自由工廠
——羅·羅公司的研發創新基石

曾海霞，王巍巍

(中國航發四川燃氣渦輪研究院，成都 610500)

1 引言

羅爾斯羅伊斯公司(簡稱羅·羅公司)是世界三大航空發動機公司之一，能在眾多企業中立于不敗之地，主要是因為其擁有強大的創新研發能力。該公司一直致力于技術和產品的創新，并通過廣泛參與各項發動機預研計劃，如革命性的時敏目標遠程打擊(RATTLRS)計劃、自適應多用途發動機技術(AD?VENT)計劃、綜合高性能渦輪發動機技術(IHPTET)計劃等，不斷注入創新理念，發展創新技術。羅·羅公司的創新研發能力主要來自于其創新研發中心——自由工廠(LibertyWorksTM，又稱自由工作團隊)，該工廠是羅·羅公司的一個主要創新研發團隊，提出過很多創新理念，參與了許多新產品的研發和預研計劃。下文從建立背景、參與的研發項目和取得的創新成就等方面對自由工廠進行探究與剖析。

2 自由工廠

具有敏捷、創新、快速響應能力的自由工廠創建于2005年8月，是羅·羅公司旗下一個研發業績非常突出的子公司，正式名稱為羅爾斯羅伊斯北美技術公司。其與洛克希德馬丁公司的“臭鼬”工作組、波音公司的“幻影”工作組業務性質有些相似。

2.1 成立背景

上世紀90年代，羅·羅公司為加強其在世界航空發動機市場上的競爭力，開始了全球并購活動。1993年羅·羅公司就試圖收購美國艾利遜發動機公司，但直到1995年才得以收購成功[1-4]。這次收購不僅使羅·羅公司鞏固了其在世界航空發動機領域的地位，也使其在北美市場上具有了更強的實力。為有效利用這一優勢，羅·羅公司在美國成立了羅·羅北美公司[5]，將收購的美國艾利遜發動機公司納入旗下，并建立了艾利遜先進技術開發公司(AADC)來接手管理美國涉及尖端技術的機密項目。羅·羅北美公司組建后，為了更好地激發公司的創新潛力，孵化出更多的創新技術，決定在其成立的AADC基礎上創建自由工廠。圖1示出了自由工廠及其母公司羅·羅北美公司在羅·羅公司整個集團組織架構中的定位。

圖1 羅·羅公司組織架構圖Fig.1 Organization structure of Rolls-Royce

自由工廠的建立，不但鞏固了羅·羅公司在美國航空發動機領域的地位，而且使得羅·羅公司的產品譜系更加全面。因為自由工廠的前身AADC當時正在生產的產品既有功率3 374 kW的AE2100渦槳發動機，也有推力2 890～4 000 daN的AE3007渦扇發動機，還有功率4 520 kW的AE1107渦軸發動機[4]。此外，AADC還參與了一些先進軍用燃氣渦輪發動機的研究、驗證和開發項目，使得羅·羅公司在美國的業務范圍更加廣泛。

2.2 發展歷程

自由工廠成立后，AADC的研發工作全部轉到自由工廠。在羅·羅公司創新理念的驅動下，自由工廠把繼承過來的AADC原有項目進一步深度開發。其中比較典型的是升力風扇發動機技術的研發，采用該項技術的發動機已在F-35飛機上完成了短距起飛和垂直降落。

除此之外，自由工廠還把更多的精力放在新技術和新產品的創新研發上。2014年，自由工廠成功研發出YJ102R渦噴發動機。該發動機性能突出，無需采用加力燃燒室就能實現馬赫數3.0以上的超聲速飛行，展示了自由工廠在高速渦輪發動機研制方面的創新能力。

鑒于自由工廠強大的創新潛力，羅·羅公司把高馬赫數推進系統研發中心定在了自由工廠，研發重點放在馬赫數5.0以上的高超聲速飛行器用動力裝置上，其中包括研發高速渦輪發動機。自由工廠擬從高速渦輪基入手，研發渦輪基組合循環發動機(TBCC)的低速段動力。

3 主要成就

自由工廠借助羅·羅公司的寬廣資源，其研發創新范圍更加廣泛，在軍用航空發動機創新技術研發上成績斐然。在過去十多年中，自由工廠為其參與的多項高性能軍用發動機技術研發計劃提供了多項創新技術，體現了目前燃氣渦輪發動機領域的最高水平。如為RATTLRS計劃提供的YJ102R高速渦輪發動機上使用的Lamilloy技術，為ADVENT計劃提供的自適應風扇技術等。

3.1 Lamilloy技術[6]

Lamilloy技術是自由工廠開發的一種新型冷卻方案，其冷卻結構見圖2。它是層板冷卻制造技術、精密鑄造技術和材料技術相結合的產物，具有強化對流、沖擊及氣膜冷卻的綜合效果，是自由工廠的標志性技術。該項技術的研究始于20世紀60年代，在艾利遜公司時期就對Lamilloy的冷卻特性、設計和制造工藝以及使用壽命進行了詳細的研究[7]。自由工廠成立后加強了該技術的工程應用探索，并隨著不斷發展驗證，Lamilloy技術不斷完善，冷卻效果也更加顯著，最終在YJ102R發動機(圖3)上得到了成功應用。

圖2 典型的Lamilloy冷卻結構[8]Fig.2 Typical Lamilloy cooling structure

圖3 YJ102R發動機Fig.3 YJ102R engine

YJ102R發動機是自由工廠在美國海軍研究辦公室資助下，為臭鼬工廠提供的一種全新研制的高性能發動機，它是RATTLRS計劃驗證機的動力裝置，其單位推力是J58發動機的6倍。YJ102R發動機的核心機非常先進，熱力循環參數已達到很高水平，是目前單位推力非常高的發動機之一。YJ102R發動機之所以有如此高的推力，主要原因之一是其采用了Lamilloy多孔層狀合金，可以吹入來自壓氣機的高壓空氣，為燃燒室和渦輪部件提供蒸發式冷卻[9-12]。

3.2 自適應風扇技術

自適應風扇技術是自適應發動機的一項關鍵技術，它是利用第三涵道來改變發動機的涵道比。三涵道是除傳統渦扇發動機的核心機涵道和低壓外涵道之外，在外圈增加的可開合的第二外涵(圖4)。低馬赫數時，第三涵道打開，增大發動機的涵道比，并大幅度提高發動機的推進效率。超聲速下需要更高的單位推力時，第三涵道的氣流將流過核心機，以提高排氣速度。在特殊需求狀態下，第三涵道的氣流可用于發動機冷卻。

圖4 美國空軍研究實驗室展出的ADVENT三涵道設計Fig.4 Three-stream design in ADVENT program presented by AFRL

自適應風扇技術通過風扇流量的變化來改變涵道比，從而實現發動機的可變循環特性，該項技術是ADVENT計劃研究的關鍵技術之一。在獲得AD?VENT計劃合同后，自由工廠就著力進行自適應發動機的初始設計、詳細設計與分析、風險降低研究及關鍵部件試驗，包括全環燃燒室試驗、陶瓷基復合材料部件研究與試驗等，并完成一臺核心機的試驗驗證[13]。由于其承擔的自適應通用發動機技術驗證機計劃工作達到了主要的里程碑要求，自由工廠再次被美國空軍選中進行ADVENT計劃第二階段的研發工作。2010年底，自由工廠開始在美國空軍研究實驗室(AFRL)的風扇試驗臺上進行自適應風扇試驗，到2012年6月結束時共完成250 h的風扇工作性能試驗和其他試驗[14]。截止到2015年，自適應風扇技術的試驗驗證工作基本完成。

3.3 超高壓比技術

超高壓比技術源自高效嵌入式渦輪發動機(HEETE)計劃。該計劃是為滿足未來中/高空情報、監視和偵察(ISR)平臺無人作戰飛機和運輸機的超長耐久性和航程需求，開發和驗證推力為8 900～15 575 daN的渦扇發動機。2007年，自由工廠從AFRL獲得HEETE計劃合同并進行了相關研究，其關注重點是超高壓比壓氣機技術及其相關熱管理特性，目標是使空軍無人機的航程延長30%或負載和燃油載荷增大50%，巡航時間延長90%；使海軍作戰無人機的航程和巡航時間分別延長1倍[15-16]。

為達到HEETE計劃中相對基準發動機耗油率降低25%的目標，自由工廠極大地提高了壓氣機的級壓比，至少比2000年技術水平發動機核心機的提高了230%。2010年，超高壓比壓氣機完成第一階段的臺架試車；2013年，超高壓比壓氣機完成了試驗驗證，成功驗證了超高壓比的性能和部件溫度的管理。圖5為HEETE計劃的壓氣機試驗件。

圖5 自由工廠參與的HEETE壓氣機試驗件Fig.5 HEETE compressor test rig which LibertyWorks was participated

提高壓比也就意味著增加溫度。據悉，與2009年技術水平的發動機相比，HEETE計劃核心機所承受的溫度要高出163℃[15]。為此，自由工廠研發了一款對空氣進行冷卻、結構緊湊的輕質量熱交換器，用以冷卻壓氣機葉片和葉盤。

4 經驗與啟示

自由工廠盡管只是羅·羅公司龐大組織架構中很小的一個組織，但卻是羅·羅公司強大航空發動機技術的重要神經系統，參與了許多重要的航空發動機研發項目，使羅·羅公司在國際航空發動機市場保持著強有力的競爭力，為羅·羅公司的發展做出了突出貢獻。

通過對自由工廠的剖析可以發現：一是自由工廠的組建進一步完善了羅·羅公司的發動機產品譜系。除羅·羅公司原本就在大型航空發動機方面具有的突出優勢外，自由工廠組建后加強了其在渦軸、渦槳和中小型渦噴/渦扇發動機方面的競爭力。二是自由工廠通過負責或參與羅·羅公司承擔的大部分軍用發動機預研項目，且大多是先進發動機預研或新技術驗證項目，獲得了大量的新技術，積累了豐富的工程技術經驗，已成為羅·羅公司發動機先進技術的重要試驗和研發基地。三是羅·羅公司通過組織架構整合與并購運作，借助自由工廠成功打入美國航空發動機研發領域，深度介入美國開展的各種軍用發動機預研項目，并與美國兩大航空發動機公司GE和普惠展開發動機業務競爭或合作，融入到了區域行業領域。羅·羅公司通過自由工廠前身AADC在美國本土千絲萬縷的關系及自身的技術實力，成功地在美國空軍和海軍的研發計劃中分得一杯羹。目前，我國航空發動機研制在創新力不足、競爭力小、技術封鎖等問題上存在的問題，可參考和借鑒羅·羅公司組建自由工廠的成功經驗。