■ 蔡建兵/中國航發(fā)動研所

近年來，隨著國民經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展和國民收入水平的穩(wěn)步提高、低空空域管理改革深入推進、通用航空配套保障條件不斷完善、各種社會資源競相布局，國內(nèi)通用航空產(chǎn)業(yè)正迎來高速發(fā)展時期。通用航空產(chǎn)業(yè)的發(fā)展離不開中小型民用航空發(fā)動機的支撐。長期以來，國內(nèi)中小型民用航空發(fā)動機市場主要由國外制造商壟斷，國產(chǎn)發(fā)動機型譜不完善，可靠性、安全性水平不高，市場占有率低，嚴重制約了我國通用航空產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。自主研制和發(fā)展通用航空發(fā)動機，尤其是中小型渦軸、渦槳和渦扇發(fā)動機已迫在眉睫。

現(xiàn)狀分析

通用航空機隊結(jié)構(gòu)分析

據(jù)中國民航局統(tǒng)計數(shù)據(jù)，截至2018年年底，國內(nèi)在冊通用航空飛行器總數(shù)為3380架，其中固定翼飛機2098架，旋翼機1166架，飛艇(氣球)116架。

除飛艇（氣球）外，按發(fā)動機類型分，活塞式發(fā)動機飛機1979架，渦輪發(fā)動機飛機1270架，純電動力飛機15架。在渦輪發(fā)動機飛行器中，渦軸發(fā)動機為動力的直升機653架，渦槳發(fā)動機為動力的公務(wù)機和通用飛機368架，渦扇發(fā)動機為動力的公務(wù)機256架。

按照制造商分，國內(nèi)渦輪發(fā)動機的民用直升機主要由歐直、貝爾、萊奧納多、西科斯基和航空工業(yè)五大制造商提供，占比84.7%；渦槳發(fā)動機的通用飛機（含公務(wù)機）則主要由德事隆賽斯納、航空工業(yè)、德事隆比奇、派珀和皮圖拉斯等五大制造商提供，占比76%；渦扇發(fā)動機公務(wù)機主要由龐巴迪、灣流宇航、德事隆賽斯納、達索、巴航工業(yè)五大制造商提供，占比94.5%。

目前，國內(nèi)在役的國產(chǎn)通用航空飛行器747架，占通用航空飛行器總數(shù)的22%，雖遠高于國產(chǎn)運輸類飛機3%的份額，但多數(shù)國產(chǎn)飛行器是活塞式發(fā)動機的輕型運動飛機，很多還是由合資企業(yè)直接引進國外技術(shù)生產(chǎn)的。國產(chǎn)渦輪發(fā)動機通用飛機總數(shù)120架，僅占渦輪發(fā)動機通用飛機總數(shù)的9.4%，國產(chǎn)渦扇發(fā)動機公務(wù)機尚處于空白。

在役通用航空飛機用渦輪發(fā)動機結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)國內(nèi)通用航空機隊機型及其配裝動力情況統(tǒng)計，國內(nèi)通用航空飛機配裝的渦輪發(fā)動機1936臺。渦軸發(fā)動機共901臺，其中功率不超過800kW的669臺，功率為800 ～1500kW的120臺， 功 率 為1500 ～2500kW的104臺，功率高于2500kW的8臺；在役民用渦槳發(fā)動機499臺，其中22臺功率超過1500kW，18臺功率在800 ～1500kW，其余發(fā)動機功率均小于800kW；在役民用渦扇發(fā)動機536臺，其中推力小于15kN的54臺，推力為15～35kN的154臺，推力為35～70kN的296臺，推力超過70kN的32臺。

1000kW級渦軸發(fā)動機

800kW級渦槳發(fā)動機

按照制造商分，國內(nèi)通用航空飛機用民用渦軸發(fā)動機主要由賽峰、普惠、羅羅三家公司提供，占比高達86%；民用渦槳發(fā)動機幾乎由普惠加拿大公司一家壟斷，占比高達96%；民用渦扇發(fā)動機主要由羅羅、普惠和GE三家公司提供，占比達到88%。

相比通用航空飛機制造商的格局，通用航空飛機用中小型航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)集中度更高，少數(shù)制造商壟斷的格局更加明顯，而國產(chǎn)發(fā)動機裝機數(shù)量僅20余臺，主要是配裝直11/AC311的渦軸8D發(fā)動機和配裝直9/H410的渦軸8A發(fā)動機，在市場中處于非常弱勢的地位。

直升機制造商分布

渦槳動力飛機制造商分布

渦扇動力公務(wù)機制造商分布

技術(shù)需求

通用航空飛機與專門執(zhí)飛定期航線的客貨運飛機不同，其作業(yè)區(qū)域廣闊，任務(wù)類型多樣，用戶不僅有專業(yè)的通用航空運營公司，還包括大量的政府和個人客戶，機隊規(guī)模小且分散，運營和保障的支持較為薄弱。通用航空飛行的這些特點，對動力裝置本身提出了更高要求，發(fā)動機除了能滿足與飛機性能相匹配的功率（推力）外，還在安全性、經(jīng)濟性、可靠性、維修性、保障性、環(huán)保性等方面有更多樣化的設(shè)計考慮。

安全性

安全性是通用航空發(fā)展的底線和生命線，是提高社會公眾信心的關(guān)鍵。通用航空飛行器的致命事故率不大于10-5次/飛行小時，為保證發(fā)動機在全生命周期內(nèi)安全使用，要求發(fā)動機產(chǎn)生危害性后果的失效預(yù)期發(fā)生概率不大于10-7次/飛行小時。

不同功率等級渦軸發(fā)動機臺份數(shù)占比

不同功率等級渦槳發(fā)動機臺份數(shù)占比

不同推力量級渦扇發(fā)動機臺份數(shù)占比

通用航空發(fā)動機應(yīng)按照適航要求嚴格貫徹安全性設(shè)計理念：例如發(fā)動機轉(zhuǎn)子應(yīng)考慮防載荷超限設(shè)計；應(yīng)考慮發(fā)動機包容性設(shè)計，以防止壓氣機或渦輪葉片斷裂時飛出；發(fā)動機維修、裝配時可能出現(xiàn)危險的部位應(yīng)具有明顯的警告標識；發(fā)動機安裝節(jié)、滑油管路、燃油管路及滑油箱等應(yīng)開展防火設(shè)計等。另外，發(fā)動機要能滿足復(fù)雜氣象條件、全地理條件安全使用，適應(yīng)高原、荒漠、山地、海島和城市中低空的使用環(huán)境，耐沙塵磨蝕，耐鹽霧腐蝕。

經(jīng)濟性

經(jīng)濟性是通用航空用戶重點關(guān)注的指標，尤其是通用航空公司十分關(guān)注此指標。發(fā)動機全生命周期的成本，除發(fā)動機的直接采購費用外，還包括直接使用成本（DOC）和直接維修成本（DMC）。發(fā)動機的全生命周期成本一般占到通用飛機全生命周期成本的30%甚至更高。影響通用飛機直接使用成本的主要是燃油費用，直接維修成本則包括了定期維修、備件耗材、時壽件更換、發(fā)動機翻修等成本。

通用航空發(fā)動機的經(jīng)濟性設(shè)計，可考慮基于成熟的設(shè)計、材料、工藝和成附件開展發(fā)動機的系列化發(fā)展，研制滿足多機型、多任務(wù)需求的發(fā)動機，降低單機采購成本；綜合權(quán)衡選擇熱力循環(huán)參數(shù)、材料和工藝水平，一方面減少燃油消耗，一方面提高關(guān)鍵重要件低循環(huán)疲勞壽命、整機壽命等指標；同時充分考慮維修性，降低使用維護成本，提高任務(wù)可達性和出勤率等。

可靠性

可靠性體現(xiàn)了發(fā)動機在規(guī)定條件下完成任務(wù)的能力，主要是提高平均故障間隔時間，降低空中停車率和提前換發(fā)率等?？煽啃栽O(shè)計應(yīng)從成熟技術(shù)、余度設(shè)計、降額設(shè)計、軟件可靠性設(shè)計、元器件選用與控制等方面考慮。

通用航空發(fā)動機的可靠性設(shè)計，可考慮應(yīng)用整體葉盤、整體渦輪導(dǎo)向器、集成機匣等整體結(jié)構(gòu)件，采用功能集成、高速化附件，簡化結(jié)構(gòu)設(shè)計，減少零件數(shù)量；合理開展可靠性指標分配，提高整機可靠性；同時，在強度上應(yīng)滿足飛機的使用載荷要求，完成發(fā)動機適航規(guī)定的有關(guān)結(jié)構(gòu)完整性、耐久性等可靠性試驗。

維修性

維修性是發(fā)動機在采用規(guī)定的程序和方法進行維修后，保持和恢復(fù)到設(shè)計規(guī)定狀態(tài)的能力，主要是降低平均修復(fù)時間，降低每飛行小時直接維修工時等指標。維修性設(shè)計應(yīng)從維修可達性、單元體結(jié)構(gòu)、外場可更換組件、快速換發(fā)和裝配能力設(shè)計、可測試性、防差錯標識、維修安全性和人為因素等方面考慮。

通用航空發(fā)動機的維修性設(shè)計，應(yīng)盡量采用單元體設(shè)計；測試、保養(yǎng)、調(diào)整、拆卸、更換或維修的部位必須具有良好的可達性；外場可更換單元（LRU）更換時間應(yīng)盡可能短；不同功能的管道和線路采用不同的顏色標識；考慮“人機工程”，例如應(yīng)減小維修、裝配人員的跪、蹲、臥、趴等動作。

保障性

保障性是指發(fā)動機在設(shè)計規(guī)定的保障資源的支持下，滿足裝備完好率和派遣率要求的能力。保障性設(shè)計應(yīng)考慮減少備件需求數(shù)量，減少專用保障設(shè)備，簡化零部件包裝、裝卸、貯存和運輸要求，便于維護和運輸?shù)确矫婵紤]。

國內(nèi)通用航空飛機用不同功率等級渦槳發(fā)動機臺份數(shù)占比

國內(nèi)通用航空飛機用不同推力量級渦扇發(fā)動機臺份數(shù)占比

通用航空發(fā)動機的保障性設(shè)計，應(yīng)合理規(guī)劃外場可更換單元件，盡可能減少專用設(shè)備，需要時可使用飛機通用設(shè)備進行檢查；整機及零部件安裝、拆卸、貯存和運輸要求應(yīng)盡可能簡化；隨機保障工具種類應(yīng)通用化、標準化、小型化，盡量減少隨機工具種類；應(yīng)按照S1000D標準要求準備隨機資料以及交互式電子手冊等。

環(huán)保性

環(huán)保性是對民用發(fā)動機的特殊要求，主要是滿足適航規(guī)章對于污染物排放的指標要求，提高社會公眾對通用航空運營的滿意度。目前，適航規(guī)章僅對噴氣公務(wù)機用渦扇發(fā)動機及起飛功率超過1000kW級的渦槳發(fā)動機有明確的環(huán)保性要求，未來也會對利用運輸機場起降的小功率渦槳通用飛機、直升機提出要求，因此發(fā)動機設(shè)計除需進一步降低油耗外，還要考慮降低氮氧化物排放，降低發(fā)動機外部可感噪聲。

發(fā)展思路

近年來，隨著通用航空市場的不斷成熟，國內(nèi)通用航空飛機制造商深入挖掘市場需求，通過自主研制、專利引進甚至生產(chǎn)線引進等途徑，開發(fā)了多個適用于國內(nèi)市場需求的通用飛機產(chǎn)品，尤其是在無人直升機、大型貨運無人機領(lǐng)域，競爭迅速趨于白熱化，其對動力裝置的需求十分迫切。

國內(nèi)在通用航空動力研制領(lǐng)域已經(jīng)具備了一定的技術(shù)積累，500kW功率級渦軸8A/D、渦槳9發(fā)動機等產(chǎn)品通過了民航當(dāng)局的適航認證，尤其是中法對等合作研發(fā)的1300kW級渦軸16發(fā)動機的適航取證，為自主研制通用航空動力提供了強有力的技術(shù)支撐。

未來10年，國內(nèi)通用飛機用功率不超過1500kW的中小功率等級渦軸/渦槳發(fā)動機及輕型、中型公務(wù)機用渦扇發(fā)動機將成為市場急需。因此，以國內(nèi)通用航空飛機市場需求為牽引，針對市場應(yīng)用前景廣闊的渦軸、渦槳和渦扇發(fā)動機等項目積極開展自主研制，充分借鑒在研/在役發(fā)動機研制經(jīng)驗及成果，力爭較短時間內(nèi)完成研制，快速投放市場參與競爭，滿足通用航空直升機、渦槳通用飛機和輕型公務(wù)機對動力的需求。

國內(nèi)正在開展和擬開展研制的通用航空動力產(chǎn)品如下。

200kW級渦軸發(fā)動機

經(jīng)市場調(diào)研，500 ～1000kg級中小型無人直升機廣泛用于農(nóng)林植保、大氣監(jiān)測、交通監(jiān)管、消防反恐、客貨運輸、電路巡檢等民用領(lǐng)域，市場前景較好。

以500 ～1000kg級中小型無人直升機對動力裝置的需求為牽引，嚴格遵循適航規(guī)章規(guī)定，充分利用在研/在役發(fā)動機技術(shù)基礎(chǔ)及型號經(jīng)驗，在較短時間內(nèi)完成研制，快速投放市場。目前正在開展工程設(shè)計，計劃2年內(nèi)交付首飛用發(fā)動機。

1000 ～1300kW級渦軸發(fā)動機

在“兩機”專項中，針對市場前景較好的4 ～6t級民用直升機，已安排開展1000kW級第四代先進民用渦軸發(fā)動機研制。嚴格遵循適航規(guī)章規(guī)定，將經(jīng)濟性、安全性、可靠性、維修性、保障性等要求貫穿研制全過程，突破并掌握先進民用渦軸發(fā)動機關(guān)鍵技術(shù)，自主走完民用渦軸發(fā)動機適航取證全過程，綜合技術(shù)水平達到國際在役第四代民用渦軸發(fā)動機水平。目前技術(shù)驗證機已實現(xiàn)性能達標和初步結(jié)構(gòu)耐久性考核，計劃2024年適航取證。此外，通過壓氣機等部件改進設(shè)計，功率可提高至1200kW級。

為滿足7t級民用直升機的動力需求，2008年中國與法國賽峰直升機發(fā)動機公司同臺競技并以50:50對等合作研發(fā)了1300kW級渦軸16先進民用渦軸發(fā)動機。嚴格按照適航規(guī)章要求，完成了全部符合性驗證工作，2019年10月9日正式取得了型號合格證。

800 ～1200kW級民用渦槳發(fā)動機

針對市場前景較好的3 ～5t級(配裝單發(fā))和6 ～10t級(配裝雙發(fā))渦槳通用飛機、多用途飛機、公務(wù)機和無人貨運飛機，已安排開展800kW級民用渦槳發(fā)動機研制。嚴格按照適航條例要求，以通用飛機需求為牽引，充分借鑒在役/在研渦槳和渦軸發(fā)動機的研制經(jīng)驗及成果，在較短時間內(nèi)完成研制，綜合技術(shù)水平達到國外在役同功率等級最先進民用渦槳發(fā)動機水平。目前技術(shù)驗證機已實現(xiàn)性能達標。

此外，通過對壓氣機等部件改進設(shè)計，同時提高燃燒室出口溫度，功率可提高至1200kW級。

9800N級渦扇發(fā)動機

以市場前景較好的6 ～8座輕型公務(wù)機和2 ～5t級無人飛機需求為牽引，基于AES100發(fā)動機核心機，通過增配低壓部件，自主研制9800N級渦扇發(fā)動機，技術(shù)指標達到國外在役先進民用渦扇發(fā)動機水平。目前正在開展詳細設(shè)計，計劃2021年完成性能達標，2023年交付試飛用發(fā)動機。

此外，通過風(fēng)扇及核心機部件適應(yīng)性改進，推力可增至15680N級。

幾點思考

經(jīng)過多年的發(fā)展，國內(nèi)通用飛機發(fā)動機的研制已經(jīng)具備了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)，但對于通用航空無人機發(fā)動機適航、成本控制、市場營銷及體制機制等方面還處于摸索階段，有待深入研究。

通用航空無人機發(fā)動機適航

目前，有人機發(fā)動機按照《航空發(fā)動機適航規(guī)定》（CCAR-33R2）開展設(shè)計、制造、驗證及取證工作，但對于無人機及其發(fā)動機暫無明確的適航規(guī)定。據(jù)了解，民航局已授權(quán)民航科學(xué)技術(shù)研究院開展民用無人機適航審定程序及相關(guān)標準的研究和起草，當(dāng)前國內(nèi)無人機適航標準還處于起草階段。對于無人機動力裝置標準的主要內(nèi)容和章節(jié)架構(gòu)，若按照CCAR-33R2部有人機標準，由于有人機與無人機的使用需求差異較大，取證標準則過于嚴苛。因此，應(yīng)積極與適航當(dāng)局溝通，討論和協(xié)調(diào)民用無人機動力裝置的適航規(guī)定，并將適航認證要求融入發(fā)動機設(shè)計過程中，開展適航符合性驗證技術(shù)的研究，并推進適航規(guī)章的制定。

成本控制

目前國內(nèi)通用航空產(chǎn)業(yè)整體盈利難，主要原因在于通用航空飛機和動力本身的采購費用、運營費用和維修保障費用等偏高，限制了國產(chǎn)通用飛機及其動力裝置的應(yīng)用發(fā)展，因此，應(yīng)在發(fā)動機全生命周期的各個階段進行限價設(shè)計，以發(fā)動機全生命周期費用最低為目標，從設(shè)計、制造、工藝、材料等方面嚴格貫徹成本控制措施，如在滿足產(chǎn)品功能、性能要求前提下，盡可能選用適中的熱力循環(huán)參數(shù)，采用較低應(yīng)力級的部件、壽命長的關(guān)鍵重要件，采用單元體結(jié)構(gòu)和整體結(jié)構(gòu)件、簡化零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計，減少專用零件種類，主要部件設(shè)置窺視孔，方便孔探儀檢查發(fā)動機內(nèi)部，盡可能采用成熟技術(shù)、工藝和材料，降低動力研發(fā)成本及維修成本。

市場營銷

目前，國內(nèi)僅有渦軸8A、渦軸8D、渦軸16三型通用航空發(fā)動機完成適航取證，其他項目還處于研發(fā)階段、未取得型號合格證，尚未制定完整的發(fā)動機營銷、維修及售后策略，對通用航空發(fā)動機盈利模式缺乏研究。正在研發(fā)的通用航空發(fā)動機，應(yīng)具有高安全性、高可靠性及較好的經(jīng)濟性等特點，還應(yīng)制定完整的發(fā)動機營銷、維修及售后策略，搶占市場，確保新研產(chǎn)品市場成功和商業(yè)成功。

借鑒國外民用發(fā)動機的營銷經(jīng)驗，綜合考慮市場占有率、競爭機型營銷策略、發(fā)動機技術(shù)成熟度等因素，可采取“售價高、維修費用低”“售價低、維修費用高”及“售價、維修費用均衡”營銷策略，供用戶選擇。營銷考慮以廠商直銷為主，結(jié)合融資銷售、融資租賃、增值服務(wù)等方式。分類制定不同服務(wù)內(nèi)容的維修策略，例如，計劃性的維修、計劃性的維修+健康數(shù)據(jù)分析、按飛行小時購買服務(wù)等，方便用戶根據(jù)自身所需選擇合適的維修服務(wù)。

此外，還應(yīng)利用各類媒介大力推介國產(chǎn)通用航空動力，讓用戶充分了解國產(chǎn)通用航空動力并充滿信心、放心使用。

體制機制

現(xiàn)有體制還是計劃經(jīng)濟體制下發(fā)動機設(shè)計所和生產(chǎn)廠分離的軍用航空發(fā)動機研發(fā)模式，設(shè)計、制造、銷售和服務(wù)分開，單位之間的責(zé)、權(quán)、利不清晰，難以滿足市場競爭和通用航空發(fā)動機發(fā)展需要。此外，社會資本紛紛涌入通用航空發(fā)動機研發(fā)，對原有體制內(nèi)的通用航空發(fā)動機研發(fā)格局產(chǎn)生了較大沖擊。為適應(yīng)內(nèi)外部因素的挑戰(zhàn)，應(yīng)借鑒國外發(fā)動機公司的成功經(jīng)驗，以通用航空動力研發(fā)項目為載體，可考慮研究所牽頭、相關(guān)制造單位配套或研究所和制造單位成立合資公司的模式，同時吸納社會資本，統(tǒng)籌推進設(shè)計、生產(chǎn)制造與總裝集成、試驗驗證、市場開發(fā)與售后服務(wù)等工作，構(gòu)建適合所研發(fā)通用航空動力產(chǎn)品成果和商業(yè)成功的管理模式。

在宏觀政策層面，應(yīng)盡量爭取國家在高技術(shù)產(chǎn)品進口稅收、國產(chǎn)裝備示范應(yīng)用等方面的優(yōu)惠政策，同時借助國家“一帶一路”政策，努力開拓海外市場，讓國產(chǎn)通用航空動力隨著民機的出口“走出去、用起來”，樹立起國產(chǎn)航空發(fā)動機的品牌形象。

結(jié)束語

隨著空域開放試點逐步向全國推廣，我國的通用航空需求巨大，將極大地帶動通用航空動力的發(fā)展。通用航空動力研發(fā)單位應(yīng)針對我國通用市場需求，積極開展通用航空動力自主研制，研發(fā)出具有較強市場競爭力的產(chǎn)品快速投放市場。還應(yīng)積極開展成本控制、市場營銷等方面的研究，以降低產(chǎn)品全生命周期費用，進一步提升產(chǎn)品競爭力。