通用航空動(dòng)力先進(jìn)技術(shù)發(fā)展思考

在通用航空動(dòng)力領(lǐng)域，我國(guó)以AES100為代表的先進(jìn)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)性能已達(dá)到國(guó)際同代產(chǎn)品的水平，工程研發(fā)管理工作也邁上了新的臺(tái)階，接下來要探索更節(jié)能、更低碳的未來先進(jìn)動(dòng)力的技術(shù)發(fā)展。

通用航空廣泛應(yīng)用于短途通勤、應(yīng)急救援、工農(nóng)林業(yè)、警務(wù)執(zhí)法、公務(wù)飛行等領(lǐng)域。通用航空動(dòng)力涵蓋航空動(dòng)力所有類型，是科技水平和經(jīng)濟(jì)實(shí)力的綜合體現(xiàn)，是航空強(qiáng)國(guó)不可或缺的重要組成。通用航空動(dòng)力騰飛必將助力民用航空和航空動(dòng)力的“兩翼”齊飛。

國(guó)內(nèi)通用航空動(dòng)力市場(chǎng)足夠大

美國(guó)擁有通用航空飛機(jī)21萬架（占全球一半），2萬個(gè)通用航空機(jī)場(chǎng)，60萬人持有駕照。中國(guó)的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）已達(dá)到美國(guó)的70% ，國(guó)土同樣遼闊，人口更多，隨著空域逐步放開，國(guó)內(nèi)通用航空產(chǎn)業(yè)有望達(dá)到全球10%的規(guī)模。中國(guó)與全球通用航空飛機(jī)數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示。

表1 中國(guó)與全球通用航空飛機(jī)數(shù)據(jù)對(duì)比

2020年，國(guó)內(nèi)擁有通用航空飛機(jī)4165架，其中國(guó)產(chǎn)949架。按過去10年10%的年均增速計(jì)算，未來15年國(guó)內(nèi)通用航空飛機(jī)將新增16822架，發(fā)動(dòng)機(jī)新增22850臺(tái)，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量將各占一半，但價(jià)值上渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)占比超過90%，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)、渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)價(jià)值占比最高。

當(dāng)前，擁有美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）、歐洲航空安全局（EASA）型號(hào)合格證（TC）的進(jìn)口發(fā)動(dòng)機(jī)通過中國(guó)民用航空局型號(hào)認(rèn)可證（VTC）進(jìn)入國(guó)內(nèi)，主導(dǎo)著國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。由于通用航空動(dòng)力的安全性和技術(shù)要求低于商用，更適合后來者進(jìn)入并筑牢基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)企業(yè)近年紛紛開始布局通用航空動(dòng)力，重點(diǎn)發(fā)展價(jià)值和門檻更高的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，覆蓋多用途需求。

航空工業(yè)通飛、哈飛、昌飛、洪都等通用航空飛機(jī)企業(yè)已初具規(guī)模，中電科蕪湖鉆石飛機(jī)制造有限公司等企業(yè)通過國(guó)外并購(gòu)迅速趕上，順豐、京東等公司的貨運(yùn)無人機(jī)以及銳翔電動(dòng)飛機(jī)已走在世界前列。

通用航空動(dòng)力先進(jìn)技術(shù)實(shí)踐

通用航空動(dòng)力正面臨更新?lián)Q代，以WZ8A/D、WJ5、WJ6、WJ9為代表的國(guó)產(chǎn)第二、三代取證發(fā)動(dòng)機(jī)已基本退出市場(chǎng)，亟待推出技術(shù)更為先進(jìn)的民用發(fā)動(dòng)機(jī)，形成產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，分享高速增長(zhǎng)的中國(guó)及“一帶一路”市場(chǎng)。目前，國(guó)產(chǎn)多型第三代渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)使用已達(dá)數(shù)百萬小時(shí)；第四代渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)中，中法合作的WZ16已取得民航型號(hào)合格證（TC）和生產(chǎn)許可證（PC），即將隨AC352交付首家用戶，AES100渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)順利即將取證，AES100改渦槳/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)、AES20渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)正加速研制。

AES100渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)

目前，我國(guó)已經(jīng)自主創(chuàng)新研制了1000kW 功率級(jí)第四代先進(jìn)民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)AES100，產(chǎn)品研制突出技術(shù)先進(jìn)性、可靠性和長(zhǎng)壽命，AES100 渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)總體布局如圖1所示。綜合先進(jìn)指標(biāo)、技術(shù)傳統(tǒng)和衍生發(fā)展等要素，發(fā)動(dòng)機(jī)采用中等熱力循環(huán)參數(shù)、高部件效率的技術(shù)路線，使用軸向進(jìn)氣、組合壓氣機(jī)（3級(jí)軸流+1級(jí)離心）、回流燃燒室、雙級(jí)燃?xì)鉁u輪和雙級(jí)動(dòng)力渦輪?；谶m航取證及目標(biāo)成本，確定了需攻關(guān)的先進(jìn)壓氣機(jī)和渦輪、軸承共腔、環(huán)下供油、集成化附件傳動(dòng)和油濾組件、低成本雙通道全權(quán)限數(shù)字式電子控制（FADEC）系統(tǒng)、健康管理系統(tǒng)（性能預(yù)測(cè)和壽命管理）等關(guān)鍵技術(shù)，第四代渦軸/渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)典型先進(jìn)技術(shù)特征如表2所示。

表2 第四代渦軸/渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)典型先進(jìn)技術(shù)特征

圖1 AES100渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)總體布局

在研制過程中嚴(yán)格做好需求分析與定義、概念設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、試制與驗(yàn)證的民機(jī)研制五階段管理，特別是在需求分析與定義階段清晰定義發(fā)動(dòng)機(jī)及部件/子系統(tǒng)的需求，分解到零件/成附件的技術(shù)協(xié)議和產(chǎn)品規(guī)范中，作為研制和鑒定驗(yàn)收依據(jù)。自主研制過程實(shí)際上是從需求定義到驗(yàn)證的正向研制迭代過程，適航要求僅占需求的1/3，更多來自市場(chǎng)、客戶及競(jìng)爭(zhēng)力需求。

AES100渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明：起飛耗油率≤0.276kg/(kW·h)，空中起動(dòng)/飛行高度≥7000m，首翻期≥3000h，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。雙發(fā)已配裝直升機(jī)首飛，簽約首家先鋒用戶“彩虹”傾轉(zhuǎn)旋翼無人機(jī)。

AES100渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的材料/工藝標(biāo)準(zhǔn)等廠所聯(lián)合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已漸趨完善，構(gòu)建起了材料適航體系，完成了適航摸底試驗(yàn)，確定了取證構(gòu)型，順利通過部分取證試驗(yàn)，預(yù)計(jì)2024年上半年完成適航取證。

AEP100渦槳/AEF100渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)

基于AES100渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)整機(jī)平臺(tái)/核心機(jī)，衍生發(fā)展AEP100渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)、AEF100渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，如圖2所示，將通過快速適航取證和量產(chǎn)形成規(guī)模優(yōu)勢(shì)。

圖2 AEP100渦槳/AEF100渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)

AEP100渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)在AES100渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上，增加了體內(nèi)減速器，適應(yīng)性改進(jìn)進(jìn)排氣系統(tǒng)、FADEC系統(tǒng)，利用部件、整機(jī)驗(yàn)證成果，研制的900kW功率級(jí)先進(jìn)渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)，適用于單/雙發(fā)通用航空飛機(jī)、無人機(jī)，預(yù)計(jì)于2025年取證。

AEF100渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)沿用AES100核心機(jī)，新研單級(jí)風(fēng)扇，改進(jìn)低壓渦輪、排氣段、FADEC系統(tǒng)和附件傳動(dòng)系統(tǒng)，研制了8kN推力級(jí)中等涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，適用于單/雙發(fā)小型公務(wù)機(jī)、無人機(jī)。

AES20渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)

基于AES100渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)突破的關(guān)鍵技術(shù)和建立的材料/工藝適航體系，針對(duì)日益顯現(xiàn)的1t級(jí)有人/無人直升機(jī)、混合電推進(jìn)動(dòng)力需求，開發(fā)了低成本小功率渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)AES20，總體布局如圖3所示。典型結(jié)構(gòu)包括前置減速器與附件傳動(dòng)系統(tǒng)、徑向進(jìn)氣、1級(jí)離心壓氣機(jī)、回流燃燒室、1級(jí)燃?xì)鉁u輪+1級(jí)動(dòng)力渦輪和FADEC系統(tǒng)。

圖3 AES20渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)總體布局

AES100渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)起飛功率220kW，滿足高溫、高原使用環(huán)境。為了突出成本競(jìng)爭(zhēng)力，大量選用AES100渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)所用材料、成附件，降低成本，縮短周期，預(yù)計(jì)于2025年取證。

未來先進(jìn)動(dòng)力技術(shù)挑戰(zhàn)

航空百年發(fā)展史，從最初的技術(shù)驅(qū)動(dòng)逐漸轉(zhuǎn)為市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，再到將來的環(huán)保驅(qū)動(dòng)。全球航空業(yè)承諾到2050年實(shí)現(xiàn)凈零碳排放，中國(guó)目前是全球第一大碳排放國(guó)，也必將順應(yīng)時(shí)代變革，通過使用更少的燃料和更清潔的燃料實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)（見圖4）。

圖4 實(shí)現(xiàn)凈零碳排放途徑

下一代傳統(tǒng)構(gòu)型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)

面對(duì)未來更高壓力、溫度、壽命、可靠性和集成化制造的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)構(gòu)型發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展趨勢(shì)包括更先進(jìn)總體熱力循環(huán)、更高壓氣機(jī)壓比和效率、出口溫度更高的低排放燃燒室、復(fù)合冷卻空心渦輪葉片和陶瓷基復(fù)合材料（CMC）、體現(xiàn)綠色制造的3D打印、新材料/技術(shù)/工藝適航驗(yàn)證、高可靠性以及長(zhǎng)壽命。

新構(gòu)型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)

齒輪傳動(dòng)、槳扇等新構(gòu)型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的原理并不復(fù)雜，幾十年來一直在開展研究，挑戰(zhàn)主要來自總體匹配、噪聲、振動(dòng)、可制造性以及包容性等。經(jīng)過巨大投入和持續(xù)改進(jìn)，普惠公司的齒輪傳動(dòng)渦扇（GTF）發(fā)動(dòng)機(jī)已成功應(yīng)用于單通道商用飛機(jī)。槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)更低油耗，但需要應(yīng)對(duì)槳扇噪聲控制、減速器振動(dòng)抑制、大功率動(dòng)力渦輪變轉(zhuǎn)速、槳/發(fā)一體化單桿控制等挑戰(zhàn)，中國(guó)航發(fā)動(dòng)研所已將WJ9發(fā)動(dòng)機(jī)改裝成對(duì)轉(zhuǎn)槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)，開展了演示驗(yàn)證試驗(yàn)研究。

油電混合動(dòng)力

油電混合動(dòng)力可分為分布式構(gòu)型、傳統(tǒng)構(gòu)型+電動(dòng)機(jī)兩種。

分布式構(gòu)型利用渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電、電池補(bǔ)電，驅(qū)動(dòng)分布式旋翼/螺旋槳。2022年年初，中國(guó)航發(fā)動(dòng)研所80kW混合動(dòng)力原理驗(yàn)證機(jī)實(shí)現(xiàn)首飛。

而傳統(tǒng)構(gòu)型+電動(dòng)機(jī)是在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)旋翼/螺旋槳基礎(chǔ)上，電池驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)并通過減速器補(bǔ)充功率，解決起飛時(shí)的功率不足。油電混合動(dòng)力系統(tǒng)的功率密度高于全電動(dòng)力系統(tǒng)，低于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)。全電動(dòng)力飛機(jī)適合替代短航時(shí)的輕小型活塞式飛機(jī)，油電混合動(dòng)力更適合中短途的通勤飛機(jī)。

可持續(xù)航空燃料

使用可持續(xù)航空燃料（SAF）的優(yōu)勢(shì)是不需要對(duì)飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改裝，直接使用100%SAF，可減少多達(dá)80%的碳排放。缺點(diǎn)是產(chǎn)量少、成本高，國(guó)產(chǎn)民用發(fā)動(dòng)機(jī)需加快驗(yàn)證。

氫能源動(dòng)力

氫作為可再生能源，燃燒熱值高、清潔無污染，能有效降低二氧化碳和氮氧化物排放。但存在諸多因素制約氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)商用，例如，氫燃料火焰穩(wěn)定燃燒、高溫合金氫損傷、密封與控制計(jì)量要求高等。氫燃料電池基于液態(tài)氫與空氣中的氧結(jié)合而發(fā)電，用以驅(qū)動(dòng)飛機(jī)，可看作是電解水的逆反應(yīng)，同樣面臨氫制備能源消耗大、成本高、機(jī)場(chǎng)設(shè)施及適航等待解難題。

結(jié)束語

國(guó)內(nèi)渦軸/渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)足以支撐研制性能先進(jìn)的通用航空動(dòng)力，難的是將高可靠性、長(zhǎng)壽命、低成本、維修性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕等產(chǎn)品需求，逐級(jí)分解，量化傳遞，通過技術(shù)攻關(guān)、設(shè)計(jì)開發(fā)、制造實(shí)現(xiàn)、試驗(yàn)驗(yàn)證表明符合性，將有規(guī)可依、有據(jù)可查貫穿到產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)全過程，保證初始和持續(xù)適航安全，實(shí)現(xiàn)商業(yè)成功。以AES100渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)為代表的通用航空動(dòng)力自主研制，正在夯實(shí)這一基礎(chǔ)，加速完善這一過程，最終將實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，以迎接未來先進(jìn)通用航空動(dòng)力技術(shù)發(fā)展更大的挑戰(zhàn)。