■ 何龍江 / 中國航發(fā)動研所 弓升 / 中國航發(fā)動力所

面對新的市場需求，GE航空集團、普惠、羅羅等航空發(fā)動機制造商在核心機改進改型及發(fā)展的基礎(chǔ)上積極研發(fā)市場急需技術(shù)，搶占技術(shù)制高點，對民機產(chǎn)品發(fā)展謀篇布局。

根據(jù)波音公司2019年發(fā)布的《民用航空市場預(yù)測》，未來20年將新增44040架飛機，到2038年全球民機機隊將達到50660架，價值6.8萬億美元，同時中國將超越美國成為全球最大航空客運市場。民用航空動力具有單位價值高、研發(fā)難度大、技術(shù)更新快的特點，技術(shù)更新周期約為10年。面對新一輪的民機升級發(fā)展需求，GE航空集團、普惠、羅羅等航空發(fā)動機巨頭利用政府研究支持計劃，結(jié)合自主投資，大力發(fā)展具有市場潛力的技術(shù)，對民機產(chǎn)品發(fā)展謀篇布局。本文以核心機發(fā)展為脈絡(luò)，通過綜合分析三大航空發(fā)動機制造商正在開展的產(chǎn)品與技術(shù)研究項目，初步勾勒出未來民用航空發(fā)動機發(fā)展趨勢。

GE航空集團持續(xù)深耕，推動核心機改進發(fā)展

持續(xù)鞏固在寬體和窄體客機市場的獨特地位

GE 航空集團在高壓比核心機研發(fā)方面處于世界領(lǐng)先水平，獨具競爭力的核心優(yōu)勢保證了其在民機動力的領(lǐng)先地位。在多年支撐其寬體客機動力產(chǎn)品發(fā)展的核心機中，基于高效節(jié)能發(fā)動機（E3）計劃支持、由“10 級高壓壓氣機+2 級高壓渦輪”構(gòu)成的GE90 系列發(fā)動機核心機逐漸成為主力。該核心機隨GE90 發(fā)動機不斷改進升級，逐步實現(xiàn)性能優(yōu)化提升，衍生發(fā)展出GE90-115B、GP7200、GEnx、GE9X 等系列發(fā)動機。

表1 GE90系列發(fā)動機參數(shù)

面對普惠公司齒輪傳動渦扇（GTF）發(fā)動機通用核心機的競爭，GE航空集團啟動了更高效率、更低污染的eCore核心機計劃，將GEnx核心機進行縮比設(shè)計，引入最新氣動、結(jié)構(gòu)、冷卻、復(fù)合材料和低排放設(shè)計技術(shù)，使“10級高壓壓氣機+第二代雙環(huán)預(yù)混旋流（TAPS）燃燒室+2級高壓渦輪”構(gòu)型的核心機應(yīng)用由寬體客機延伸至窄體客機，市場對象包括支線客機和公務(wù)機等，同時延長與賽峰集團的合作至2040年，以上述核心機為基礎(chǔ)，共同研發(fā)替代現(xiàn)有CFM56系列發(fā)動機的推力范圍在80 ～220kN的下一代窄體客機的LEAP發(fā)動機。LEAP發(fā)動機由于核心機性能大幅提升、涵道比增加，燃油效率較CFM56 發(fā)動機提高15%以上。LEAP系列的LEAP-1A、LEAP-1B和LEAP-1C分別為空客A320neo、波音737MAX和中國商飛C919飛機提供動力，鞏固了GE航空集團在窄體客機發(fā)動機市場上的地位。

表2 CF34系列發(fā)動機參數(shù)

GE9X發(fā)動機從2013年啟動設(shè)計，2015年完成首臺核心機試驗，核心機性能表現(xiàn)超出預(yù)期。2016 年進行首臺發(fā)動機整機試驗。2017年進行了一系列結(jié)冰試驗。原計劃2018年取得適航許可證并于2019年初實現(xiàn)首飛，但在發(fā)動機耐久性試驗中發(fā)現(xiàn)可調(diào)導(dǎo)葉裝置存在設(shè)計問題，使波音777X首飛時間推遲，直至2019年11月該問題才得到解決。2020年2月，配裝2臺GE9X的波音777X實現(xiàn)首飛。GE9X從設(shè)計到首飛，完成了超過4100h的地面和高空試驗，循環(huán)達6500余次。2020年5月，GE9X發(fā)動機進行最終型號取證測試，有望于2021年隨波音777X投入商業(yè)運營。

奮力開拓支線客機及公務(wù)機動力市場

GE航空集團在寬體和窄體客機動力上一直處于領(lǐng)先地位，但在支線噴氣客機動力方面僅有CF34系列發(fā)動機產(chǎn)品獨當一面。該發(fā)動機 歷 經(jīng)CF34-1、CF34-3、CF34-8、CF34-10等多次改進，核心機也從原來CF34-3的14級高壓壓氣機改進升 級 為CF34-8、CF34-10的10級、9級高壓壓氣機，性能大幅提升。

為了在新一輪公務(wù)機動力競爭中搶占先機，GE 航空集團和賽峰集團聯(lián)合，充分應(yīng)用LEAP發(fā)動機核心機技術(shù)衍生發(fā)展了Passport 20 發(fā)動機。該發(fā)動機采用“3 級低壓壓氣機+10 級高壓壓氣 機+第 二 代TAPS 燃 燒 室+2 級高壓渦輪+4 級低壓渦輪”結(jié)構(gòu)設(shè)計，推力74kN。相比于CF34發(fā)動機，Passport 20發(fā)動機可靠性和性能大幅提升，2012年完成方案設(shè)計，2013年完成首臺發(fā)動機地面試驗，2014年在波音747-100上進行飛行測試，2016年11月配裝龐巴迪G7000（后更名為G7500）公務(wù)機實現(xiàn)首飛并于同年年底取得美國聯(lián)邦航空局（FAA）頒發(fā)的適航許可證，2018年12月隨首架G7500交付使用。Passport 20發(fā)動機成功配裝于G7500和G8000系列公務(wù)機，將GE航空集團發(fā)動機的市場領(lǐng)域拓展到新一代高端公務(wù)機。

普惠公司明確定位，研制全新核心機

另辟蹊徑，研發(fā)GTF發(fā)動機

在窄體客機動力方面，普惠公司雖然接收了羅羅公司V2500發(fā)動機股份，但該型發(fā)動機作為20世紀80年代末研制的產(chǎn)品，其性能難以滿足新一代飛機技術(shù)升級要求，普惠公司亟須研制出性能更先進的新型發(fā)動機。在寬體客機動力方面，普惠公司面對GE航空集團這個強有力的競爭對手，想保住其市場份額顯得力不從心，普惠公司原計劃與羅羅公司共同研制替代PW4000的新一代中型發(fā)動機也未能如愿。

有鑒于此，普惠公司基于對未來民機動力市場發(fā)展的預(yù)期，將籌碼放在了“改變行業(yè)游戲規(guī)則”的GTF發(fā)動機上。通過20年技術(shù)積累和10億美元投入，更加清潔安靜的GTF發(fā)動機PW1000G研制成功。該核心機是普惠公司在未來相當長的一段時間內(nèi)實現(xiàn)發(fā)動機系列化發(fā)展的重要基礎(chǔ)，奠定了其在GTF發(fā)動機領(lǐng)域無可撼動的技術(shù)優(yōu)勢。普惠公司高度重視GTF發(fā)動機專利體系的布局、申請和保護，使得其他競爭對手一旦采用GTF構(gòu)型設(shè)計就可能面臨侵權(quán)訴訟，難以準入。

PW1000G發(fā)動機核心機為全新研制，采用“8級高壓壓氣機+ TALON-X燃燒室+2級高壓渦輪”構(gòu)型，核心機壓比達到16∶1。PW1000G系列發(fā)動機推力為60 ～180kN，已作為空客A320neo、A220、三菱SpaceJet M90、俄羅斯MC-21、巴航工業(yè)E-Jets E2等5型飛機平臺的動力。此外，普惠公司正聯(lián)合波音公司探討“新中間市場”（MoM）客機上的潛在應(yīng)用，希望通過波音的MoM項目來擴展GTF發(fā)動機的應(yīng)用，使GTF發(fā)動機逐步進入高推力市場。

厘清現(xiàn)狀，緊盯公務(wù)機動力市場

普惠公司擁有推力等級較齊全的輕型和中型公務(wù)機發(fā)動機，含推力4.5 ～11kN的PW600系 列、13 ～20kN的JT15D系列及后續(xù)替換型PW500系列、21 ～33kN的PW300系列、44～88kN的PW800系列發(fā)動機。

最新型的PW800系列發(fā)動機采用“單級風扇+2 ～3級低壓壓氣機+8級高壓壓氣機+TALON-X燃燒室+2級高壓渦輪+2 ～3級低壓渦輪”結(jié)構(gòu)，核心機壓比為16∶1，于2013年實現(xiàn)首臺發(fā)動機地面運轉(zhuǎn)。2015 年年初，PW814GA（配裝“灣流”G500）和PW815GA（配裝“灣流”G600）獲頒型號合格證。2016 年，PW810 系列發(fā)動機在波音747SP 測試平臺及“灣流”G500 飛機上進行了超4000h 的飛行測試，結(jié)果表明發(fā)動機性能超出預(yù)期。2019 年，PW800 發(fā)動機榮膺美國《航空周刊》“公務(wù)航空推進類”網(wǎng)絡(luò)年度月桂獎。2019 年年底，PW810 系列發(fā)動機開始服役。

GTF發(fā)動機與LEAP發(fā)動機結(jié)構(gòu)對比示意圖

羅羅公司通過三轉(zhuǎn)子發(fā)動機核心機，推動發(fā)展與變革

審時度勢，從三轉(zhuǎn)子向傳統(tǒng)雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型

20世紀70 年代，羅羅公司研發(fā)了用于RB211三轉(zhuǎn)子發(fā)動機的核心機，通過對核心機不斷改進升級，發(fā)展了遄達700、遄達800、遄達500、遄達900、遄達1000 等系列發(fā)動機，奠定了羅羅公司在三轉(zhuǎn)子發(fā)動機方面的霸主地位，支撐了其近半個世紀的發(fā)展。

對于秒脈沖信號，一般脈寬1～2 ms，相對于 1 s的重復(fù)周期，其占空比是很低的，極易受到干擾。在數(shù)字電路設(shè)計中，對于脈沖信號的采樣，脈沖寬度的判寬濾波是常見的軟件抗干擾措施，即用較高的采樣時鐘連續(xù)對輸入脈沖信號進行采樣，如果連續(xù)N個采樣值都有效，則判斷該輸入脈沖有效，否則認定為干擾脈沖，作濾除處理。N值的設(shè)定依據(jù)工作現(xiàn)場的實際電磁干擾情況，原則是N次連續(xù)采樣的時間寬度應(yīng)該小于輸入脈沖信號的寬度。針對秒脈沖的軟件抗干擾保護，在FPGA固件設(shè)計中，采用了上述的判寬濾波處理，設(shè)計的采樣時鐘是10 MHz，N取值100，對脈寬在10 μs以下的輸入脈沖認定為干擾脈沖，作濾除處理。

表3 普惠GTF發(fā)動機家族

PW800發(fā)動機剖面圖

近年來，為了應(yīng)對飛機升級需要，羅羅公司以代表最新技術(shù)成果的遄達1000 發(fā)動機核心機為基礎(chǔ)，應(yīng)用在高效和環(huán)境友好的航空發(fā)動機（EFAE）計劃驗證的新技術(shù)，放大設(shè)計，發(fā)展出了遄達XWB 發(fā)動機，成為遄達系列有史以來最暢銷的發(fā)動機，也是目前羅羅公司生產(chǎn)的最大發(fā)動機。在遄達XWB發(fā)動機技術(shù)基礎(chǔ)上，羅羅公司又發(fā)展了遄達1000發(fā)動機的改進型遄達1000-TEN發(fā)動機。同時，采用遄達XWB發(fā)動機核心機，充分借鑒最新型遄達系列發(fā)動機的技術(shù)和經(jīng)驗，發(fā)展了用于空客A330neo的遄達7000發(fā)動機。

面對普惠公司GTF發(fā)動機和GE航空集團超高壓比發(fā)動機的競爭，羅羅公司基于對民機動力發(fā)展需求的預(yù)測，制定了分階段進行的未來10年航空發(fā)動機技術(shù)和產(chǎn)品發(fā)展路線：第一階段以遄達XWB發(fā)動機為起點，開發(fā)驗證Advance核心機與發(fā)動機；第二階段以Advance核心機為基礎(chǔ)，引入齒輪傳動結(jié)構(gòu)，開發(fā)和驗證具有顛覆性技術(shù)特征的“超扇”（UltraFan）發(fā)動機。Advance項目是羅羅基于高壓比核心機豐富的研制經(jīng)驗而做出的轉(zhuǎn)型抉擇，是從三轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)到傳統(tǒng)民機動力主流結(jié)構(gòu)的重大戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變。Advance核心機為“10級高壓壓氣機+2級高壓渦輪”構(gòu)型，發(fā)動機涵道比為11∶1，總壓比60∶1。2019年，羅羅公司持續(xù)開展了Advance3演示驗證。

UltraFan基 于Advance的 基 礎(chǔ)，采用超大“變螺距風扇系統(tǒng)”（variable pitch fan system），完全取消了低壓渦輪，由中壓渦輪通過齒輪減速傳動驅(qū)動風扇，結(jié)構(gòu)上由三轉(zhuǎn)子發(fā)動機變化為“兩軸半”。該發(fā)動機與普惠PW1000G系列發(fā)動機結(jié)構(gòu)基本相似，致力于滿足111 ～445kN推力范圍市場需求，與第一代遄達發(fā)動機相比效率提高25%以上，與遄達XWB發(fā)動機相比效率提高10%以上。2019年，UltraFan取得里程碑節(jié)點，完成了復(fù)合風扇系統(tǒng)試驗，持續(xù)開展演示研制，凍結(jié)設(shè)計狀態(tài)，成為全球效率最高的民用大型發(fā)動機。UltraFan發(fā)動機將于2021 年開始地面試驗，預(yù)計于本世紀20年代末投入使用。

遄達系列7個成員

表4 遄達XWB系列發(fā)動機參數(shù)

“珍珠”15發(fā)動機結(jié)構(gòu)

長期探索，開拓發(fā)展公務(wù)機動力市場

羅羅公司曾在公務(wù)機動力方面占據(jù)領(lǐng)先地位，主要產(chǎn)品有推力為30 ～52kN的AE3007系列發(fā)動機以及推力為65 ～72kN的BR700系列發(fā)動機，且BR700系列發(fā)動機占據(jù)較大市場份額。但在后續(xù)發(fā)展中，羅羅公司的多次嘗試均未成功，包括：AE3012被競爭對手CF34-8擊??；AE3014被自家BR710競爭擊敗；RB282、RB282-5、RB282-7被競爭對手PW800擊敗。雖然多次努力未成，但羅羅公司對于公務(wù)機動力發(fā)展從未停止。

2018年龐巴迪公司宣布新推出兩型長航程大客艙環(huán)球公務(wù)機——G5500和G6500，配裝羅羅公司的“珍珠”15系列發(fā)動機。這一消息揭開了羅羅公司為期6年的公務(wù)機發(fā)動機研制的神秘面紗。“珍珠”15發(fā)動機結(jié)合了Advance 2核心機的創(chuàng)新技術(shù)和BR700發(fā)動機的成熟技術(shù)，并引入遄達XWB發(fā)動機燃燒室技術(shù)，核心機采用“10級高壓壓氣機+2級高壓渦輪”結(jié)構(gòu)，壓比24∶1。發(fā)動機總壓比43∶1，涵道比4.8∶1，最大推力67kN，耗油率、噪聲、污染物排放量等均比BR700系列發(fā)動機低?！罢渲椤?15發(fā)動機于2015年完成地面測試，2019年第一批量產(chǎn)型“珍珠”15發(fā)動機交付。2019年12月，G5500和G6500通過了FAA認證。

啟示

通過上述對全球三大航空發(fā)動機制造商的研究分析，得到以下幾點啟示。

一是統(tǒng)籌布局，積極謀劃未來技術(shù)發(fā)展。民機市場競爭激烈且技術(shù)更新?lián)Q代周期快的特點，決定了其動力研制必須快速且安全可靠。世界航空發(fā)動機巨頭通用發(fā)展思路是：同代產(chǎn)品在已有核心機的基礎(chǔ)上進行系列改進改型衍生發(fā)展；換代產(chǎn)品基于技術(shù)成熟的發(fā)動機核心機進行全新研制。GE航空集團、普惠公司均基于為新一代民機動力研制的成熟核心機，通過縮放設(shè)計發(fā)展新一代公務(wù)機動力產(chǎn)品。羅羅公司雖然在窄體客機動力方面屢次受挫，但是通過多年潛心研究終獲突破，牢牢占據(jù)了原有的市場份額。

二是科學(xué)定位，追求多元化市場發(fā)展格局。三大航空發(fā)動機巨頭積極關(guān)注市場，通過對市場發(fā)展預(yù)測找準定位，找到適合自己的發(fā)展道路，在激烈競爭中贏得市場。GE航空集團在寬體、窄體和公務(wù)機動力上均有布局，LEAP發(fā)動機成為窄體客機動力首選，GE9X發(fā)動機突破多項先進技術(shù)獲得寬體客機廣泛青睞，新研Passport 20發(fā)動機激烈爭奪公務(wù)機動力市場；普惠公司通過研發(fā)GTF技術(shù)牢牢占據(jù)原有窄體客機市場，并將推力范圍不斷向上下擴展，精心布局全推力等級公務(wù)機動力產(chǎn)品；羅羅公司利用三轉(zhuǎn)子發(fā)動機技術(shù)優(yōu)勢衍生發(fā)展多款新發(fā)動機，不斷鞏固寬體客機動力市場，基于Advance和UltraFan分步發(fā)展，錨定未來窄體客機和更大推力級寬體客機市場，多年努力成功研制的“珍珠”15發(fā)動機保住了大型公務(wù)機動力市場份額。

三是先發(fā)制人，搶占知識產(chǎn)權(quán)保護制高點。當前，世界格局發(fā)生深刻變化，全球知識產(chǎn)權(quán)體系的布局、申請、管理和保護變得尤其重要。世界三大航空發(fā)動機巨頭高度重視知識產(chǎn)權(quán)制度建設(shè)，普惠公司對GTF技術(shù)和羅羅公司對三轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)發(fā)動機技術(shù)的保護甚至過度保護使得其他競爭對手難以準入，一旦采用其中的設(shè)計或技術(shù)同源的設(shè)計都很可能面臨他們的侵權(quán)訴訟，知識產(chǎn)權(quán)競爭成為市場競爭的主要內(nèi)容，也是企業(yè)的核心競爭力之一。