摘要 作為航空發動機零部件供應商,IHI還為普惠公司提供齒輪傳動式渦扇(GTF)發動機的風扇葉片,并參與GE公司的GE9X發動機項目。試驗驗證了超聲速點火、穩定燃燒、進氣道結構、燃油噴注...
作為航空發動機零部件供應商,IHI還為普惠公司提供齒輪傳動式渦扇(GTF)發動機的風扇葉片,并參與GE公司的GE9X發動機項目。試驗驗證了超聲速點火、穩定燃燒、進氣道結構、燃油噴注系統等關鍵技術。改革形成戰略新格局
整合
2016年8月28日,中國航空發動機集團在北京掛牌成立,新集團將集中致力于發動機設計、制造、試驗、相關材料研制等方面,建立中國航空發動機研制和生產的完整產業鏈,提升我國航空發動機整體水平。新集團成為航空發動機和燃氣輪機國家科技重大專項的實施主體,標志著我國航空發動機產業將形成全新格局。
9月,通用電氣(GE)公司宣布收購2家歐洲3D打印公司:德國SLM解決方案公司和瑞典Arcam公司,兩家公司均制造金屬3D打印機械,能夠3D打印渦輪發動機零部件。12月,GE公司與德國概念激光公司達成收購協議,允許GE在幾年內完全收購該公司。概念激光公司主營業務是設計并制造基于粉末床的激光3D打印機床。在2001年,該公司商業化了首臺金屬增材制造機床,16年來保持行業領先。
12月,羅爾斯·羅伊斯公司確認將向西班牙工程集團SENER支付7.2億歐元,買下雙方合資的ITP公司剩余的53.1%的股份。ITP公司是西班牙知名的航空發動機制造商。
發展
1月,日本防衛省透露,日本正準備制造其下一代戰斗機用發動機核心機,2017財年開始演示驗證,2018財年進行整機演示驗證;并已開展對高壓壓氣機、燃燒室等核心機關鍵部件的試驗。10月,在“2016-國際航空宇宙展”上,日本展示了最新國產XF7-10渦輪風扇發動機。XF7-10由石川島播磨重工(IHI)為P-1反潛機研制。作為航空發動機零部件供應商,IHI還為普惠公司提供齒輪傳動式渦扇(GTF)發動機的風扇葉片,并參與GE公司的GE9X發動機項目。
8月,伊朗在首都德黑蘭首次展出其自行生產的渦輪噴氣發動機。11月,報道稱伊朗已經推出了新的重型航空發動機,將采用軍用飛機的應用標準,可以配裝在伊朗正在研制的超聲速軍用飛機上。
6月,俄羅斯媒體報道,俄羅斯已經開始研制最大推力達到35噸級渦扇發動機,瞄準中俄聯合研制的大型遠程寬體客機,這是迄今為止俄羅斯研制的最大推力渦扇發動機。
在燃氣渦輪發動機領域躊躇不前的印度,在8月成功完成了首次超燃沖壓發動機帶飛點火試驗。飛行平臺在達到高度20千米、馬赫數 6的預定條件后,超燃沖壓發動機點火啟動,并持續工作5秒。試驗驗證了超聲速點火、穩定燃燒、進氣道結構、燃油噴注系統等關鍵技術。
由于航空發動機的技術難度高、研制費用高、研制風險大、研制周期長的特點,經多年發展,已呈現高度寡頭壟斷格局。以民用大推力渦扇發動機為例,只有美國、英國、俄羅斯、法國等國家能完成自主研制。這些發達國家在嚴格封鎖技術的同時,逐步控制產業鏈上游,以此抑制其他國家發展。中國、印度等國通過不斷改革調整、持續發展來提高能力、縮小差距。值得注意的是,日本在通過技術、資金等多種途徑積極“蹭入”美國各種先進航空發動機項目的同時,自身還在沿核心機到整機的航空發動機研發道路上穩步前進。
新產品開啟新時代
投入市場
1月,首架裝有普惠PW1000G 發動機的A320neo飛機交付德國漢莎航空,標志普惠GTF發動機正式投入商業運營。除A320neo以外,GTF發動機還用于龐巴迪C系列、三菱公司MRJ等飛機上。該發動機通過一套緊密的齒輪傳動系統將大涵道比渦扇發動機風扇軸與低壓渦輪軸分離,使各部件都可以按照最佳轉速運行,以提高部件效率,進而降低燃油消耗(比當前單通道飛機發動機低15%)。目前,普惠GTF發動機已經獲得30多個國家的80多家客戶的訂單,并陸續交付。12月15日,中國南方航空公司接收了首批該型發動機,16日,裝配GTF發動機的龐巴迪CS300飛機開始商業飛行。
10月,行業巨頭CFM國際公司交付了第30000臺CFM56發動機,該發動機在單通道飛機市場備受青睞,為超過12000架軍民用飛機提供動力,是最可靠的航空發動機之一。新一代LEAP系列發動機在向首家客戶交付之前,就已經售出超過11000臺發動機。該發動機通過在低壓部件引入碳纖維復合材料、高壓部件應用陶瓷基復合材料(CMC)及使用第四代3D氣動設計葉片等技術,使燃油消耗、溫室氣體排放、噪聲等指標顯著減低。今年夏季,裝載LEAP的首架A320neo客機交付土耳其飛馬航空公司。
在研型號
8月,羅羅公司的Advance 3核心機驗證機開啟一系列測試工作。這是羅羅公司下一代戰略發動機研發計劃(Advance項目和UltraFan項目)的里程碑,標志其在民用發動機領域又向前邁出了堅實一步。羅羅預期在2020年投入使用Advance發動機,其涵道比將超過11,總壓比超過60,燃油消耗比當前的“遄達”700至少降低20%。UltraFan則在Advance核心機基礎上,引進齒輪傳動裝置,使涵道比達到15,壓比超過70,而油耗比“遄達”700至少降低25%。10月,羅羅公司開始測試其大型“動力齒輪箱”。
10月,GE完成首臺完整GE9X航空發動機首輪地面測試。作為世界上最大的商用飛機發動機,其風扇直徑約3.4米,推力級別約45噸,將為波音777X提供動力,計劃于2020年投入使用。該發動機采用了壓比高達27的新一代高壓壓氣機,高效、低排放的第三代TAPS III燃燒室及采用CMC材料的燃燒室和渦輪。
10月,賽峰直升機發動機公司正式啟動了2500~3000軸馬力(1838~2205千瓦)的民用渦軸發動機項目,計劃在年底前準備適航認證,2017年底制造更高功率的型號。新發動機基于賽峰Tech 3000項目驗證的技術進行設計,采用與RTM 322類似的架構,作為GE CT7發動機的新一代競爭者,主要瞄準空客計劃下個十年投入使用的X2直升機項目。
11月,俄羅斯完成“產品30”發動機的首次試車,該發動機是俄第五代戰斗機PAK FA的第二階段發動機,以替換原型機和早期生產型機配裝的117S發動機。與117S相比,“產品30”風扇和高壓壓氣機級數減少,增加了鎳基單晶葉片、CMC材料、新型耐熱合金等新材料的使用范圍,耗油率降低15%以上,加力推力由14.5噸增至18噸。預計“產品30”將于2017年首飛,2020年完成研制。
12月,俄羅斯專為本國“大飛機”MC-21研制的新一代民用渦扇發動機PD-14開始第二階段測試。值得注意的是,為滿足經濟性、環保性等要求,該核心機是全新設計的,被稱為俄羅斯航空工業復興的希望。
或針對軍方需要,或為了迎合市場需求,特別是針對環保性、安全性、經濟性等要求的提高,航空發動機巨頭們紛紛采用新技術,推出新產品。一方面可以保持行業領先和市場占有率,排擠對手,另一方面也是將技術研發的成熟成果及時應用到型號中去,通過技術變現回籠資金以反哺研發,二者相輔相成。在新產品的實現路徑上,不同公司給出了不同回答,有的穩扎穩打、小步前進,如CFM56公司采用優化傳統部件的方式來提升性能;有的另辟蹊徑、跨越發展,如普惠公司引入革新的齒輪傳動技術,使發動機性能得到飛躍式進步。
技術創新邁入新階段
常規發動機發展項目
6月,美國空軍分別授予GE公司和普惠公司“自適應發動機轉化項目”(AETP)合同,總金額高達20億美元,旨在延續2016年底結束的“自適應發動機技術發展”(AETD)項目,利用AETD關鍵部件和核心機的成熟技術,研發、制造和測試自適應發動機工程驗證機,為2020年后美國空軍六代戰斗機發動機做準備,以及用于F-35飛機的中期換發工作。這標志著美軍六代機發動機已從技術研究階段正式轉入工程研制階段。
8月,美國陸軍分別授予先進渦輪發動機公司(ATEC)和GE公司一份“改進渦輪發動機項目”(ITEP)合同。項目旨在發展功率更大、可靠性更高、耗油率更低的渦軸發動機,用于UH-60“黑鷹”通用直升機和AH-64E“阿帕奇”攻擊直升機換發。本合同至2018年,主要用于推進設計工作,為發布“工程與制造發展”(EMD)階段招標做準備。美國陸軍希望首批ITEP發動機能在2024年投入使用,與UH-60和AH-64當前配裝的T700渦軸發動機相比,其耗油率降低25%,功率增大50%,設計壽命延長20%,能在高溫/高原環境中良好工作。ATEC公司、GE公司已分別為項目發展了雙軸的HPW3000和單軸的GE3000。
9月,美國開始“支持經濟可承受任務能力的先進渦輪技術”(ATTAM)計劃的規劃工作。ATTAM計劃的目標是研發用于一系列下一代高、中、低功率渦軸和戰斗機發動機的技術;除先進推進技術外,該計劃還首次納入了完整的綜合能量與熱管理要素,主要針對未來發動機支撐更多電力系統、定向能武器、功率更大的傳感器等需求,同時提高推進效率和飛行器自身的能量水平。該計劃被認為是美國新一代國家級軍用航空發動機技術發展計劃。
12月,美國國家航空航天局(NASA)表示成功測試了一個“嵌入式”發動機設計方案,將航空發動機內置到飛機的機翼中,利于邊界層攝入(BLI)技術,“逆傳統”地攝入流經飛機表面的低速邊界層空氣來提高燃油效率,降低噪聲。如果該設計可行,那將使類似“雙氣泡”D8的革命性飛機成為可能,航空運輸也將開啟新時代。
創新探索發展計劃
7月,英國反作用發動機公司(REL)聲稱將在2020年前開始啟動協同吸氣式火箭發動機“佩刀”(SABRE)1/4縮比驗證機(尺寸與F135發動機相當)的地面試驗。“佩刀”發動機是該公司針對其“云霄塔”單級入軌空天飛機發展的動力裝置,其核心是將來流空氣急速冷卻的強預冷卻技術,該技術已被美國空軍研究實驗室(AFRL)確認具備可行性。
8月,美國國防預先研究計劃局(DARPA)公開“先進全狀態發動機”(AFRE)項目的招標預告文件,標志著項目進入實質性階段。本項目旨在研發和地面驗證一種能夠在馬赫數為 0~5之間的范圍內無縫工作、可重復使用、碳氫燃料、全尺寸渦輪基沖壓組合(TBCC)的發動機,瞄準實用化高超聲速飛機的動力需求,例如,能夠在拒止環境下執行情報監視偵察(ISR)任務的高超聲速飛機。項目將采取射流預冷技術擴展渦輪發動機包線,實現渦輪/沖壓模態間的無縫轉換。
另外值得一提的是,隨著3D打印、CMC材料等技術的成熟,其在航空發動機中使用逐漸增多,并體現出顯著優勢。例如,LEAP發動機就使用了3D打印的燃油噴嘴,其耐久性提高了4倍,燃油效率提高15%,重量降低25%。美國3D打印的高超聲速發動機燃燒室也測試成功。繼F414發動機率先于2014年成功進行CMC低壓渦輪轉子葉片的試驗驗證后,PW1000G發動機也采用了CMC低壓渦輪葉片,Advance核心機采用了帶有CMC的封嚴段。
在常規燃氣渦輪航空發動機和高超聲速發動機技術均大幅領先其他國家的同時,美國仍幾十年如一日地通過一系列全面的、成體系的、前后連貫的項目計劃,完成由技術研究到發展驗證、再到向型號轉移的技術成熟過程,推動創新發展,一方面持續挖掘傳統技術的潛力,一方面探索前沿技術、培育顛覆技術,為技術成熟、型號預研、產品發展強根固本。
觀點
觀察航空發動機的年度發展,能顯著體會到,航空發動機是國家綜合實力的體現,能研發、制造的國家寥寥無幾。航空發動機強國在以往的雄厚技術基礎上持續前進,遙遙領先;后起國家盡管努力追趕,仍有較大差距,但這種差距正在逐步縮小。總體而言,航空發動機發展至今,其合理的發展道路已經基本明確,即常規型改進發展與創新型探索發展。一個立足當前,一個著眼未來;一個瞄準產品,一個強調技術;二者相互依賴,互成因果,都需堅持。
打牢基礎,積累技術。探索與預先研究是基礎,一型高性能的發動機是幾十年技術沉淀、經驗積累的結果,離開了先期那些不針對具體型號、甚至不知能否成功的探索研究與預先研究等基礎性工作,研制型號無異于空中樓閣。美國的各種項目計劃旨在推動技術進步,在其研制過程中開發的各項先進技術與獲得的經驗教訓,或被用于某型發動機,或用于別的行業產品,最終都將推動國家的進步,同時還具有防止別國技術突襲的作用。
認準方向,堅持發展。在常規形式燃氣渦輪發動機上,美國敏銳捕捉到變循環這個可能改變游戲規則的技術方向后,和企業通過一個接一個的計劃、項目,幾十年如一日,支持該項技術發展。從原理到關鍵技術研究與到核心部件試驗,再到集成驗證,研發者循序漸進,一步一個腳印。研發一套全新的推進系統本來就是一項周期長、資本密集的工程,如此大量資源的投入預期結果是制造出一型能持續服役數十年的高度復雜產品,以在經濟和軍事上長期領先于其他國家。
分散難點,各個擊破。任何一型新發動機,可能會涉及多項下一級關鍵技術,例如其中的風扇、壓氣機、高溫材料等,這就需要充分利用已有平臺資源,合理安排技術路線,對這些技術開展單項研究驗證,進而多項組合驗證,最后集成驗證,逐步增加難度。這樣容易把握研究進度、控制風險,同時也容易展示研究成果,提升項目信心。