■ 鄒劍峰 劉翠玉 / 中國(guó)航發(fā)研究院

隨著國(guó)際形勢(shì)的變化，美國(guó)開(kāi)始對(duì)俄羅斯實(shí)行制裁，使得MC-21面臨隨時(shí)失去動(dòng)力支撐的困境，此時(shí)作為PW1400G替代產(chǎn)品的俄羅斯國(guó)產(chǎn)PD-14發(fā)動(dòng)機(jī)被寄予厚望。2021年2月10日，PD-14通過(guò)批產(chǎn)認(rèn)證成為俄羅斯民用航空工業(yè)的重要里程碑，也是近幾十年來(lái)最具代表性和突破性的項(xiàng)目之一。

蘇聯(lián)解體后，俄羅斯航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)進(jìn)展緩慢，與歐美國(guó)家的差距不斷拉大。為重振航空大國(guó)的地位，俄羅斯民用航空工業(yè)啟動(dòng)了新型MC-21單通道飛機(jī)和PD-14渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)兩個(gè)并駕齊驅(qū)的項(xiàng)目。MC-21項(xiàng)目于2003年贏得俄羅斯航天局競(jìng)標(biāo)，2007年8月完成了第一階段的重要研制工作，項(xiàng)目方案和商業(yè)計(jì)劃得以確認(rèn)。項(xiàng)目參與方幾經(jīng)變化，最終俄羅斯政府于2008年指定伊爾庫(kù)特公司為項(xiàng)目主要承擔(dān)者并給予資助。MC-21項(xiàng)目的目標(biāo)不僅是取代老舊的圖-154，而且要與空客公司的A320和波音公司的737開(kāi)展競(jìng)爭(zhēng)。在MC-21項(xiàng)目的初期，并未就是完全自主研制還是利用國(guó)際合作方式進(jìn)行研發(fā)達(dá)成明確的和最終的意見(jiàn)，因此既可以配裝普惠公司的PW1400G發(fā)動(dòng)機(jī)，也可以配裝俄羅斯國(guó)產(chǎn)PD-14發(fā)動(dòng)機(jī)。2014年，隨著國(guó)際形勢(shì)變化，美國(guó)開(kāi)始對(duì)俄羅斯實(shí)施制裁，現(xiàn)在看來(lái)，俄羅斯突破重重難關(guān)自主研制國(guó)產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的做法是明智之舉。

MC-21配裝PD-14發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行試飛

PD-14發(fā)動(dòng)機(jī)和MC-21發(fā)展歷程

PD-14發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

PD系列發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)對(duì)比

項(xiàng)目基本情況

普京于2008年批準(zhǔn)了PD-14項(xiàng)目，這是繼PS-90A以來(lái)，由俄羅斯完全自主研發(fā)的第一型符合國(guó)際規(guī)范和要求的民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。PD-14發(fā)動(dòng)機(jī)由聯(lián)合發(fā)動(dòng)機(jī)公司（UEC）下屬的彼爾姆航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司設(shè)計(jì)，由彼爾姆馬達(dá)公司制造。

PD-14發(fā)動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)

PD-14發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，擁有經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的現(xiàn)代化設(shè)計(jì)、最佳涵道比和高效的核心機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)起飛推力約為137.2kN、增壓比為41∶1、風(fēng)扇直徑為1.9m、涵道比為8.5∶1、渦輪前溫度為1950K、耗油率54.08kg/（kN·h），環(huán)保參數(shù)優(yōu)于現(xiàn)行的排放標(biāo)準(zhǔn)。發(fā)動(dòng)機(jī)采用1級(jí)風(fēng)扇、3級(jí)低壓壓氣機(jī)、8級(jí)高壓壓氣機(jī)、2級(jí)高壓渦輪和6級(jí)低壓渦輪結(jié)構(gòu)。

PD-14 的衍生發(fā)展

由于使用了多種創(chuàng)新技術(shù)和全俄航空材料研究院（VIAM）等機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)的20多種新材料和50多種改進(jìn)材料，使得發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)與同類(lèi)產(chǎn)品相比有顯著改善，工作效率大大提高，污染物排放降低，預(yù)計(jì)其運(yùn)營(yíng)成本將比現(xiàn)有同類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)低14%～17%，全生命周期成本則降低15%～20%。

PD-14發(fā)動(dòng)機(jī)與同類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)對(duì)比列表

PD-14發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)和競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)為：較小的風(fēng)扇直徑可以減輕發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量和降低短艙的阻力，減少推力損失；集合了先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)技術(shù)與制造工藝；采用模塊化設(shè)計(jì)和內(nèi)嵌式診斷系統(tǒng)，全權(quán)限數(shù)字式電子控制（FADEC）系統(tǒng)可自動(dòng)控制發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中的燃油噴射、空氣流量和點(diǎn)火參數(shù)，以最低的油耗保持最佳性能，保障實(shí)現(xiàn)高可靠性和可制造性，從而降低成本。

發(fā)展系列化衍生產(chǎn)品

為滿(mǎn)足不同需要，PD系列發(fā)動(dòng)機(jī)在通用核心機(jī)的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)行一系列改型，也可發(fā)展為地面燃?xì)廨啓C(jī)。

項(xiàng)目研發(fā)特點(diǎn)

作為俄羅斯航空工業(yè)重整旗鼓的國(guó)家級(jí)項(xiàng)目，PD-14發(fā)動(dòng)機(jī)在研制過(guò)程中既吸取了航空工業(yè)幾十年積累的經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)，也進(jìn)行了大量的技術(shù)、工藝、材料的創(chuàng)新，項(xiàng)目有以下特點(diǎn)。

行業(yè)內(nèi)廣泛協(xié)作

PD-14發(fā)動(dòng)機(jī)的研制由UEC領(lǐng)導(dǎo)和組織，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)由彼爾姆航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司負(fù)責(zé)，制造方為彼爾·姆馬達(dá)公司。生產(chǎn)方面，UEC下屬各企業(yè)均發(fā)揮各自?xún)?yōu)勢(shì)專(zhuān)長(zhǎng)，如土星科研生產(chǎn)聯(lián)合體、烏法發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)聯(lián)合公司、禮炮燃?xì)鉁u輪科研生產(chǎn)中心以及UEC-STAR公司。此外，還有一些俄羅斯科研院所參與其中，如金屬工人-薩馬拉開(kāi)放式股份公司、機(jī)器制造者股份公司、沃羅涅日飛機(jī)制造股份公司、奧布寧斯克工藝科研生產(chǎn)企業(yè)等。

PD-14發(fā)動(dòng)機(jī)的研制和生產(chǎn)聯(lián)合了俄羅斯發(fā)動(dòng)機(jī)、冶金、材料等相關(guān)行業(yè)內(nèi)最優(yōu)秀的企業(yè)、科研院所和高校資源，代表了俄羅斯現(xiàn)今民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的水平。

重視關(guān)鍵技術(shù)

PD-14發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目不僅包括開(kāi)發(fā)有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)，還包括對(duì)試生產(chǎn)和批量生產(chǎn)進(jìn)行技術(shù)改造，提升關(guān)鍵技術(shù)成熟度。在項(xiàng)目框架內(nèi)，應(yīng)用發(fā)展了16種關(guān)鍵技術(shù)。例如，風(fēng)扇、壓氣機(jī)、渦輪燃燒室等主要部件設(shè)計(jì)時(shí)均采用三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法；開(kāi)發(fā)了鈦合金空心寬弦風(fēng)扇葉片的制造技術(shù)；高壓壓氣機(jī)1、2、5級(jí)盤(pán)由鈦合金制成，6～8級(jí)盤(pán)由新一代鎳基合金制成。低污染排放燃燒室由耐熱金屬間化合物制成，安裝了氣動(dòng)調(diào)節(jié)噴嘴，使用了第二代陶瓷熱障涂層。高壓渦輪轉(zhuǎn)靜子葉片由最新的單晶合金制成，同樣采用第二代陶瓷熱障涂層，葉盤(pán)由新一代鎳基合金制成，采用主動(dòng)間隙控制。低壓渦輪1～6級(jí)的轉(zhuǎn)靜子葉片均為空心結(jié)構(gòu)，采用主動(dòng)間隙控制。

PD-14發(fā)動(dòng)機(jī)研制參與單位

發(fā)動(dòng)機(jī)短艙由彼爾姆航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司和VIAM聯(lián)合研發(fā)，這也是俄羅斯的發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)與材料企業(yè)首次聯(lián)合設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)短艙，短艙中碳纖維、玻璃纖維等新型復(fù)合材料占其總質(zhì)量的65%，既保證了所需的彈性和強(qiáng)度，也減輕了發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量，還配備了電驅(qū)動(dòng)?xùn)鸥穹赐蒲b置。

研發(fā)與應(yīng)用國(guó)產(chǎn)新材料

PD-14發(fā)動(dòng)機(jī)采用的俄羅斯國(guó)產(chǎn)新材料主要包括：轉(zhuǎn)子葉片的單晶錸釕合金；噴管調(diào)節(jié)片的金屬間化合物；高壓渦輪的鎳基高溫合金，第二代陶瓷熱障涂層；渦輪軸和吊架部件的高強(qiáng)度鋼；高壓壓氣機(jī)和渦輪盤(pán)的高溫鈦合金等。這些材料都通過(guò)了適航認(rèn)證。

在材料研發(fā)過(guò)程中，VIAM、彼爾姆航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司和各冶金廠參與其中：VSMPO-AVISMA公司主要負(fù)責(zé)鈦合金坯料和半成品研制；Elektrostal冶金廠、Ruspolymet公司、斯圖皮諾冶金公司等負(fù)責(zé)高溫合金坯料與半成品研制，包括盤(pán)、軸和環(huán)件等；全俄輕合金研究所（VILS）負(fù)責(zé)粒狀合金研制；阿申斯基冶金廠、茲拉托烏斯特冶金廠、烏拉爾鍛造廠等負(fù)責(zé)管路、板材、帶材、線(xiàn)材等鋼與合金制坯料和半成品研制；Kamensk-Uralsky冶金廠負(fù)責(zé)鋁合金坯料和半成品研制。新材料的使用使發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量減輕、性能提升。

PD-14發(fā)動(dòng)機(jī)新材料與應(yīng)用部件

發(fā)動(dòng)機(jī)短艙采用的新型碳纖維和玻璃纖維復(fù)合材料也是俄羅斯首次研發(fā)，據(jù)稱(chēng)，這些材料在參數(shù)上不遜于其他國(guó)家同等材料，保證了發(fā)動(dòng)機(jī)短艙的性能。50種改進(jìn)材料包括VT20、VT8-1高溫鈦合金，VZh145、EI698、EP742、EP718、EP648高溫鎳合金，EP517-SH高溫馬氏體鋼、VNL-5高溫鉻鎳鉬合金，VKS5滲碳鋼等。

提升工藝與試驗(yàn)?zāi)芰?/h3>

PD-14發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中采用了增材制造、數(shù)字化生產(chǎn)等先進(jìn)工藝，各改型型號(hào)的零件統(tǒng)一規(guī)格程度達(dá)到80%。烏法發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)聯(lián)合公司在PD-14發(fā)動(dòng)機(jī)零組件生產(chǎn)時(shí)啟用條碼訂單管理系統(tǒng)，改變了工作模式，使勞動(dòng)生產(chǎn)率提高了15%～20%，也有利于實(shí)現(xiàn)質(zhì)量管理體系數(shù)字化。

VIAM首 次 利 用EP648PS鎳 基合金以增材制造方式生產(chǎn)出燃燒室頭部旋流器，縮短了制造周期，產(chǎn)品合格率達(dá)100%，并且就獲取金屬粉末、零件合成、加工處理等在內(nèi)的全生產(chǎn)周期制定了全套規(guī)范文件。

傳動(dòng)部件和潤(rùn)滑系統(tǒng)測(cè)試設(shè)備

發(fā)動(dòng)機(jī)材料和零件強(qiáng)度測(cè)試設(shè)備

在PD-14發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目研制過(guò)程中，俄羅斯首次在UEC各企業(yè)和行業(yè)內(nèi)先進(jìn)機(jī)構(gòu)（包括VIAM）建立材料與半成品性能試驗(yàn)理論數(shù)據(jù)庫(kù)，這也為俄羅斯國(guó)產(chǎn)材料在歐美取證奠定了基礎(chǔ)。

為保障各部件、核心機(jī)和全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)試，UEC建造了現(xiàn)代化測(cè)試設(shè)施和實(shí)驗(yàn)室，包括風(fēng)扇和低壓壓氣機(jī)模型測(cè)試設(shè)備、全尺寸風(fēng)扇機(jī)匣防擊穿測(cè)試設(shè)備、高壓壓氣機(jī)測(cè)試設(shè)備、渦輪盤(pán)和轉(zhuǎn)子測(cè)試設(shè)備、燃燒室機(jī)匣測(cè)試設(shè)備、核心機(jī)進(jìn)口加壓和加熱測(cè)試臺(tái)。尤其是建造了國(guó)內(nèi)唯一能模擬海拔狀況、側(cè)傾角和俯仰角的多用途發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)部件和潤(rùn)滑系統(tǒng)測(cè)試設(shè)備，在發(fā)動(dòng)機(jī)研制初始階段即可確定潤(rùn)滑系統(tǒng)的工作性能。

結(jié)束語(yǔ)

作為高科技產(chǎn)品，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制不僅需要國(guó)家層面的政策扶持和資金投入，還需要行業(yè)內(nèi)的廣泛協(xié)作。PD-14發(fā)動(dòng)機(jī)是俄羅斯航空發(fā)動(dòng)機(jī)及相關(guān)領(lǐng)域通力合作的成果，研制過(guò)程雖充滿(mǎn)波折，但挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存，已取得實(shí)質(zhì)性突破。如果經(jīng)濟(jì)形勢(shì)不急劇惡化，2022年MC-21-300型飛機(jī)和PD-14發(fā)動(dòng)機(jī)有望進(jìn)入俄羅斯市場(chǎng)。俄羅斯將繼續(xù)按照EASA適航條例推進(jìn)在歐洲的取證工作，一旦通過(guò)，PD-14發(fā)動(dòng)機(jī)也可推向國(guó)際市場(chǎng)。此外，在PD-14發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)過(guò)程中，積極開(kāi)發(fā)并采用新技術(shù)、新材料和新工藝，盡管存在難度大、風(fēng)險(xiǎn)高、研發(fā)周期長(zhǎng)的問(wèn)題，但長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，可以提升行業(yè)技術(shù)研發(fā)與制造工藝的整體成熟度，盡快彌補(bǔ)俄羅斯航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品與西方國(guó)家的差距，推動(dòng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制更上一個(gè)臺(tái)階。面對(duì)復(fù)雜多變的國(guó)際形勢(shì)，只有獨(dú)立掌握航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)與材料研發(fā)，才能擺脫其他國(guó)家對(duì)俄羅斯的技術(shù)掣肘。