中小型民用航空發動機自主研發路徑探討

■ 寧勇 鄒靖華/ 中國航發南方

通用航空市場的蓬勃發展拉動了對中小型民用航空發動機的需求。長期以來，我國的中小型民用航空發動機市場幾乎全被國外發動機制造商所壟斷，產業發展也相對滯后，主要體現在民用產品型號少、功率覆蓋范圍窄、價格偏高、可靠性不足等方面。發展我國的中小型民用航空發動機，走出一條自主研發的道路，實現軍民融合式發展的戰略目標，是我國航空發動機事業發展的當務之急。

中小型民用航空發動機的特點

中小型航空發動機一般指5000kW級以下渦軸/渦槳、活塞發動機及50kN級以下渦扇、渦噴發動機。與軍用航空發動機主要以突出作戰性能、滿足戰術技術指標為設計出發點不同，中小型民用航空發動機須根據飛機制造廠商或航空公司的要求進行總體設計，由民航的專門機構進行適航管理，在滿足用戶使用要求的基礎上，更加注重安全性和經濟性。因此，中小型民用航空發動機具有以下特點。

可靠性高、維修性強和壽命長

中小型民用航空發動機由于其用途廣泛和服役時間長的特點，對可靠性、維修性以及壽命有著十分嚴格的要求。在中小型民用航空發動機使用前需要適航管理部門頒發適航證，取證期間將對發動機的可靠性、壽命等進行非常嚴格的考核。

低耗油率、低噪聲、低污染物排放

中小型民用航空發動機在設計及制造過程中對發動機的耗油率、噪聲、污染物排放有著十分嚴格的標準，伴隨技術的進步和環境保護的需求，這些標準也在不斷提高。

市場競爭激烈、風險大

中小型民用航空發動機的技術、資金和產業門檻都較高，目前能引領技術和商業優勢的只有西方國家的幾家公司，這些公司在中小型民用航空發動機市場的份額占90%以上。這些行業巨頭依靠規模化發展、技術創新和管理創新，呈現強者更強的趨勢。新進入者面臨較高的行業壁壘和障礙，需要投入的資金巨大，如果不能獲得市場份額，將面臨極大的經營和投資風險。

中小型民用航空發動機的發展現狀

通航產業經過幾十年的發展，已經形成了龐大的市場規模，通航機群主要分布在美國、加拿大、歐洲等發達國家和地區。在這樣的需求牽引下，世界中小型民用航空發動機產業的發展非常迅速，發動機制造商均投入了大量的資源以確保其技術的領先和市場份額的鞏固與擴張。目前，在中小型民用航空發動機市場領域，競爭非常激烈，基本形成了幾家企業壟斷的態勢。中小型民用航空發動機的主要生產商及產品如表1所示。

中小型民用航空發動機經過多年的發展，已經有了成熟的技術體系和豐富的產品體系，發展的路徑主要有自主研制、改進改型和衍生發展。其中，法國賽峰直升機發動機公司先后自主研制了阿赫尤（Arrius）系列、阿赫耶（Arriel）系列、TM333系列、阿蒂丹（Ardiden）系列和馬基拉（Makila）系列發動機，功率覆蓋范圍為350～1600kW，實現了產品的譜系化發展；普惠加拿大公司的PW100系列發動機，是在PW100發動機的基礎上，進行了結構改進和功率改進，形成了PW115、PW120、PW127、PW150等發動機，極大地滿足了多款運輸機和公務機的動力需求，同時，普惠加拿大公司在PT6B型渦軸發動機的基礎上成功研制出PT6A型系列渦槳發動機；霍尼韋爾公司則在T53發動機核心機的基礎上，成功衍生出T55、LTS101型系列發動機，并取得了巨大的市場成功。

表1 中小型民用航空發動機主要生產商及產品

我國引進和自行設計研制了活塞、渦軸、渦槳等多種型號的中小型民用航空發動機。其中，中國航發南方的渦槳6（WJ6）發動機是我國唯一同時取得了民航型號合格證（1994年）和生產許可證（1996年）的渦槳發動機，曾有28臺在中國郵政航空公司使用。裝配4臺WJ6發動機的大型水陸兩棲飛機——“鯤龍”AG600于2017年12月陸上首飛成功，2018年10月水上首飛成功。WZ8A/D發動機則是我國目前唯一同時取得民航型號合格證和生產許可證的渦軸發動機，另外HS6K活塞發動機也取得了民航適航證(TC證)，WJ9取得了生產許可證(PC證)。

自主研發的難點

研發體系

我國在引進的基礎上研發了活塞、渦軸、渦槳等相關型號的民用航空發動機，但沒有一型發動機完成了部件研究—核心機研制—驗證機研制—型號研制—使用發展的全過程，自主研制還處于起步階段，尚未建立起完整的民機研制和生產體系。在設計能力、人才隊伍、產業鏈配套沒有跟上的情況下，研發體系的建立難度大。

適航取證

目前我國的適航研究未能貫穿民用航空發動機的設計、制造、試驗、使用、維修等各個環節，導致前期研發的民用航空發動機無法全面滿足現行適航法規的要求，同時也難以為以后的民用航空發動機研發提供必要的指導。一直以來，國內的適航標準都是參照國外的適航法規制定，沒有形成符合國內工業實際水平的適航標準，部分現有規章要求高于實際工業水平，型號的研制水平滯后于新適航法規的要求，難以通過適航認證。

高可靠性、低成本設計制造技術

中小型民用航空發動機在結構上普遍采用單元體設計，在減少零部件數量和減輕質量的同時，延長了部件的壽命，從而提高了發動機的可靠性和維修性，降低了全生命周期費用。目前，我國中小型民用航空發動機總體設計能力比較薄弱，制造技術難以滿足高可靠性的要求。

中小型民用航空發動機的低成本模式是在通用航空市場賴以生存的手段之一，這對航空發動機的選材、設計和制造提出了新的要求。目前，我國民用航空發動機研制在低成本制造技術方面的研究意識不強，基礎薄弱，無論是在材料和成形工藝的選擇，還是在結構件的設計，結構連接形式的選取方面，抑或是在輔助軟件的應用和制造模具的選擇等方面，研究重視程度不夠，知識積累偏弱，導致研制的民用航空發動機價格難以滿足客戶預期要求。

自主研發的路徑

通過分析中小型民用航空發動機的特點、發展的現狀以及自主研發的難點，筆者認為，可考慮以下路徑實現中小型民用航空發動機的自主研發。

構建研發體系

加強預先研究，將市場需求牽引與技術推動有機結合，建立完整的研發管理制度，形成先進的民用航空發動機研發文化，創造有效的技術創新機制，建立完備的“探索一代、預研一代、研制一代、生產一代和保障一代”的型號格局，最終建成完整的民用航空發動機研發體系。對于企業而言，可通過構建研發體系標準框架來逐步實現自主研發體系的建立。

研發體系企業標準體系框架

提升可靠性設計與制造水平

以問題為導向，針對部分技術成熟度低、選材難、仿真協同平臺不完善、試驗條件欠缺和制造能力水平不高等制約民用航空發動機研制能力的突出方面，開展專項技術提升工作，提升技術成熟度，系統解決技術短板；結合專項基礎研究，開展材料工程化應用研究；加強仿真計算分析軟件自主研發、商用軟件二次開發以及設計制造協同平臺的建設；充分利用國內外資源，利用國家共享科研試驗平臺，為型號研制、預先研究和基礎研究提供條件保障；聯合產業鏈上游供應商和同行共同開展制造技術攻關，引入國內外先進標準，完善相關檢測、試驗與驗證手段，提高零部件制造符合性，提升產品可靠性。

大力打造低成本設計制造理念

中小型民用航空發動機要得到市場的認可，首先要面對的就是國外同類產品的價格競爭，研發有市場價格競爭力的產品也是實現中小型民用航空發動機研制成功的關鍵。因此，在研發制造的各個環節，都需要引入低成本的理念，在滿足性能要求的前提下，盡可能地降低產品的成本。例如，綜合考慮質量、性能等因素，基于適應材料的結構設計與制造技術，合理確定研發制造的材料體系，逐步建立低成本材料選取數據庫；建立工藝研究中心和試制中心，不斷開展低成本工藝研究，有效降低產品的最終成本；加強仿真技術研究，不斷開展結構件的優化設計，提升整體化設計能力，減少零件、緊固件和模具的數量；提升數字化設計制造能力，為產品低成本設計制造流程提供支撐及依據；加強對制造模具選型的研究。

建立適航取證的分析及驗證手段

基于適航條款要求，以航空發動機取證為目標，深入開展符合性設計與驗證研究；依托預研和產品型號平臺，積極開展適航驗證技術研究，探索虛擬仿真驗證，形成取證所需的驗證能力，提高適航符合性技術成熟度。

加強與國家適航管理部門的溝通，推動適合國內適航法規的制定和修訂；緊密聯合國內科研院所，開展適航驗證條例研究，突破國外企業、機構對關鍵適航試驗驗證技術的壟斷，從制造層面著實提升民用航空產品適航驗證能力，加大民用航空發動機在制造過程的適航符合性，加快民用航空發動機適航取證進度，降低取證難度和成本。

結束語

我國中小型民用航空發動機產業發展當前尚處于起步階段，考慮我國今后對中小型民用航空發動機市場需求及技術進步的現實，進行自主研發是必由之路。重視基礎體系建設、建立自主研發體系、提升可靠性設計與制造水平、大力發展低成本設計制造理念以及建立適航取證的分析及驗證手段是現實自主研發的可行路徑。