中国民航何以堪忧?唯有发动机

航空微读 2018-04-13 15:30:48


适航与安全息息相关


“适航”的概念最早起源于美国。从字面上来讲,“适航”就是“适合航行”的意思。对于民用飞机来说,适合航行首先要安全,能安全地起飞、爬升、巡航、下降和着陆。


在20世纪初,航空业在美国发展非常迅速,但那时飞机安全性极低,摔飞机成了家常便饭,迫切需要政府出手监管。1926年美国成立了一个专门机构,此机构初期职责主要是制定安全规章、飞机取证和认证机组资质,这就是大名鼎鼎的美国联邦航空管理局(FAA)的前身。


安全是相对的而不是绝对的。如果安全水平过高,费用就会非常昂贵,可能导致普通民众坐不起飞机;而安全水平过低,公众又无法接受。


怎样才算“安全”呢? 局方认定飞机的整体失事率应低于人的自然意外死亡率,相当于洗澡溺水、走路被车撞身亡的概率。这是一个公众、乘客、飞机设计制造人、运营商都能接受的安全水平。


由此,安全逐渐成为民用航空业赖以生存和发展的基石,满足适航要求也随之成为民用航空界的共识,并成为最为关键的技术门槛。随着世界各国航空工业的发展,当前国际民用航空实践表现的安全水平已高于适航标准要求的安全水平。适航标准已成为“地板”,而绝非“天花板”,目前世界各国适航标准要求的均是最低安全水平。



 适航全寿命管理理念不容忽视


根据民航法和适航管理条例,任何单位或者个人设计民用航空器,应当向民航局申请并获得型号合格证(TC);制造民用航空器,需要经生产许可审定并获得生产许可证(PC);使用民用航空器,需要经单机适航检查并获得单机适航证(AC)。因此,TC、PC、AC也被称为民用航空器适航的“三大通行证”,民用航空器只有经民航局适航审定合格才能够进入民用航空市场。


然而,三大通行证仅仅表明飞机及其设备/系统符合了初始适航要求,能够被允许进入民用航空市场。重视使用维护阶段的持续适航,重视适航贯穿设计、制造、生产、运营、维修等阶段的全寿命周期管理理念,才是在民用航空市场保持竞争力的关键所在。


例如,CFM56发动机作为最成功大涵道比民用航空发动机之一,发展了CFM56-3、CFM56-5、CFM56-7等多种型号。CFM56-7在保持高可靠性的同时有效降低了油耗、噪声和污染,减少了维护费用。对使用阶段持续适航的重视使得CFM56发动机相关技术不断提升,并长期保持足够的市场竞争力。




工业实践推动适航发展


适航技术的发展离不开航空工业基础的强大。欧美等国的航空发动机技术基础体系完备,能够支撑民用航空发动机研制,安全性水平甚至普遍高于适航规章要求。同时,民用航空发动机型号多,在役发动机为其积累了大量使用数据,又进一步推动了适航技术发展。


以欧洲航空安全局(EASA)和FAA为代表,国外经过多年探索研究发展,已形成完善的民用航空发动机适航取证技术与管理体系,并通过先进的航空发动机研究与发展计划,开展新材料、新技术的研究,不断应用于型号研制中,提高适航技术水平,引领着国际民用航空发动机发展方向。


ARJ21-700是我国首次严格按照国际先进适航规章研制的运输类飞机。ARJ21-700的成功取证培养了一批适航专业人才,得到了一系列适航技术成果,也为未来民用航空发动机的适航取证摸索出了一条可行道路。



如今,中美签署《适航实施程序》为两国民用航空发动机的交流和制造商的合作创造了良好的双边环境。我们相信,在中国民航局与中国航发等多方的共同努力下,随着中国航空发动机自主研制的顺利推进,适航体系会逐渐完善,研发验证能力也会稳步提高。(马千里)




航空发动机被誉为“现代工业皇冠上的明珠”,其技术难度之大,不言而喻。


为此,世界各国造航空发动机时都小心翼翼,尽量降低难度系数,确保安全性。


我国自主研发的CJ-1000A发动机,性能指标“顶天”,几乎和代表世界最先进水平的美国的LEAP发动机一样。


很多人提出质疑:我们刚一起步就瞄准了这个难度系数爆表的“硬骨头”,风险非常大,这样真的靠谱吗?


文 | 陈耕 瞭望智库特约科技观察员

本文为瞭望智库原创文章,如需转载请在文前注明来源瞭望智库(zhczyj)及作者信息,否则将严格追究法律责任。


2017年即将结束时,我国民用航空动力领域接连取得阶段性成果:


*12月1日,我国自主研发的大型客机发动机CJ-1000A(又称长江1000A)的高压压气机完成了第一阶段试验。

已获取的初步试验结果表明,该部件的部分性能指标已接近国际先进水平。


*12月9—10日,大型客机发动机CJ-1000A型号研制项目在上海通过由工信部、中国民航局、国防科工局等部门组织的概念设计评审。

(图源:工信部网站)

*12月25日,大型客机发动机验证机CJ-1000AX(X代表验证机)首台整机在上海完成装配。


这标志我国首个民用大涵道比涡扇发动机整机验证平台已经建立,为后续研制工作奠定坚实基础。


 

首台CJ1000AX验证机整机装配下线(图源:工信部网站)


1

有多强?



 

CJ-1000A是由中国航发商用航空发动机有限责任公司(下文简称“商发公司”)为国产大飞机C919配套研制的双转子大涵道比直驱涡扇发动机。

 

CJ1000A发动机总体结构(图源网络) 


*涵道比约为9;

*推力约为25000~28000磅(约113~127kN);

*由1级风扇、3级增压级、10级高压压气机、单环形燃烧室、2级高压涡轮及7级低压涡轮组成;

*采用全三维气动设计、贫油预混燃烧、主动间隙控制等先进技术,以及宽弦空心风扇叶片、整体叶盘、新一代单晶、粉末冶金等先进材料工艺。


这样的性能,在世界上处于什么水平呢?


国际上,大涵道比涡扇发动机总体性能设计技术的发展,大致经历了四代,每一代技术进步都伴随着更大的涵道比、更高的总增压比和涡轮前温度的提高。


典型的第四代大涵道比涡扇发动机包括通用电气所采用的GEnx(波音787的发动机)、罗罗的TrentXWB(空客A350的发动机)以及CFM国际公司的LEAP系列(空客A320neo、波音737MAX和C919的发动机)等。


最新的第四代大涵道比发动机性能如下:


*涵道比高达8.0~11.0,总增压比达到40~52,涡轮前温度约为1500℃以上;

*叶片设计中采用了新一代三维气动设计,风扇叶片采用掠形设计,风扇机匣采用复合材料制造;

*为满足21世纪严格的环保条例的要求,采用低排放的燃烧室设计与更加完善的降噪设计。


LEAP-1C发动机相关数据(图源:观察者网)


对比一下就会发现,CJ-1000A发动机采用了多种第四代大涵道比涡扇发动机的典型技术,在涵道比、总压比、涡轮前温度等关键参数上达到了第四代的水平,在复合材料的使用上相比LEAP系列略有差距,保守估计是一种介于CFM56系列发动机的最新改型CFM56-7系列和LEAP系列之间的先进发动机。


虽然它距离LEAP系列发动机还有一定的差距,但这对于之前毫无民用航空发动机研发经验的我国来说,已经是一个非常高的起点,对提升我国航空涡轮发动机的整体水平具有重大意义。


2

靠谱吗? 



 

很多人心中有一个疑惑:既然航空发动机研制生产难度那么大,我国之前也并未成功开发过一款民用航空发动机,那么,我们研制的性能指标极高的CJ-1000A是否靠谱呢?


库叔对此是持谨慎乐观态度。


第一,只要严格按照科学规律办事,中国一样可以生产出可靠安全的大飞机发动机。


质量是一门科学,不是某一公司、某一国家甚至某一民族的专利。


欧美航空强国的产品之所以质量过硬恰恰是因为其严格遵循了科学规律。现在,“中国制造”里已经涌现出大量的高质量产品。


第二,对于不熟悉航发的人来说,判断CJ-1000A发动机靠不靠谱的标准就是:如果通过了美国联邦航空管理局(FAA)或者中国民用航空管理局(CAAC)的适航认证,就可以放心乘坐了。


CJ-1000A发动机是严格按照民航适航要求研制的,相关的适航认证活动也会慢慢开展,计划于2021年后获得相关认证并投入使用。


第三,我国之前虽然没有成功研制过民用航空发动机,但是我们底子很厚。


一方面,我国在军用发动机领域的深厚积淀给民航发动机的研发打下了坚实的基础。


自建国以来,经过六十多年的不断建设,我国建立了门类齐全、规模庞大的航空工业。我国是名副其实的航空大国。


1958年2月12日,毛泽东主席视察沈阳航空发动机厂,听取关于涡喷5发动机的介绍(图源:中国航空报)


*仅航发领域就有中国航发沈阳发动机设计研究所、中国燃气涡轮研究院等多个研究机构;


中国航发沈阳发动机设计研究所(图源网络)


*黎明、黎阳、南方、东安等多个航空发动机生产厂家,数十年来共为军方、警方、民航及外国用户交付了数万台各种类型的航空发动机;


*全国从事航空发动机设计生产的科研和技术人员有近十万人。


我国航空工业自建立伊始就着眼于为军用服务,大量资金、技术和从业人员集中在军用发动机领域,取得了累累硕果。


目前,世界上只有美国、俄罗斯和我国成功研发生产了第三代战斗机所必需的推重比为8一级的军用大推力小涵道比涡扇发动机;


在第四代(国外称第五代)战斗机所必需的推重比为10一级的军用大推力小涵道比涡扇发动机上,依然只有中美俄三家在研发;


在下一代战斗机上使用的变循环(即涵道比可以调节)发动机上,则只有中美两国的身影。

 

中国航发集团(AECC)研制的FWS-10 “太行”小涵道比涡扇发动机(图源网络)


军用发动机的原理、技术和材料与民用发动机是相通的,两者的真正区别在于,民用发动机对安全性和可靠性要求更高,在很多细节上要求更高,从整体设计、部件设计、试验试飞、生产管理的全过程都严格按照适航标准进行。


所以,我国在军用发动机上的很多技术及经验,完全能为民用航发的研发提供可靠借鉴。


另一方面,在制造技术上,国内众多航空发动机企业早已积累了丰富的发动机零部件制造加工经验(通过加入国外民用航空发动机的供应链体系、为欧美航发巨头代工生产多型民用航空发动机的各类零部件等),多数代工企业凭借着过硬的质量成为国外厂商的金牌供应商。


中国航发集团(AECC)生产的粉末冶金涡轮盘(图源:中国航空报)


近10年,得益于中国经济的迅速发展以及对航空航天领域的大幅投资,我国航空制造企业技术实力明显,一些生产制造车间的先进性甚至超过了国外的OEM(俗称“代工”)厂商,大量为航发界巨头罗罗、GE和CFM等公司代工发动机零部件。


无锡透平叶片有限公司生产的压气机叶片(图源网络)


据美国GE公司中国区工程技术总经理介绍,包括高压转子轴承、头到尾的机匣、压气机轮盘等核心部件在内,GE公司的发动机约有80%-90%的零部件在中国制造。当然,由于政策限制,一些敏感的热端部件(比如燃烧室、高压涡轮的叶片等)不能交由中国制造。


由此可见,我国航空产业不缺乏理论能力和工程技术,缺的恰恰就是发动机整机设计和系统整合等的实际经验。CJ1000系列发动机的研制很好地弥补了这一缺失。


首先,我国可以完全掌握先进大涵道比涡扇发动机的总体设计和系统集成,这种顶层设计能力和全局整合能力是航发领域的基础实力;


其次,我国可以通过与国际上各类航发供应商建立合作关系,掌握先进航发所需的各种先进的零部件和设备的设计生产能力,并有可能借此机会带动一批国内企业进入国际航空产业的产品供应链,全面提成整个航发的技术实力;


再次,通过建立合资工厂,我们的工程师和工程管理人员可以全面学习西方航发巨头的先进生产管理质量控制成本管控等必备的软实力,加快国内航空产业的现代化正规化转型;


中国商飞与通用电气(GE)合作培养人才(图源:民航资源网)


最后,通过严格按照FAA适航标准进行试验试飞和适航取证,我国可以与美国联邦航空管理局(FAA)建立密切合作关系,使得国内的民用航空标准紧跟世界最高水平,为后续更先进更大推力等级的民用涡扇航空发动机的适航取证打下坚实基础。

 

3

不能缺! 



 

要搞民航发动机,市场意识必不可少。这里我们非常有必要提下苏联。


作为冷战时期和美国并列的超级大国,苏联的航空发动机实力非常雄厚,在航空发动机气动总体、结构强度、燃烧传热等很多领域的科研实力与美国不相上下,有着克里莫夫、留里卡、索洛维也夫等著名的航空发动机设计局,在军用航发领域成功研发过诸如AL-31系列(装备苏27系列飞机)、NK23系列(装备图160系列轰炸机)等一大批技术先进性能强悍的航空发动机。


但与在世界上占据主要地位的军用航空发动机相比,苏联民用航空发动机乏善可陈——在世界民航市场上份额非常小,仅仅在东欧华约国家等非常有限的范围内使用。


直到苏联解体、俄罗斯联邦建立,这一情况也没得到改善。


现在,包括俄罗斯在内的原苏联国家航空公司普遍从波音和空客购买客机,配备通用或罗罗等西方航空公司生产的发动机。


为什么呢?


图154客机(前苏联图波列夫设计局设计)(图源:中国航空信息网)

 

图154飞机使用的D30KP2涡扇发动机(图源网络)

 

第一,苏联用做军用发动机的思维去做民用发动机,使用成本较高。


军用发动机不需要面向市场,为了国家安全和国防需要,不用过多考虑高成本和巨大的维护费用问题。一切为了完成任务,耗油多、维修复杂、寿命短等缺陷并非不可接受。


而民航发动机归根到底是一种市场化产品,最终是需要盈利的,不然就会被市场果断淘汰!


军用运输机货舱(图源网络)


民航客机机舱(图源网络)


苏联设计民航发动机的设计局,主要工作是设计制造轰炸机、运输机所使用的发动机,设计制造民航发动机仅仅是顺便而为,把成熟的军用发动机做些改动,能让民航飞机正常上天飞行,就算完成任务了,对成本不敏感,对舒适性和安全性要求较低。


与此形成鲜明对比的是,虽然通用电气、普惠和罗罗等西方航发企业也研发生产军用发动机,但在设计民用发动机时,这些航发企业完全是针对民用航空市场的需求重新进行研发和试验。


实际上,苏联航空发动机的采购价格普遍比西方同类产品更便宜,对于民航这种对价格非常敏感的行业来说,这本应成为苏联民航发动机的一大优势。


然而,事实却不是如此——苏联生产的发动机采购价格便宜,但使用成本却出奇地高。


民航飞机的运营成本中,油耗和维修费用占据主要部分。


使用D30发动机的图-154飞机耗油约为5吨/小时,而使用CFM56发动机的波音737和空客A320耗油约为3吨/小时,耗油率仅为苏联的60%!


此外,在可靠性和寿命方面,欧美航空发动机的平均无故障间隔(MTBF)和整机寿命都是苏联发动机的数倍!


这意味着在日常运营中,使用苏联发动机的维修成本和所需备件数量都要高出数倍,比使用欧美发动机贵得多。


图154频频发生严重事故(图源:中国网)


其次,苏联民航发动机没有参与到全球竞争中去。


苏联的图系列飞机及配套发动机除了自己使用以外,主要是销往华约国家等少数国家,没有参与到全球竞争中,很多方面甚至都不符合国际民航业的通行标准。


而以航空发动机为代表的高度复杂的工业产品,其品质高低的评价标准是非常多元的,不参与国际民航市场的竞争,航发企业改进迭代的具体方向和目标就很模糊。


这就很容易造成一种现象:从纸面数据看,苏联的民用发动机各方面都很不错,欧美发动机所使用的技术也都有应用,但实际交付到用户手上时,差距就显现出来了。


以通用、罗罗等为代表的西方航发公司,就是因为持续参与到国际民航竞争中,才使得互相之间的技术差距越来越小,以至于很多民用飞机在设计之初就为用户同时提供换装不同企业的航发产品的方案。


因此,只有在市场上和竞争对手进行长期激烈竞争,企业才能不断发现差距,找到产品改善、改进的方向。


空客A320客机(图源网络)

空客A320使用的CFM56-5系列发动机(图源网络)


如今,我国在发展民用发动机的过程中,一定要重视市场,才能做出合格的民用发动机!


4

 有疑问?



 

库叔精选8个读者提问,在这里简要作答。


1.我们国家的航发实力很差吗?


答:和顶级水平的确有差距,但我们自身的基础也较为雄厚,而且正在快速提升。


2.我军的飞机都要依赖国外发动机吗?


答:不全是,在二代机时代,我军的战机发动机主要是由国内自己研发生产的。在研发三代机之初,由于工业基础薄弱以及历史原因,导致我国大推力涡扇的研发进度落后于飞机整机,因此,很长一段时间从国外进口发动机供国产飞机使用。在国产发动机成熟后,这一情况有了很大改善。


3.既然国产太行发动机已经成熟,为什么还要继续进口发动机?


答:因为早期装备进口发动机的国产飞机还在服役,需要备用发动机,而为一款正在服役的飞机更换新型号发动机代价过高,因此最可靠的做法就是继续进口使用原来型号的发动机,直到飞机退役为止。


4.军用航空发动机的研发实力能够为民用服务吗?


答:只要政策允许,军用发动机的设计研发人员和生产设备都可以转为民用,为民用发动机的研发生产做出贡献。


5.为什么要单独成立商发来负责民用发动机的开发?


答:要在竞争性的市场上和民企或外资生产的产品竞争,必须在军工厂的体系之外成立市场导向的新公司,由具备市场意识的企业来研发生产,才能避免重蹈覆辙。


6.使用了这么多国外厂商的零部件和设备的国产发动机,真的可以算是“自主”发动机吗?


答:自主完成整体设计和整机设备集成是自主研发的标准,使用国外技术和进口零部件很正常。就像一名厨师,做出高质量的菜肴是关键,并不需要自己种菜、自己榨油、自己养殖,甚至自己炼铁做刀具。


7.核心技术依赖国外技术,不担心被“卡脖子”吗?


答:虽然“商场如战场”,但民用领域“在商言商”更重要,跨国公司已是全球常态,因此全球采购、全球制造、全球销售是现代产业的主要模式。


必须强调的是,现阶段采用国外先进技术并不代表放弃国内研发,只要国内坚持提升自身航发水平,未来就可以在国际合作中争取更多话语权,从而规避相关风险。


8.中国航空发动机产业的前景如何?


答:前途光明,道路曲折,谨慎乐观。




      在民用航空发动机这块,GE和RR分的蛋糕绝对是最大的,这两家公司以各自顶尖的技术在发动机领域独占鳌头,虽然通用和罗罗并不只是跻身航空领域,但能够在航空领域占据半壁江山,足以证明其实力之强大,两者之间有竞争也有合作,用GE的话来说就是“全球每两秒就有一架由GE发动机提供动力的飞机起飞”,而用罗罗公司的话就是“我们最好的不是劳斯莱斯汽车”。

      GE作为世界上最大的航空发动机制造商,其地位是毋庸置疑的,但仅在民用航空发动机领域,在军用发动机方面,美国的普惠有自己独到的一面。从市场上讲,GE所占的份额是最大的,但罗罗公司在新订单里占据了一定份额。罗罗 罗罗公司地处英国,深受欧元区的影响,加之历史悠久,技术沉淀较厚,能够在这一领域站稳脚步也是必然的。

      GE,即美国通用电气公司,成立于1892年,GE的创始人就是大名鼎鼎的发明大王--爱迪生,有没有感觉很惊讶的?GE公司涉及众多的领域,在航空发动机领域,GE绝对处于第一梯队中,GE拥有完整的设计,制造,生产等体系,具备完全的自主研发制造能力。设计生产的产品众多,正如GE所说的全球每两秒就有一架由GE发动机提供动力的飞机起飞就足以体现GE的实力。我国最新的大型客机C919用的就是GE和法国共同研制的发动机,目前GE主要的民用发动机主要包括:

      1,GE-90,它是通用公司的核心产品,是一种高涵道比的商用发动机,同时也是世界上最大的飞机发动机,主要运用在波音777客机上,坐过777的人可以留意一下这个大家伙。

      2,GEnx:是一款双转子轴流式大涵道涡扇发动机,GEnx的设计来源于GE90发动机,是GE90的衍生品,目前一般作为波音787的心脏,其标志性的特点就是发动机尾部的锯齿状排气系统。

      3,GE9x:GE9x是GE公司为波音777研发的下一代唯一的可选动力系统,其号称比GE90发动机节省10%左右的油耗。

      罗罗公司,是英国著名的航空发动机公司,是世界三大航空发动机生产制造商之一,成立于1906年,其创始人是查尔斯-罗尔斯和亨利-罗伊斯。1971年,罗罗公司由于开发新型发动机亏损导致破产,在政府的救助下将公司一分为二,分别生产航空发动机和汽车,同GE一样,在航空发动机领域罗罗也处于第一梯队的位置,在市场上有很强的竞争力,罗罗的发动机多采用三转子结构,这也是罗罗独特的一大创新之处,罗罗的主要发动机包括:

      1,trent700:trent700系列发动机于1989年开始研制,采用罗罗独具特色的三转子结构,是空客A330的主要动力系统,在我国市场占有率非常地高。

      2,trent1000:同GEnx一样,也可作为波音787的动力系统,在市场上的占有率也是超过了50%。

      3,trentXWB:是空客A350XWB的唯一动力系统,号称是罗罗历史上销售最快的发动机,其目前订单已经超过了1500多台。

      看到这里,不免心动,同时也希望祖国的航空工业有一天跻身世界前列。在先进航空发动机领域也有我们的一席之地。所以,革命尚未成功,同志仍需努力啊。