中国大涵道比涡扇发动机研发现状及未来(二)

来源:两机动力控制 时间:2017-11-20 分享至:
[宇辰导读]我国的民用大涵道比涡扇发动机的研发现状和未来如何?


前中国也正处在商用发动机研发的“红利”期

在大型军用运输机方面,目前中国装备部队的大型军用运输机主要为从俄罗斯购买的伊尔-76大型运输机,配装Д-30ΚΠⅡ发动机,由于装备的飞机数量有限,还不能完全满足运输的需求。未来我国军用运输机将向着载质量更大、航程及作战半径更大、巡航高度更高、速度更快以及安全性、可靠性和维护性更高的方向发展,战术运输机、战略运输机及战略战术运输机需求量将逐步增大,对应需要大量不同推力等级的、更为先进、可靠的大涵道比涡扇发动机,据估计未来20年,中国军方还可能需要500-1000台大涵道比发动机。

此外,如果中国公司掌握了商用喷气式发动机的生产能力,它们便能够最终将国产发动机整机出口,全世界能研制航空发动机的国家很少,但具备飞机制造能力的国家却相对较多。不过,中国商用发动机的出口至少还需要很多年,但是考虑到一旦中国掌握自主生产能力,它就会成为强大的竞争对手,这是值得深思的。随着中国经济的发展,未来二十年内,中国的商用发动机市场将是世界上增长最快、规模最大的市场之一。

从战略角度考虑,政府和公司可能寻求减少中国对普惠、通用和罗尔斯-罗伊斯的依赖。这主要是为了替中国未来的军用空中加油机和空中预警机提供自主生产的发动机。这样就可以不受禁运的困扰,也不用担心价格纠纷等其他问题。只有中国能够实现自主生产所有关键部件,该战略才能真正起到作用。

一个国家能够依靠全球供应链建立强大的商用飞机工业,巴西航空工业公司就是这样的例子,但是,减少对外国飞机零部件的依赖特别是在关键的航空发动机上能够在军用飞机生产上取得战略优势。相比之下,消除依赖可能是不现实的事情。目前,即使美国一些军用发动机也在使用外国的技术。例如,美国的非战斗性军事飞机使用了美国GE和法国赛峰集团合资公司生产的CFM发动机;即使是战斗机也并非100%国内设计/生产。对中国来说,即使接近有限依赖的水平也是一个非常高的目标。

对其它工业的促进和影响

中国制造国产商用飞机发动机的雄心还受到了国家工业自豪感,以及发展其它工业的驱动。例如,航空发动机衍生出来的航改燃气轮机和重型燃气轮机可作为大型发电动力系统;衍生出的船用燃气轮机可用于大型舰船动力,特别是对航速和机动性要求较高的船只。

喷气式发动机的生产涉及极其复杂的供应链,特别是商用航空发动机和军用航空发动机具有很强的技术相通性,当能够制造自己的商用发动机时,商用发动机公司必须需要获得一个充足大型且灵活的供应链支持,而另一方面也面临西方国家的技术输出限制。目前俄罗斯联合发动机公司在生产PD-14发动机时,90%的发动机零部件采用国内用供应商,因此商发公司也可能采取这样的模式,而非效仿罗罗公司等巨头使用的全球供应链方法。

在具体实施上,中国公司可能会采取一定的测绘仿制,并逐步实现本土化的做法,所有部件生产的国产化需要很长的时间,过程可能会比较曲折。比较容易的方法就是先设计一部分零部件,并把它们装在进口的发动机上试验可靠性;之后再进行更高程度的组装。如果一开始就进行高程度的国产零部件组装,它可能会面临失败并难以找出导致失败的根本原因。就工业集群制造供应来说,西安、沈阳、成都和上海地区将是主要的地区。确实,即使是三巨头自身也不会使用这样激进的方法。从技术上讲,这种做法太昂贵,也非常危险。

合资公司在这时候就扮演着非常有用的角色,航空业是个数量不多的业务,这就使得经济规模和学习过程非常重要。作为主要的发动机生产商,GE公司每年仅生产数千台发动机。相比之下,主要的汽车制造商如本田,产能为年产25万或更多的车辆。根据经济情况,在美国其产能利用率在60-90%之间。

CFM国际公司由GE公司和法国赛峰两公司的合资企业生产并非偶然:这分流了风险,并使各自的专长得到互补,加强了金融和市场进入能力。例如,GE公司在特定领域能力不足,特别是在低端零部件制造;如果GE想往这方面发展,它的发展效率将会非常低。

中国发动机制造商可能会更大程度上利用合资企业,但抱有不同的动机。因为与政府的联系和享受政府的补贴,它在这方面可能受到限制。它们同时发展军民两用技术,能够更好的协调和针对进一步的军用项目;如果单独发展,可能难以获得这样的发展。在自主生产商,它们的方法可能确定中国缺乏的零部件,并与外国公司建立合资企业生产最重要的部件。优先考虑的可能如下:1)因为出口管制或垄断供应结构,在世界市场上难以买到的零部件;2)能够为军用项目提供帮助的关键技术。

这包括高压风扇技术和气流计算软件;一个例子就是大型风扇,这样的出口并未受到限制。实际上,零部件自主化将会阻碍中国工业基地的生产思维和独立途径。如果某一工厂历史性的生产出了某一部件,并得到官方的支持,它就可能限于这个领域以保护自己的金饭碗。

为了减少高程度“自主研制”的风险,该公司可能会效仿三巨头的生产模式。这包括确定5到10个最重要的子模块,从而缩小问题可能发生的领域。这需要80%的国产化生产,以及20%的零部件从外国进口。

知识产权和技术转让带来的挑战

外国公司声称,中国公司难以获得逆向工程技术,或者改进他们的发动机技术。例如,CFM国际公司的一位高层在2011年6月向媒体表示,他不认为中国的发动机项目短期内会带来威胁。他还说,“我们不担心在中国的知识产权问题,我们知道如何与他们合作时不转让技术,我们知道如何在和他们交往时保护我们的知识产权。”

2011年,CFM国际公司曾披露,他们已经与中航工业签署了一份谅解备忘录,“讨论在上海建立最终LEAP-1C发动机生产线和测试工厂的可能性,但是还没有敲定”。工作组表示,这仍是为了发展具有竞争力的商业模式,但要考虑到许多问题,我们还没有最终确定最终生产线会落户哪里?我们仍然在选择我们的供应商,所以谈论中国会生产什么零部件还为时尚早。

C919大飞机使用的LEAP-1C发动机/图 来源网络

6年过去了,目前CFM国际公司还没有决定在哪进行的全面总装,而同一时期的提供给空客和波音的LEAP-1A发动机和LEAP-1B发动机的总装分配问题却已经基本确定。我们怀疑这个过程持续如此之长的一个原因是发动机制造商想要在中国采取“美墨联营工厂模式”;即在自己知识产权能够得到最大限度保护的地方生产关键部件并进行部装,然后运输到中国进行总装。空客先进的天津组装线是国内目前最现代化的外国飞机厂商组装线,空客在德国汉堡生产零部件,之后把所有部件运到天津进行最后总装。这种情况下,在中国的组装并未受到成本的困扰。在中国拥有首屈一指的制造工厂可以确保在中国的销售,同时也扩大了产能。

中国的汽车产业也有类似的经历;与外国公司建立合资企业,仅得到很少的技术转让或仅得到发达国家市场上过时的技术。这可能仍会发生在中国航发商发公司和外国发动机合作伙伴身上,因为中国正努力避免成为二级市场,转让过时技术都能获得巨大利润。汽车部件的例子为如何保护产权提供了一个很好的范例;目前,通过多种手段的技术转让,许多中国合资企业正在国内零部件市场上进行激烈的竞争;在研发等领域对外国供应商也构成了威胁。

民用发动机和军用发动机的区别

这就是为什么全球只有少数可靠的民用发动机制造商,因为这是个充满技术挑战的产业,基本上就是零容错。中国在军民两个领域都在取得进展,但是它们之间存在着巨大的差异,军用发动机主要面临工程挑战,发动机性能比可靠性和经济性更重要,因为这对国家空军战力来说非常关键。

相比之下,民用发动机讲究设计成本控制,全球支持;剩余价值保证,美国FAA/欧洲EASA适航认证;全球管理和产权协调,以及保证使用的知识产权是合法的;售后服务,24小时的服务非常必要,虽然在一些情况下只能保证12小时服务。上述准则必须得到保证,因为客户在购买发动机肯定会考虑。

发动机的可靠性也必须得到保证。满足这一要求对发动机的性能和售后服务都有很高的要求,难以边实践边学习。这就需要响应式管理,及全球资源和服务网络的建立,包括能够熟悉当地语言且技术过硬的工程技术人员,以确保全球实时产品服务,确保客户的安全和信心。完全的国产发动机需要500-1000人进行不间断的客户支持,子模块的各种技术需要大量各方面的专家在任何时间随时待命。鉴于此,与承包商良好的实时协作与购买备用零部件和售后服务成本相比,发动机自身相对便宜。

剩余价值保证了制造商在固定时间内弥补期望价格与实际市场价值的差异,这对确保销售非常重要。许多客户在购买发动机时都有这样的要求,可能要求所有中国国产发动机也能这样,至少在开始时是这样。剩余价值保证周期一般为2-5年,为了确保对自己产品的信心,中国发动机制造商除了提供一般的保证外,还应提供更多的东西。

中国航空发动机供应商已经具备的一个优势就是:资金支持。政府和国有企业在获得授权之后,能够获得巨大的资源,并且在针对具体客户提供相应的资金支持方面有丰富的经验。一个比较复杂的因素是货币价格,美元仍然是全球货币,而中国要想使发动机国产化,它还缺乏对汇率上的控制。随着人民币的进一步升值,这对出口非常不利;虽然可能不会超过在正常上给予发动机发展的优惠,但却会加重生产成本。

在设计发动机时,要控制生产成本和在全球范围内提供可靠技术和维修支持非常必要,而这恰恰是中国的弱项,可能阻碍其在全球市场的竞争力。对军事应用来说,性能比成本更重要。对民用来说,如果发动机水平足够,降低整个寿命周期中的总体成本远比性能的提高重要得多。

民用发动机的售价远远不及整个寿命周期中飞行和维护所耗费的成本。航空产业中,主要的航空公司每年要把数十亿美元用在购买燃料上,中国产品在燃油效率方面将面临非常严酷的挑战,如果仅仅以低价出售,却无法证明自己产品的高可靠性和低使用成本,也可能难以被市场接受。

目前还不清楚,多少商发的领导真正意识到获得全球适航证和提高发动机燃油效率的难度。中国公司必须证明它们有能力在设计、获取适航证书、销售、售后服务和其他售后支持方面取得良好的效果。

另一个区别是中国的军用发动机项目对该国生产战机的能力具有积极影响,可使之自主生产五代机,只需达到美国上世纪九十年代的技术水平(类似于F-22战机上使用的普惠F119发动机)。如果期望再低些,实现能够量产性能的稳定,水平达到上世纪八十年代水平的普惠F100或通用的F110,就能够使中国大规模自主生产歼-10、歼-11和歼-15等战机,这将是重大的战略升级。

对于军用飞机来说,这是非常关键的,需要细致的努力提高性能。其它因素可能进行补偿,例如:发动机的维修和寿命限制可以通过购买更多的发动机来弥补,前苏联最极端的时候对新军用发动机寿命要求仅50个小时,因为觉得空战50小时内肯定已经分出了胜负。对于一个发展中国家来说,这非常实用,但不适用于充满竞争充分的民用发动机市场。

考虑到这些,如果国产发动机难以迅速达到CFM 56发动机或新型Leap-X发动机的性能和效率,中国国内航空公司的CEO们可能会支持继续使用外国生产的发动机。另一方面,北京一直希望中国商飞公司能够成为世界级的支线客机和大型客机生产商。

研发和维修挑战

军用涡扇发动机的研发必须在没有外国帮助的情况下独立进行,特别是这对一个刚刚涉足该领域的国家而言(至少是在现今的商用领域)。相比之下,在民用发动机方面,低压部件能够从合资企业及外国工业商提供的子模块中有所收获。而在军事领域,这些几乎是不可能的事情。

中国军用发动机的客户主要是中国军方,另外可能向那些难以影响其生产的友好国家进行小规模出口。因此,最大的挑战就是工程本身。相比之下,民用涡扇发动机面临着复杂的苛刻要求,有些问题可能是在数千次飞行之后出现的。

工程不是最主要的挑战,售后服务和知识产权管理才是最大的考验。所有国内和国外的客户都希望高效率和安全性。而要想得到FAA/EASA颁发的适航证,在失误方面的完全透明是非常必要的,即使商飞的C919也不可能例外。发动机常常需要维修,维修支持需要先进的工程和零部件。工程和设计链管理,特别是供应链管理是非常困难的。技术合作伙伴和子模块交付提供了良好的机会,但是这又会引发复杂的承包和知识产权问题。

适航取证

民用发动机想在全球航空市场投运,就必须通过适航取证过程。作为飞机关键零部件供应商,民用发动机通常必须获得FAA和EASA颁发的型号合格证书,而这是非常难进入和立足的领域,要求满足许多极度复杂但有效的适航标准,这对在极端恶劣环境中确保安全是非常重要的。

这些苛刻的适航标准,对新兴航空发动机制造商进入民用市场提供了限制。这就是为什么使用俄制航空发动机的飞机难以向全球大多数航空公司销售,而向北美、欧洲和日本市场出售飞机利润非常之大。

即便是西方较为成熟的LEAP发动机取证时间跨度也长达7年,并且涉及大量的试验测试。

而且就安全和程序而言,满足FAA/EASA适航标准也非常必要,美国FAA的相关检查手册达到数千页之多,它用于保证如何跟踪发动机工程的变化,任何变化必须得到授权。而如何控制质量,如何提交文档和如何处理,需求包括一份详述如何记录不同型号发动机数量的英文文档。

如果FAA/EASA的标准进行了修订,就需要耗费精力修改大量的文档,以及数千页的其它内容。每一个螺钉、螺栓、铆钉等零件都必须得到合格证书,还可能要为新的螺钉等零件撰写设计和证书相关文书。这些标准涵盖飞机设计和生产的所有方面,不仅仅是发动机。即使是不工作的部分,最细微的失败被忽略都可能引发重大后果,更不要说重要的推进系统了。

一架飞机甚至一款机型所有飞机的命运都将视缺陷的性质而定,一个很好的例子就是波音737-800和空客因使用Koito座椅而引发的事件。当他们发现日本公司伪造了防火和力度测试结果之后(来自32个航空公司的1000架飞机上的15万个座椅),使用这些座椅的飞机被推迟了交付,波音和空客立即选择了替代供应商并替换了座椅。除此之外,一些航空公司目前正与Koito一起致力于让落后的座椅得到合格证书。在满足适航标准方面,即使花再多的钱也在所不惜。

得到FAA/EASA颁发的证书对设计进程具有相当大的影响,中国在发展自己的航空发动机和飞机时,如何解决这些需求仍然是个问题。现在,中国正在努力改变发展方式,以符合FAA/EASA的标准。中国对商飞的C919具有很高的期望,希望它是能够取代波音和空客的一个尝试。

但是,与WTO条款和其他国际准则不同,安全和商业利益使得北京难以轻易满足适航标准。中国正在C919项目上投资数十亿美元,希望能够获得成功。相应的,中国正在向外国合资企业合作伙伴咨询,使其可以在发展的早期就引入FAA/EASA标准。但是,可能需要中国制造商在生产方面满足苛刻的标准。

FAA/EASA标准要求没有缺陷,这也使得人们好奇,中国如何在未来得到任何外国授权技术的情况下跳跃性的发展到这一状态。可以想象,这需要在设计和测试过程中采用逆向工程,因此会增加大量成本,加深项目的复杂性。

军民融合的可能性

在许多国家,同一组织和公司会涉足军民两个发动机产业;而且军用项目实际上可以补贴民用项目,这非常关键。因为新一代民用发动机,如CMF56需要50亿美元的资金支持,用于进行研发、测试和取证。日本曾试图发展以民用发动机为中心的项目,但并未获成功,缺乏军事补贴就是其失利的一大原因。

民用发动机研发能够促进军用发动机的研发,民用航空发动机公司更容易获得国外设计、管理软件、项目管理工具、测试单元设计、过程管理等资源,这些可以在一定形式上转为军用。

或许最显著的是,民用大涵道比涡扇发动机在不经修改或稍微改动的情况下,可用于装备包括空中加油机、运输机、空中预警机和其他大型军用飞机。美国的主要重型运输机(C-17和C-5)、空中加油机(KC-10和KC135)、预警机和其他飞机(E-3A和P-8A)都可以配备与民用飞机所用发动机基本相同的发动机。例如,CMF56系列发动机可以装备波音737和空客A320单通道飞机。一些军用飞机如KC135空中加油机、E-3A预警机和P-8A反潜巡逻机(自身是经过修改的B737-800装上737-900改进的更大机翼,能够携带更多的燃料,更厚的铝制外壳能够更好抵抗海域环境)。洛克希德马丁公司的C5-M超级军用运输机使用了CF6发动机,类似的,PW2000涡扇发动机装备了波音757和伊尔-96飞机。该发动机是F117上使用的PW100发动机的研发基础,美国飞机运输主力C-17运输机也使用了同一发动机。

总结

大涵道比涡扇发动机是自主研制大型飞机的关键,发动机技术不突破,就无法掌握大型飞机研制的主动权。目前来看,中国已经是一个大国和富国,正在向强国迈进,也许就像近期罗罗公司董事长伊恩-戴维斯表述的那样,全球第二大经济体可能很快将开始生产大型喷气式飞机所使用的发动机。


 

 

 

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