制進度基本吻合。
在研發(fā)人數(shù)上，中國航發(fā)商發(fā)已經(jīng)超過了1000人，并仍在大規(guī)模招募，目前光是2018年校園招聘就計劃招募近200名應屆生，而且該公司也已經(jīng)從國外招募了大量員工，多次在英國、美國具備招聘會和延攬人才。根據(jù)該公司早前的規(guī)劃，計劃招募3000名員工。
但一位業(yè)內(nèi)專家表示，要想發(fā)展國產(chǎn)商用噴氣式發(fā)動機需要5000-10000名員工，甚至更多的人力。例如，CFM公司在研發(fā)CFM56發(fā)動機時，就動用了GE和賽峰集團超過2000名工程師和5000多名技師，并且這還是在很多子系統(tǒng)如電子控制器由外部供應商提供的情況下。
按照商發(fā)公司現(xiàn)在的員工人數(shù)，這可能意味著其發(fā)動機研制難以實現(xiàn)完全自主，需要大量借用母公司中國航發(fā)集團其它研究所和制造廠的研發(fā)能力，甚至國外企業(yè)的研發(fā)能力，商發(fā)公司曾在2012~2013年早期曾提出過“啞鈴型”的研制思路，即商發(fā)公司把握“總體設計、市場開拓、方案策劃”和“總裝試車、產(chǎn)品銷售、客戶服務”這兩頭“在內(nèi)”;而“部件設計及制造”這一中間環(huán)節(jié)“在外”——實行全面供應鏈管理，按照產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈配置資源、集成網(wǎng)絡、共創(chuàng)共享。目前隨著閔行和臨港兩個基地的建成，商發(fā)公司已經(jīng)表示可以滿足民用航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)從設計開發(fā)到產(chǎn)品制造、驗證、交付和使用維護全生命周期發(fā)展需要。
其中，閔行基地位于上海市閔行區(qū)，重點建設設計研發(fā)和客戶服務能力。臨港基地位于上海浦東新區(qū)的臨港產(chǎn)業(yè)基地，重點建設總裝集成，關(guān)鍵部件制造，整機、零部件、系統(tǒng)試驗測試和維護大修能力。
另一方面，長期研發(fā)過程的“零利潤”需要獲得大量資金的支持。成立之初，當時的母公司中航工業(yè)集團曾承諾每年投資3億美元，而這一個數(shù)字卻遠遠少于國際航空發(fā)動機研發(fā)平均數(shù)字：一臺現(xiàn)代商用航空發(fā)動機的研制成本大致在20～30億美元之間(假設所有的試驗驗證設施已經(jīng)齊全，所有的關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)掌握，所有的管理人才和專業(yè)技術(shù)人員已經(jīng)到位，所有的設計、研制、試驗、生產(chǎn)等能力和經(jīng)驗已經(jīng)具備)，GE90發(fā)動機研制經(jīng)費為30億美元，這還是上世紀八九十年代時的價格;美國普惠的齒輪渦扇發(fā)動機研制經(jīng)費更是超過了100億美元。
研制費用如此之低，一位業(yè)內(nèi)專家表示這可能是因為：(1)商發(fā)公司可能實際上并沒有指定較高的目標(無論在發(fā)動機性能還是在國產(chǎn)化程度上);(2)它享有大量隱性資金補貼，比如上海市給予的福利房、兩機專項的資助;(3)這反映了他們過于樂觀。(4)可能是上述因素綜合作用，通過設計或必要的過程，該公司很可能最終從國外購買零部件進行最后的組裝。
此外，對于C919客機裝配LEAP-1C發(fā)動機，早期曾有消息稱CFM國際公司計劃與商發(fā)公司在國內(nèi)合資建立用于LEAP-1C發(fā)動機總裝和試車的生產(chǎn)線。目前又有俄羅斯聯(lián)合發(fā)動機集團UEC和商發(fā)公司簽署共同研制C929寬體客機發(fā)動機協(xié)議的消息，如果這些事情能夠順利實施，也能在一定程度上促進中國商用渦扇發(fā)動機的研發(fā)。
商用航空發(fā)動機的國內(nèi)制造基礎
如果說中國商用航空發(fā)動機的設計才從起步不久，在制造技術(shù)上，中國眾多企業(yè)卻早已經(jīng)加入國外商用航空發(fā)動機的供應鏈體系，具有不少豐富的發(fā)動機零部件制造加工經(jīng)驗。
近10年來，由于中國經(jīng)濟的迅速發(fā)展和國家在航空航天上的大幅投資，很多航空制造企業(yè)技改績效明顯，一些生產(chǎn)制造車間的先進性甚至超過了國外的OEM廠商，大量為羅羅、GE和CFM等公司代工發(fā)動機零部件。
根據(jù)美國GE公司中國區(qū)工程技術(shù)總經(jīng)理王鵬介紹，在中國造不出航空發(fā)動機已經(jīng)不是制造技術(shù)的問題了，他指出，GE公司的發(fā)動機甚至有80%-90%都在中國做，高壓轉(zhuǎn)子軸承、頭到尾的機匣、壓氣機輪盤都是在中國制造;就連出口限制最嚴格的是熱端部件，比如高壓渦輪，高壓渦輪的葉片不在中國做，但高壓渦輪盤已經(jīng)是在中國做的;燃燒室不能在中國做，但燃燒室的頭部已經(jīng)在中國做了。
不過值得指出的是，這些代工業(yè)務也呈現(xiàn)“兩頭在外”的特征，即原材料是進口的，市場是在國外，而且在業(yè)務流程上很多是外方委托單位直接提供的原材料。材料問題不僅是中國商用發(fā)動機研制的難題，一直以來也是我國制造業(yè)之痛。
另一方面，雖然中國在商用發(fā)動機制造上缺乏經(jīng)驗，但在軍用航空發(fā)動機上的制造60多年來卻從來沒有止步過，有比較完整的航空發(fā)動機制造體系，生產(chǎn)過6萬多臺航空發(fā)動機，產(chǎn)品覆蓋渦噴、渦扇、渦軸、渦槳、活塞全種類軍用航空發(fā)動機，擁有西航、黎明、黎陽、南方四大航發(fā)主機制造廠，而這些制造廠和商發(fā)公司同屬去年成立的中國航空發(fā)動機集團，因此這些軍用航空發(fā)動機的制造經(jīng)驗和體系也可以為國產(chǎn)大涵道比的發(fā)動機提供一定支撐。
商用航空發(fā)動機研發(fā)成功的必要因素
商用航空發(fā)動機研發(fā)的必要前提之一就是有裝機對象，而國內(nèi)ARJ支線客機已經(jīng)投運;窄體客機C919不僅進入試飛階段，并且已經(jīng)獲得了750架飛機訂單，離國際上認定的成功標志1000架僅一步之遙;寬體客機C929也已經(jīng)啟動研制，這些為中國商用航空發(fā)動機的研發(fā)提供了穩(wěn)定的裝機對象。
中國航發(fā)集團控股子公司航發(fā)動力股權(quán)結(jié)構(gòu)一覽，商飛公司也赫然在股東一列/圖 來源網(wǎng)絡
而在前幾日舉辦的首屆國際航空發(fā)動機論壇上，據(jù)C929寬體客機總設計師陳迎春表述，國產(chǎn)大飛機對國產(chǎn)大涵道比發(fā)動機的要求就是“不求最好，先進可靠;盡早擁有，穩(wěn)步快跑;合作幫助，一時一事;自主創(chuàng)新，一生一世。”
從性能的角度講，商用航空發(fā)動機研發(fā)設計不少關(guān)鍵技術(shù)，其包括：發(fā)動機/飛機整機噪聲預測分析及控制技術(shù);高性能大尺寸風扇轉(zhuǎn)子葉片3維彎掠設計技術(shù);寬弦空心/ 復合材料風扇葉片設計及制造技術(shù);復合材料風扇機匣及包容環(huán)包容技術(shù);風扇/增壓級低噪聲設計技術(shù);風扇機匣及其降噪結(jié)構(gòu)設計及制造技術(shù);低排放、長壽命燃燒室設計技術(shù);低排放燃燒室組織燃燒技術(shù);燃用航空替代燃料燃燒室設計技術(shù);排氣系統(tǒng)噪聲預測及降噪關(guān)鍵技術(shù);控制系統(tǒng)安全性、可靠性設計和高可靠性、高壽命部件設計技術(shù);預測與健康管理(EPHM)技術(shù);適航技術(shù);齒輪傳動發(fā)動機總體設計技術(shù);大功率減速齒輪箱設計及制造技術(shù)等。
即使在技術(shù)已經(jīng)成熟的基礎領域，承包商提供的產(chǎn)品也可能出現(xiàn)嚴重的系統(tǒng)問題。典型的“低端技術(shù)弱點”包括變速箱，起火和VSV系統(tǒng);裝配這些系統(tǒng)也會帶來重大的設計影響和供應依賴。
將發(fā)動機裝配到飛機上也是一項重要技術(shù)和系統(tǒng)挑戰(zhàn)，兩者的有效協(xié)調(diào)非常重要，否則重則出現(xiàn)非常大的故障問題，輕則導致無法有效發(fā)揮出發(fā)動機的性能。
此外，中國還要滿足其它一些國際標準和要求。
中國制造商用發(fā)動機所面臨的風險
中國的發(fā)動機制造商受到一系列戰(zhàn)略和經(jīng)濟動機的驅(qū)動;從商業(yè)角度講，巨大的銷售和服務市場將會創(chuàng)造巨大的財富機會。美國花旗銀行估計，售后服務收益可能是銷售額的7倍，這也是為什么航空發(fā)動機銷售有時還會出現(xiàn)“買1送1的促銷活動”。發(fā)動機售后服務的利潤也遠大于銷售發(fā)動機獲得的利潤，以致于很多專家們驚呼，發(fā)動機制造商在銷售發(fā)動機的同時，還在“出售發(fā)動機排放的熱氣”。
未來20年我國預計交付客機價值量約9293億美元，對應航發(fā)市場約2788億美元。根據(jù)《中國商飛公司2016-2035年民用飛機市場預測年報》，到2035年中國占全球客機機隊的比例將從現(xiàn)在的14%增長到18%，機隊年均增長率為5.5%，預計未來20年中國將交付6865架客機，價值約9293億美元。按照發(fā)動機價值占比約30%測算，未來20年我國商用航空發(fā)動機市場規(guī)模合計約2788億美元，因此未來二十年中國對商用發(fā)動機的需求非常之巨大。
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